CC BY
271Владимир ДЬЯКОНОВ, д. т. н., профессор
Порты для подключения измерительных приборов к компьютеру
Для подключения к современному компьютеру измерительных приборов (генераторов, осциллографов и др. [1-4]) служат порты. Хотя в последнее время достигнут большой прогресс в создании беспроводных средств связи ПК с периферийным оборудованием (системы Bluetooth, Wi-Fi и т. д.), подавляющее большинство измерительных приборов все еще использует порты с проводной связью:
• принтерный порт LPT с 8-разрядной шиной передачи данных;
• последовательный COM-порт со скоростью передачи данных до 128/256 кбит/с;
• порт универсальной последовательной шины USB;
• приборный порт GPIB;
• порт LAN для подключения к локальной сети.
Порты LPT и COM, хотя и применяются по сей день, уже морально устарели, и их может не быть у новейших измерительных приборов и в ПК новейших разработок — особенно в портативных (ноутбуках). Давно используется приборный порт GPIB. Но он применяется при соединении приборов друг с другом, компьютеры обычно им не располагают.
Порт универсальной последовательной шины USB
Наиболее перспективен порт универсальной последовательной шины USB. Стандарт USB разработали семь компаний: Compaq, Digital Equipment, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Первые ПК с портами
Программы для генераторов и осциллографов
компании Tektronix
При исследовании и тестировании современных компонентов и радиосистем уже недостаточно применения даже самых серьезных измерительных приборов. Необходимо обеспечить полноценное объединение их с персональными компьютерами и применение как специализированных программных средств, так и программ общего назначения. В статье описаны программы управления цифровыми генераторами сигналов произвольной формы и осциллографами компании Tektronix, которые широко используются на нашем и мировом рынке измерительных приборов. Описаны новейшие реализации этих программных средств и их применение совместно с матричной системой MATLAB.
USB появились летом 1996 года. В настоящее время используется два стандарта шин USB.
Стандарт USB 1.1 имеет следующие технические характеристики:
• Высокая скорость обмена — 12 Мбит/с.
• Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена — 3 м.
• Низкая скорость обмена — 1,5 Мбит/с.
• Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена — 5 м.
• Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) — 127.
• Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена.
• Напряжение питания для периферийных устройств — 5 В.
• Максимальный ток потребления на одно устройство — 500 мА.
USB 2.0 отличается от USB 1.1 только большей скоростью и небольшими изменениями в протоколе передачи данных для режима Hi-speed (480 Мбит/с). Существуют три скорости работы устройств USB 2.0:
• Low-speed — 10-1500 кбит/c (используется для интерактивных устройств: клавиатуры, мыши, джойстика).
• Full-speed — 0,5-12 Мбит/с (аудио/видеоустройства, измерительные приборы).
• Hi-speed — 25-480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации). Шина USB интенсивно развивается. Так,
вариант шины USB OTG обеспечивает легкое соединение периферийных USB-устройств друг с другом без необходимости подключения к ПК. Новейшая шина USB wireless позволяет организовать беспроводную связь с высокой скоростью передачи информации (до 480 Мбит/с на расстоянии 3 метра и до 110 Мбит/с на расстоянии 10 метров).
В разработке находится спецификация USB 3.0, у которой теоретическая пиковая пропускная способность составит 4,8 Гбит/с.
Основные виды программного обеспечения измерительных приборов и систем
Работа цифровых измерительных приборов с внешним оборудованием и, прежде всего, с компьютером требует специального программного обеспечения. Есть три основных класса программ, широко используемых при создании контрольно-измерительных систем:
• встроенное в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) программное обеспечение (Firmware);
• драйверы для согласования измерительных приборов с компьютером;
• внешнее программное обеспечение (Software).
Встроенное программное обеспечение представлено программами (или одной программой), встроенными в ПЗУ прибора. В настоящее время применяются электрически перепрограммируемые ПЗУ (флэш-память), что обеспечивает возможность модернизации и смены программ. Новые версии Firmware могут быть получены из Интернета, где они размещаются фирмами — разработчиками приборов. Положительным моментом надо считать сложившуюся ситуацию, когда такое программное обеспечение считается свободно распространяемым. Драйверы поставляются как создателями измерительных приборов, так и специализированными фирмами.
