CC BY
22
Валерий Чудовский Игорь Стецко
Сергей Семенович Александр Шандицев
доцент кафедры информатики, научный руководитель лаборатории информационно-измерительных систем НИЛ ИИС факультета радиофизики и электроники БГУ, кандидат технических наук
заведующий лаборатории информационно-измерительных систем НИЛ ИИС, кандидат технических наук,
ведущий научный сотрудник нИл ИИС, кандидат технических наук,
научный сотрудник НИЛ ИИС
Многофункциональный измерительный комплекс УНИПРО
измерительной системы, его значение и доля в затратах на разработку. Качество программного обеспечения, его интеллектуальная и функциональная наполненность, отлаженность и эрго-номичность становятся основными характеристиками средств измерений.
Очевидные тенденции сближения измерительной и вычислительной техники, традиционных приборов и специализированных ИИС нашли свое гармоничное воплощение и развитие в новой концепции измерительного прибора, получившего название виртуального, во многом лишенного недостатков автономных приборов и ИИС и соединившего их достоинства.
Бурное развитие компьютерной отрасли привело к резкому увеличению производительности и снижению стоимости вычислительных средств, что кардинально изменило создание измерительных приборов. В распоряжении разработчика измерительной электроники появилось мощное, дешевое и постоянно совершенствующееся программно-аппаратное ядро с развитой периферией. Это обусловило целесообразность реализации средства измерения, максимально ориентированного на использование аппаратных средств компьютера. Процессор, устройства управления и отображения, оперативная память и даже блок питания — все это уже есть в составе компьютера.
Подобная реализация имеет еще одну немаловажную особенность. Гибкость и универсальность, присущая виртуальным приборам, максимальная программируемость вплоть до аппаратного уровня, а также создание специализированного программного обеспечения позволяют сравнительно легко адаптировать их под различные применения. Так, использование только двух виртуальных приборов — цифрового осциллографа и генератора сигналов произвольной формы — помогает реализовать функции, по меньшей мере, семи традиционных приборов (осциллографа, нескольких типов генераторов, вольтметра, частотомера, АцП). При этом
изменение пользовательского интерфейса, алгоритмов измерения, обработки и документирования полученных измерительных данных сводятся только к изменению программы. Таким образом, конечный вид и область применения создаваемого прибора во все большей степени определяется его программным обеспечением.
Непрерывное развитие науки и техники приводит к постоянному усложнению измерительных задач, повышению требований к быстродействию, точности, объемам измерительной информации и глубине ее обработки. Это влечет за собой повышенные требования к параметрам, функциональным возможностям и разнообразию средств регистрации и формирования электрических сигналов.
По сравнению с аналоговыми средствами регистрации различных электрических сигналов и измерения их параметров, например, с помощью электронно-лучевых осциллографов, частотомеров, вольтметров, спектроанализаторов и им подобных, цифровая регистрация сигналов на основе квантования их по времени и амплитуде предоставляет целый ряд уникальных возможностей. к ним относятся следующие: регистрация формы сигнала в течение длительного времени; наблюдение, запоминание и цифровая обработка случайных и однократных сигналов; регистрация событий, предшествующих моменту запуска сигнала; дополнительная обработка сигнала с помощью специальных математических и статистических методов; легкость документирования измеряемых сигналов и др.
Обратная задача регистрации сигналов — их формирование, основанное на цифровом синтезе генерируемых сигналов с последующим преобразованием с помощью цифро-аналогового преобразователя в аналоговую форму, — обладает также рядом уникальных возможностей по сравнению с традиционным использованием специализированных генераторов электрических сигналов. Поэтому все более широко распространяются генераторы сигналов произвольной формы на основе цифрового синтеза.
важным достоинством цифровой регистрации и цифрового синтеза сигналов является возможность реализовать на одних аппаратных базисах различные типы традиционных средств измерений, обеспечить многофункциональность и чрезвычайную гибкость подобной аппаратуры.
в соответствии с рассмотренными выше подходами в рамках концепции виртуальных средств измерений в научно-исследовательской лаборатории информационно-измерительных систем Белорусского государственного университета был разработан многофункциональный измерительный комплекс унипро, который до настоящего времени является флагманом производственной программы центра информационно-измерительных систем уп «унитЕхпром бгу», где осуществляется серийный выпуск создаваемых в лаборатории измерительных приборов.
обеспечивая измерение и синтез аналоговых и цифровых сигналов в широких амплитудных, временных и частотных диапазонах, комплекс унипро образует универсальную метрологическую станцию для решения широкого спектра измерительных задач. устройство может являться инструментальной основой автоматизированного рабочего места исследователя, студента, разработчика и наладчика электронных устройств и обеспечивает высокую эффективность оценки различных характеристик сигналов.
комплекс унипро представляет собой отдельный функциональный блок со встроенным источником питания и модулем интерфейса с компьютером, работает под управлением как настольного, так и портативного компьютера. прибор имеет модульную конструкцию, позволяющую интегрировать до трех различных либо однотипных измерительных модулей.