Для приборов компании Tektronix внешнее программное обеспечение включает в себя три основные опционные программы [5, 6]:
• TekVISA Open Choice — программа корпорации Tektronix для осуществления связи приборов с ПК;
• Tektronix ArbExpress — программа управления цифровыми генераторами, задания стандартных и произвольных сигналов;
• NI SignalExpress Tektronix Edition — программа для интерактивных вычислений фирмы National Inc., адаптированная для применения с приборами корпорации Tektronix.
Можно установить как все эти программы, так и отдельно любую из них. При этом параллельно устанавливаются также программы-драйверы USB и TekVISA (Virtual Instrument Standard Architecture). Однако следует иметь в виду, что полной совместимости между программами NI SignalExpress и программами компании Tektronix нет. На рис. 1 пока-
заны ярлыки программ, используемых при работе с измерительными приборами компании Tektronix.
Программа Open Choice Desktop представляет собой полноценное средство для подключения к ПК приборов корпорации Tektronix, например осциллографов серий TDS 1000B/2000B/3000/4000 и др. Это ПО должно быть установлено до физического подключения приборов, поскольку иначе их может не распознать операционная система.
Особое место среди программ для работы с измерительными приборами принадлежит системам компьютерной математики (СКМ). Они наиболее полно и наглядно реализуют математические методы обработки любой информации, в том числе методы Фурье-преобразований, построения спектров и спектрограмм, новейшие методы вейвлет-преобразований и т. д. Наиболее гибкой при работе с измерительными приборами является матричная система MATLAB [6-9].
Установка и начало работы с программой ArbExpress
Программа ArbExpress предназначена для управления генераторами произвольных функций и сигналов. На рис. 2 представлено основное окно программы Tektronix ArbExpress — AXW100 v. 2.5. Это последняя версия программы на момент написания статьи, но ее интерфейс практически не отличается от более ранних версий [6]. Они отличаются в основном набором поддерживаемых ими приборов, число которых растет по мере выпуска новых версий.
Окно программы имеет титульную строку, меню, панели инструментов и характерную панель Shortcut View. В ней сверху указаны основные режимы работы программы:
Рис. 2. Окна программы ArbExpress
• Standard Waveform... — вызов окна задания сигналов стандартной формы;
• Equation Editor... — вызов окна редактора формул для аналитического задания сигналов;
• Blank... — вызов окна-бланка для графического задания сигналов;
• Properties... — вызов окна свойств сигналов.
Программа ArbExpress может работать как совместно с генераторами компании Tektronix, так и автономно, например, для подготовки файлов с сигналами нужной формы, которые в дальнейшем будут использованы для загрузки в генераторы произвольных функций (AFG [6]) и сигналов (AWG).
Изначально большая часть окна программы пуста (на рис. 2 в эту часть выведено окно About Tektronix ArbExpress с данными о программе — это последний пункт меню Help). Позиции меню и некоторые инструменты в инструментальной панели имеют выпадающие списки (рис. 3).
Один из таких списков (на рис. 3 слева) — Basic Waveform — содержит различные формы стандартных сигналов:
• Sine... — синусоидальная;
• Square... — прямоугольная (меандр);
• Triangle... — треугольная;
• Pulse... — прямоугольные импульсы;
• Noice...— шум;
• DC...----постоянный ток (напряжение);
• Exp Rise... — нарастающая экспонента;
• Exp Decay... — спадающая экспонента. Другой список (на рис. 3 справа) —
Advanced Waveform — задает еще ряд форм сигналов:
• Sinc... — сигналы вида sin(i/x)/(i/x);
• Sweep... — качание частоты;
• Multi-tone... — мультитоновый сигнал (сумма синусоид);
• Lorentz... — сигнал Лоренца.
Эти же формы сигнала есть в позиции Waveform основного меню (вторая строка под титульной строкой на рис. 2). Следует отметить, что наборы сигналов стандартных форм у разных генераторов компании Tektronix и у программы ArbExpress несколько отличаются.
В-мк Wj'-ífwm 4 4-ávjncc-d Wnrcfórm
-V 9nt_ JU 9ле—
Чэ ЇЗіійі«- Чі\ fkimp-
\ 7гіалрІь_ £ Mult-Tuns,„
PL PulSf... A Lorent...
Иоііь.
« cw:_
Г Í3Q ÖS-Ь-
Ч_ Б® D4*tï—
Рис. 3. Списки форм стандартных и дополнительных сигналов
Выбор и обзор сигналов стандартной формы
Если выбрать одну из позиций списка, например Sme... («Синусоидальный сигнал»), то появится окно установки вида и параметров сигналов стандартной формы (рис. 4).
В этом окне имеется ряд зон. В зоне Setting («Установка») имеется два списка: Function — установка функциональной зависимости сигнала и Instrument — для выбора генератора, с которым используется программа. Выбор позиций этих списков очевиден. Зоны Vertical и Horizontal служат для установки также достаточно очевидных амплитудных и временных параметров сигналов. Это окно является контекстно-зависимым, и набор параметров в нем в общем случае различен для разных выбранных форм сигналов.
Один из важнейших параметров — это скорость дискретизации Sampling Rate (измеряется числом отсчетов в секунду — S/s). Она должна иметь значения, допустимые для используемой модели генератора. Если какой-то параметр сигнала задан неверно, в конце его строки появляется красный мигающий восклицательный знак в кружочке. Окно Preview после нажатия кнопки мышью обеспечивает построение и обзор формы сигнала. В правой части окна имеется шесть кнопок со следующим назначением:
• Default — установка параметров сигналов по умолчанию.
• Multiwfm Properties — установка свойств файлов .wfm (с генераторами AFG не используется).
• Send to Arb — пересылка заданного сигнала на генератор (с выбором из списка канала CH1 или CH2).
• Ok — завершение установок и закрытие окна.
• Cancel — закрытие окна без внесенных изменений.
• Help — вывод справки.
Рассмотрим виды стандартных и дополнительных сигналов, которые позволяет задавать программа ArbExpress. На рис. 5 показано окно установки и задания параметров треугольного сигнала.
Обратите внимание на ограничение: нельзя задавать несимметричные по времени треугольные импульсы. На рис. 5 изменен вертикальный сдвиг Offset, ранее было устновлено значение по умолчанию «0», теперь он равен 2 В. В результате импульс поднялся над нулевой линией на эту величину.
Окно установки и задания параметров импульсного сигнала показано на рис. 6. Задаются прямоугольные импульсы, причем можно установить ширину импульсов относительно их периода, частоту, время задержки и сдвиг по вертикали. По умолчанию формируются импульсы с шириной 50% от периода.
Окно установки сигнала в виде постоянного тока (напряжения) не приводится, так как такая форма сигнала вполне очевидна и характеризуется только одним параметром — уровнем. Окно установки шумового сигнала представлено на рис. 7. Сигнал близок к «белому шуму» (Гаусса). Задается только один параметр по горизонтали — число точек.
Рис. 5. Окно установки треугольного сигнала
На практике часто встречаются сигналы с экспоненциальным нарастанием и спадом. Окна задания таких сигналов представлены на рис. 8 и 9. Здесь можно задавать фазу, число точек и дампинг-фактор. На рис. 9 показан открытый список генераторов, которые могут работать с программой Tektronix ArbExpress. В нем видна только часть моделей поддерживаемых приборов.
К числу интересных сигналов относится сигнал Sinc, описываемый выражением sin(í/x)/(í/x). Такой сигнал имеет, вплоть до частоты 1/т, спектр с одинаковой амплитудой гармоник, затем она резко падает. Окно установки такого сигнала и его параметров показано на рис. 10. К сожалению, параметр т не нормируется, но можно задавать число точек пересечения нулевой линии и общее число точек сигнала.