он работает в режиме дистанционного управления от компьютера через любой из следующих широко распространенных сегодня компьютерных интерфейсов: USB 2.0 (высокоскоростной режим High Speed), Ерр/ЕСр (протоколы быстрого обмена через принтерный порт) и RS-232. интегрированное программное обеспечение разработано для операционной системы Microsoft® Windows 9X/2K/NT/XP.
компьютерная измерительная станция унипро — это совокупность таких многофункциональных измерительных приборов, как цифровой осциллограф, генератор сигналов произвольной фор-
мы и логический анализатор/генератор цифровых сигналов. к примеру, цифровой осциллограф обеспечивает функции анализатора спектра, частотомера и цифрового вольтметра. в случае соединения устройств в единый инструментально-программный комплекс достигается своего рода сверхэффект и образуется «измерительная станция», позволяющая как исследовать, так и формировать аналоговые и цифровые сигналы в широких амплитудном, временном и частотном диапазонах. такая станция обеспечивает решение практически любой измерительной задачи, заключающейся в формировании необходимых воздействий на объект исследования и разноплановом анализе его состояния и поведения.
компьютерная измерительная станция может быть использована в лабораторных практикумах по таким специальностям, как радиоэлектроника, измерительная техника и т.п. являясь универсальным измерительным оборудованием, гибким и многофункциональным (заменяющим с десяток классических приборов), максимально совместимым с современными компьютерными технологиями, комплекс унипро служит хорошим подспорьем для научной работы студентов и преподавателей.
в Белорусском государственном университете эта идея давно нашла системное практическое воплощение. сегодня цифровыми осциллографами оснащены многие кафедры различных факультетов.
обратимся к более детальному рассмотрению отдельных измерительных блоков данного комплекса.
блок цифрового осциллографа Б-121
цифровой осциллограф является наиболее популярным и распространенным виртуальным прибором, что обусловлено удобством его использования для решения целого спектра измерительных задач, вследствие широких амплитудных и временных диапазонов измеряемых электрических сигналов, возможностей по регистрации и обработке измерительных данных. Особую ценность данное устройство представляет при исследованиях быстропротекающих однократных и нестационарных сигналов, а также для регистрации событий, предшествующих моменту запуска сигнала.
............. '-1'
> | a itc'ii !• » fr т л или«
- -_
Основные характеристики цифрового осциллографа В-121
Блок генератора сигналов произвольной формы В—131
Число входных каналов 2
Максимальная ширина полосы пропускания входного тракта 200 МГц
Коэффициенты отклонения по вертикали:
без делителя с делителем 1:10 2 мВ/дел.5 В/дел 20 мВ/дел.50 В/дел
Соответствующие входные диапазоны:
без делителя с делителем 1:10 16 мВ.40 В 160 мВ.400 В
Основная погрешность измерения напряжения ± 1%
Параметры входа (откр./закр. вход) 1 МОм, 25 пФ
Максимально допускаемое напряжение (откр./закр. вход) 400 В
Максимальная частота дискретизации:
для однократных сигналов (в одноканальном режиме) для однократных сигналов (в двухканальном режиме) для повторяющихся сигналов 200 Мвыб/с 100 Мвыб/с 10 Гвыб/с
Коэффициенты развертки (1 дел = 100 дискретов) 10 нс/дел.10 с/дел
Максимальная длина памяти 64 (128) Кслов
Режимы запуска развертки: автоматический, ждущий, однократный, «стоп» (остановка развертки в любой момент времени). Дополнительные режимы запуска развертки: телевизионным сигналом в режиме внешней синхронизации (кодированным по системам PAL, SECAM, NTSC), по длительности импульса от 20 нс до 4 с, по интервалу между импульсами от 40 нс до 4 с. Возможность предзапуска и послезапуска по отношению к импульсу синхронизации.
Виды синхронизации: от сигнала любого из каналов, от внешнего источника сигналов, от сети.
режим частотомера: измерение частоты синусоидального сигнала в диапазоне от 10 Гц до 100 МГц, импульсного сигнала любой полярности в диапазоне от 0 Гц до 100 МГц с точностью 2х10-5. режим анализатора спектра исследуемого сигнала на основе быстрого преобразования Фурье (в соответствии с частотой дискретизации входного сигнала) с возможностью усреднения; набор таких весовых функций, как прямоугольная, Блэкмэна-Харриса, Гаусса и др., выбор логарифмического либо линейного масштабов отображения.
Автоматическое измерение 22 параметров исследуемого сигнала и вычисление в реальном времени их статистических значений, таких как среднее значение, стандартное отклонение, максимум, минимум и др.
Генератор сигналов произвольной формы основан на цифровом синтезе генерируемых сигналов с последующим преобразованием с помощью ЦАП в аналоговую форму и по сравнению с традиционным использованием специализированных генераторов электрических сигналов обладает рядом преимуществ. Он способен выдавать сигнал любой формы, которую может придумать или нарисовать на компьютере пользователь (к примеру, можно использовать сигналы, полученные ранее при измерениях осциллографом, либо просто нарисовать их на экране мышью). При этом имеется и набор стандартных сигналов — синус, прямоугольник, треугольник, экспонента, шум — есть также возможность качания частоты и модуляции выходных сигналов (амплитудная, частотная, фазовая).