Сигнал Sweep характерен для генераторов качающейся частоты. Он используется для построения амплитудно-частотных характе-
• І
* 1
hndlb ■ ■
1*1 Ч і* г“ 1
1 ,jy . - ■ —— !
t№* Г" ¿v - .|
Нйгішагі
Зі
ьпимпш ТЖП ■йРкі Я
1 * йк 1
:.™«^ І М 1 т і
Рис. 8. Окно установки сигнала нарастающей экспоненты
Ьтт
М *1 |ІР}№ «J
* ¿nt-DI-i ГИцНп ГЧММР *-«0 [■ Ч V Гі+hw ї+ш 1
Пгг 1
1 л V S ■ ? ч
ГН{ кі ВпНпИп
Мтжш-а (— да Ні ЇК— 1
■и»ьН«КГ 1 1 ПепгРн* IlKfX Члп**я« І Тлі Firn** е*
teai
ЭМ*
Рис. 11. Окно установки сигнала Sweep
' і
'«* Нм-*щ ІИІ Ä (¿ЛІК' J
[
гл і»¥ 1 Г\ І І НМ І І і-.іОяі І
г- В V ■ І і
“ 1 ,т_‘ 9г^чик| її ч
53" № s— і
■ № 1І№] J
і
^ і
1 -ашігґіт і _ ~ і
Рис. 9. Окно установки сигнала спадающей экспоненты
Рис. 12. Окно установки сигнала Multi Tone
ристик различных систем и устройств. Окно установки такого сигнала и его параметров (рис. 11) предусматривает установку начальной и конечной частоты, а также общего числа точек. Остановка изменения частоты на заданное время, которая есть у генераторов AFG3000, не предусмотрена.
У некоторых генераторов предусмотрена установка мультитонового (Multi Tone) сигнала (из нескольких синусоид). Серия AFG3000 работу с такими типами сигналов не поддерживает. Окно установки параметров показано на рис. 12.
Из сигналов специальной формы ArbExpress поддерживает сигналы в виде импульса Лоренца — это сигнал колоколообразной формы (рис. 13). Он имеет быстро спадаю-
Рис. 14. Окно свойств сигнала
щий спектр гармоник. Некоторые формы импульсов, которые имеют генераторы се-
рии AFG3000, например импульсы гауссовой формы и гаверсинуса (квадрат синуса), программой не поддерживаются. Их можно задавать как сигналы произвольной формы.
Для установки некоторых специальных свойств сигналов (они зависят от применяемого генератора) служит окно свойств сигнала, активируемое специальной кнопкой, расположенной в правой части окна стандартных форм сигналов (рис. 14).
Передача установок программы на генератор
После выбора того или иного сигнала нужно передать данные о нем на подключенный к ПК и настроенный генератор. Для этого
Рис. 15. Окно AWG/AGF File Transfer and Control
в правой части окна задания сигнала, в меню или в инструментальной панели имеется кнопка Send to Arb (с указанием канала генератора). Активизация этой кнопки вызывает появление окна AWG/AGF File Transfer and Control. На рис. 15 оно показано внутри основной рабочей области программы.
В верхней части этого окна под титульной и инструментальной строками расположены три панели:
• Arb List — список приборов, подключенных к ПК;
• PC Folders — обзор папок в файловой системе ПК;
• PC Files — обзор файлов в выбранной папке.
Работа с последними панелями очевидна. В папке Arb List содержится важная информация о том, какие приборы в данное время подключены к ПК, на котором установлена программа ArbExpress. В списке Arb List должна присутствовать и быть выделена строка с идентификационным обозначением подключенного к ПК генератора — в нашем случае AFG3101. В начале работы нужно обеспечить соединение, активизировав кнопку Connected в панели инструментов окна.
Правильность соединения подтверждается в нижней строке окна (рис. 15). В верхней части окна содержится информация о файловой системе ПК и содержании разделов памяти генератора. Внизу в панели Instrument Control имеется ряд установок:
• Chanel Selector — выбор канала генератора;
• Output On — включение выхода генератора;
• Phase — фаза сигнала;
• Amplitude — амплитуда сигнала;
• Offset — сдвиг сигнала по вертикали;
• Output Mode — режим работы;
• Output Frequency — частота сигнала;
• EMEM Size — размер памяти сигнала генератора.
Введенные установки фиксируются нажатием кнопки Apply. Это окно используется первый раз и затем может быть закрыто. В дальнейшем можно пользоваться окном Standard Waveform, активизируя после выбора формы его кнопку OK. При этом выбранное окно Standard Waveform закроется, и в основном окне появится окно с осцил-
лограммой заданного сигнала (или с двумя осциллограммами при работе с двухканальным генератором). В начале и в конце окна с осциллограммой (рис. 16) есть два курсора (1 и 2), которые можно перемещать мышью, выделяя часть осциллограммы.
В нижней строке статуса отображаются данные о цифровом осциллографе (Oscilloscope) и генераторе, с которыми может работать команда. Красная надпись Status: Not Connected означает, что пока связь с этими устройствами отсутствует. Программа позволяет преобразовать сигнал, захваченный цифровым осциллографом, в сигнал, который будет воспроизводиться генератором.
Для отправки данных созданного сигнала в окнах программы имеется кнопка Send to Arb. Если генератор не подключен, то ее активизация вызывает появление информационного окна с запросом о подключении генератора. Ответив на него «Да», можно обеспечить подключение генератора: при условии, разумеется, что он включен и физически подключен к компьютеру. При этом появится окно перемещения и контроля файлов AWG/AFG File Transfer and Control, показанное на рис. 15.
В окне рис. 15 появились две важные зоны. Одна из зон — Transfer Direction — указывает на направления перемещения файлов из компьютера в систему памяти генератора. Последняя содержит редактируемую область внутренней памяти EMEM, 4 файла пользователя USER1-4 и внешнюю память на флэш-карте, которая вставляется в разъем на передней панели генератора USB Memory. Перенос файлов в том или ином направлении (из памяти генератора в ПК или наоборот) осуществляется перетаскиванием мышью.
Рис. 16. Окна программы ArbExpress с окном заданной осциллограммы
Fill1 Тгуїгї^Гїт Sfjhn.
Рис. 17. Окно с линейным индикатором,
контролирующим загрузку формы выбранного сигнала в память генератора
Вторая зона — Instrument Control — содержит достаточно очевидные установки генератора: селектор канала, функцию генерируемого сигнала, амплитудные параметры сигнала и его смещение, режим работы (по умолчанию непрерывный), частоту сигнала и число точек сигнала. Кнопка Apply позволяет применить текущие установки, а кнопка Cancel закрывает окно: при этом происходит возврат в основное окно.
Команда Send Waveform to Arb в позиции меню Communication и в панели инструментов окон обеспечивает передачу установок выбранного сигнала (из текущего окна) в генератор AFG3000. Процедура начинается с вывода окна с предупреждением о замене файла в текущей области файлов генератора. Если ответить утвердительно, то начнется перенос файлов с контролем линейным индикатором (рис. 17).
Задание формы сигнала с помощью редактора формул
Программа ArbExpress может работать как совместно с генератором выбранной серии, так и автономно, например, для подготовки файлов с сигналами нужной формы, которые в дальнейшем будут использованы для загрузки в генератор. Наряду с созданием сигналов стандартных форм программа обеспечивает создание сигналов, временная зависимость которых задается математическим выражением. Для этого служит редактор математических формул, окно которого (рис. 18) вызывается активизацией гиперссылки Equation Editor...
В окне редактора Equation можно составить простую программу, используя символы и функции, вводимые кнопками в окне Command List. Перечислим основные математические функции и операторы, которые можно использовать для записи программ в окне Equation:
• Sin( — синус выражения;
• Cos( — косинус выражения;
• exp( — вычисление экспоненты выражения;
• log( — вычисление десятичного логарифма выражения;
• int( — вычисление целой части значения выражения;
• pi — вычисление числа «пи»;
• ln( — вычисление натурального логарифма выражения;
• Sqrt( — вычисление квадратного корня из выражения;
• Max( — вычисление максимального из значений;
• Min( — вычисление минимального из значений;
• range( — задает пределы изменения аргумента для последующих выражений;
• rnd( — возвращает случайное число с заданной базой;
• diff( — вычисляет значения производной выражения;
• norm( — нормализует выражение, приводя его размах к 1;
• round( — округляет значение выражения;
• abs( — вычисляет абсолютное значение выражения;
• integ( — вычисляет значения интеграла выражения.