Основные характеристики генератора В-131
Число выходных каналов
Частота дискретизации выходного сигнала
Разрешение ЦАП
Выходной диапазон напряжения:
для нагрузки Z0 ^ 1 кОм для нагрузки 50 Ом < Z0 < 1 кОм
Минимальное время нарастания/спада:
для перепада 16 В для перепада 1 в
Размер памяти Временной шаг
формирования синхроимпульса число встроенных низкочастотных фильтров
2
1 выб/4 с...100 Мвыб/с
14 разрядов
I диапазон II диапазон
± 2 В ± 8 В ± 1 В ± 4 В
10 нс 5 нс
до 128 Квыб/канал 100 пс
4
• Задание формируемых сигналов одним из следующих способов:
• выбором в меню одного из стандартных сигналов и изначального определения его основных параметров;
• с помощью математических формул и библиотеки функций;
• путем рисования мышью на экране генератора;
• чтением файлов из памяти компьютера в ASCII коде, содержащих информацию о ранее сформированных и запомненных сигналах, в том числе полученных при измерении цифровым осциллографом;
• выбором произвольной комбинации сигналов, заданных любым из вышеперечисленных способов.
• Формирование стандартных сигналов: прямоугольных (с частотой от 0,1 Гц до 50 МГц), треугольных (включая пилообразные) и синусоидальных (с частотой от 0,1 Гц до 10 МГц), экспоненциальных, постоянного уровня, псевдослучайного шума.
• Амплитудная, частотная, фазовая и импульсно-пакетная (в том числе по входу синхронизации) модуляция сигналов.
• Режимы запуска формируемых по каждому из каналов сигналов: внутренний или внешний (однократный либо непрерывный).
• Режим вольтметра: измерение электрических сигналов в диапазоне амплитуд ±10 В с точностью 1 мВ с помощью встроенного АЦП, имеющего отдельный сигнальный вход.
В генераторе аппаратно и программно реализованы режимы вольтметра и 4-канального 16-разрядного АЦП, что в сочетании с осциллографом предоставляет широкие возможности для исследования электронных схем.
Блок логического анализатора В-141
i,
V. _ L.L- . f-l J
11*11 Y ■ ■ _Г "U- L ЗкЧ fj .ьь- .1" £
•"¿ь л/; |«nr i, i. ¡-.I-
С помощью логического анализатора-генератора цифровых сигналов В-141 можно исследовать цифровые сигналы (временные диаграммы и соотношения, а также таблицы состояний) по многим входным каналам в синхронном и асинхронном режимах. Активные пробники для каналов обеспечивают минимальное влияние на исследуемые схемы и работу с различными цифровыми сигналами. Важное достоинство анализатора — запуск по заданным по-
следовательностям 32-разрядных условий синхронизации. Кроме того, в В-141 имеется встроенный генератор логических последовательностей, обеспечивающий выработку цифровых сигналов по 16 выходным каналам, возможна также совместная работа генератора и анализатора.
Основные характеристики логического анализатора В-141
Максимальное количество входных каналов 32
Максимальная частота дискретизации сигнала 400 МГц
Параметры входов 100 кОм, 10 пФ
Диапазон частот анализируемых сигналов 0...100 МГц
Входной диапазон анализатора ± 5 В
Диапазон дискриминации входных сигналов - 5 В...+ 5 В
Погрешность установки уровня дискриминации Максимальная глубина памяти ± 150 мВ 128 Квыб
• Основные рабочие конфигурации анализатора:
• анализ сигналов от произвольных 8 входных каналов с максимальной частотой дискретизации сигнала 400 МГц и максимальной глубиной памяти 128 К отсчетов на канал;
• анализ сигналов от произвольных 16 входных каналов с максимальной частотой дискретизации сигнала 200 Мгц и максимальной глубиной памяти б4 К отсчетов на канал;
• анализ сигналов от каждого из 32 входных каналов с максимальной глубиной памяти 32 К отсчетов на канал и частотой дискретизации сигнала в диапазоне от 1 Гц до 100 МГц, определяемой формулой F=100 000 000М (Гц), где N=1, 2, 3 ..., 227-1;
• генерация сигналов ТТЛ по 16 каналам с максимальной частотой дискретизации сигнала 100 МГц.
• Внутреннее (от встроенного генератора) и внешнее (от сигнала любого из входных каналов) тактирование.
• Режимы запуска развертки:
• от произвольного входного канала по заданному перепаду логических уровней;
• по заданной комбинации логических уровней от 2 до 32 произвольных входных каналов;
• от произвольного входного канала по заданной последовательности логических уровней с учетом их длительности;
• по заданной последовательности комбинаций логических уровней от 1 до 32 произвольных каналов с учетом их длительности.
Характерные черты программного обеспечения комплекса — его функциональная и интеллектуальная наполненность и эргономическая проработка.
Общие технические параметры комплекса:
• питание — от сети 220 В, 50 Гц;
• потребляемая мощность в базовой конфигурации — не более 70 ВА;
• габаритные размеры — не более 290х290х85 мм;
• масса в базовой конфигурации — не более 3,5 кг.