Помимо указанных кнопок задания функций в зоне Command List имеются кнопки для ввода имен переменных, скобок и арифметических операторов. При использовании функции нужно ввести аргумент (или аргументы) и закрывающую круглую скобку. Все это и позволяет задавать сигналы в аналитическом виде с помощью простого языка программирования. Программа вводится в окне Equation, причем в одной строке допустимо применение одного математического или программного выражения. Комментарии вводятся после знака #. Так, на рис. 18 задана следующая программа для создания сигнала в виде абсолютного значения синуса в кубе:
range(0,100us) # Задание интервала времени
abs(Sin(2*pi*x)A3) # Формула для задания сигнала
Компиляция программы и вывод графика заданной временной зависимости сигнала осуществляется кнопкой Compile. Компиляция проходит успешно только при правильном выборе параметров дискретизации сигнала (см. кнопки под окном графика сигнала). В противном случае выводится сообщение об ошибке, и график временной зависимости сигнала не строится. Строка с ошибкой выделяется и окрашивается в красный цвет. При правильной компиляции нажатие кнопки OK ведет к переносу данных сигнала в окно Wave Book с номером сигнала (рис. 19). В зоне Output (рис. 18) появляется сообщение об успешной компиляции.
Если теперь активизировать кнопку Send to Arb панели инструментов основного окна программы, то произойдет передача данных нового сигнала в память генератора, что приведет к его перестройке и появлению окна, изображенного на рис. 20, с необходимыми установками. Отметим, что создаваемый в этом случае сигнал генератора не относится к стандартным сигналам.
Нетрудно заметить, что среди операторов и функций нет широко распространенных конструкций условного оператора-функции if и циклов. Однако оператор range позволяет задавать интервалы времени как глобальные, так и частичные. Это даст возможность создавать сигнал по отдельным интервалам. Кроме того, операторы выбора минимума Min( и максимума Max( позволяют просто осуществить выбор сигналов как с постоянными значениями, так и с меняющимися. Поясним их применение на ряде примеров.
Рис. 18. Окна редактора формул программы ArbExpress
Рис. 19. Окно Wave Book с заданной формой сигнала
■ >3J ft* С(м r„ 1JDC0 000 ОСО OOrtt Hiíit Ий" ¿іггї ¿JLUÜ Oí^ аіч* Еіимяну
tifa* Wtaa!
ІИІІ ■ ' -■ ■
*«4
гJ &Ю
1 І] ii 2 * T Ii iuMtHJi
■ um n¿¡ см
pit. 1JXO ООО CÍ50 OOnt
Цьмг LUE) -irr*'
C'-гщ Dnw вія* ііімииу
■ 3CU Frb ;М
пт. i jÓjO iXti ОСО CO nt
Hi.st CUÜ ■
Arft ¿.LUJvrP CJriti Onv 5h¿í* ВДИдоу
Рис. 20. Окно генератора AFG3101 с установками на сигнал, приведенный на рис. 19
Рис. 21. Окно генератора AFG3101 c сигналом в виде 5 столбцов с нарастающей амплитудой
Рис. 22. Окно генератора AFG3101 c лестничным сигналом с пятью ступеньками
Следующий пример программы с подробным комментарием обеспечивает задание синусоиды, ограниченной сверху и снизу:
range(0,100us) #Задается общий отрезок времени
от 0 до 100 мкс
sin(2*pi*x) #Задается вычисление функции $т(2лх)
с периодом 100 мкс
range(0,50us) #Задается частный отрезок времени
от 0 до 50 мкс
min(v,0.5) #Положительный полупериод обрезанной
синусоиды
range(50us,100us) #Задается частный отрезок времени
от 50 до 100 мкс
max(v,-0.5) #Отрицательный полупериод обрезанной
синусоиды
Подготовленная программа (если она верна) компилируется без ошибок, и в окне предварительного просмотра Preview можно наблюдать график созданной зависимости. Кнопка Send to Arb позволяет направить созданный сигнал в указанный канал генератора. Эта операция уже была описана выше. Тот же результат с уровнями ограничения 0,8 и -0,8 дает следующая программа:
range(0,100us)
min(sin(2*pi*x),0.8)
range(50us,100us)
max(-sin(pi*x),-0.8)
Рис. 23. Пример создания сигнала произвольной формы с помощью графического редактора программы ArbExpress (использованы карандаши разного типа)
і ЗСВ Ргь ■. ;м
Fi,. l.OrOOOOOCCOOnt
phíir Lut)-fruí Oirf
3;** SJSUmhv
LjfHin
ММ'
isdorV
ítppju1
iW
IfJUi'
Далее рассмотрим программу, которая формирует пять столбцов с линейно нарастающей амплитудой (рис. 21):
Другая программа задает построение лестничного импульса, содержащего пять ступенек (рис. 22):
Сигналы описанных типов широко применяются для построения характериографов, предназначенных для снятия семейств вольт-ампер-ных характеристик различных приборов.
Задание сигналов с помощью графического редактора
Приведенные примеры наглядно демонстрируют технику программирования сигналов самой разнообразной формы, задаваемой математическими зависимостями на различных участках времени. Но есть еще и возможность генерации любых нарисованных от руки зависимостей. Для этого можно вызвать пустой бланк временной зависимости и с помощью электронного карандаша (мыши) с различными функциями нарисовать от руки произвольную временную зависимость сигнала (рис. 23).
При рисовании формы сигнала применяется простой графический редактор. Он
Рис. 24. Сигнал, созданный графическим редактором на экране генератора AFG3101
позволяет представлять форму сигналов по точкам и рисовать линии карандашом произвольным образом, по вертикали или горизонтали, а также осуществлять линейную или сплайновую интерполяцию формы сигналов в промежутке между точками.
range(10us,20us)
max(v,0.2)
range(20us,30us)
max(v,0.4)
range(30us,40us)
max(v,0.6)
range(40us,50us)
max(v,0.8)
range(50us,60us)
max(v,1.0)
range(10us,20us)
max(v,0.2)
range(30us,40us)
max(v,0.4)
range(50us,60us)
max(v,0.6)
range(70us,80us)
max(v,0.8)
range(90us,100us)
max(v,1.0)
Соответствующие типы карандашей можно найти в панели инструментов, в позиции Edit меню и в контекстном меню правой клавиши мыши: оно показано в правой части окна графика. Созданный сигнал на экране генератора показан на рис. 24.
Математическая обработка сигнала
В позиции Math меню есть команды математических операций и нормализации кривых. Команда Waveform Math... позволяет выполнять ряд математических операций с заданной формой сигнала и вспомогательной зависимостью. Это делается в открывающемся окне математических операций рис. 25. Справа оно содержит три окна с графиками сигналов — основным, вспомогательным и результирующим. В левой части представлена зона Math Source выбора вспомогательного сигнала (из библиотеки или в виде скалярного сигнала), операций (сложения, вычитания, умножения и деления), окно задания опции работы только с областями сигнала, выделенными курсорами, и, наконец, кнопки завершения работы OK, выхода Cancel и справки Help. При нажатии кнопки OK обработанный сигнал переносится в основное окно программы.
Рис. 25. Пример математической обработки сигнала, заданного графическим редактором
Задание сигнала генератора от осциллограмм цифрового осциллографа
Усложнение технологии тестирования различных объектов часто требует применения для этого тестирующих сигналов, подобных реальным сигналам. Такие сигналы могут иметь особенности (шумы, наводки, продукты нелинейности, ограничения по скорости изменения сигналов и т. д.), которые очень трудно учесть при математическом описании выходных сигналов. Программа ArbExpress предусматривает получение от генераторов сигналов, форма и параметры которых соответствуют реальным осциллограммам, захваченным цифровыми осциллографами Tektronix. Ниже дан пример для сигнала (несимметричного треугольного), полученного от аналогового функционального генератора MXG-9810A.
Для установления связи с ПК включенного осциллографа нужно активизировать кнопку Scope Acquisition Wizard. Появится окно с этим именем. В левой части окна находится список шагов, которые надо выполнить для передачи нужной осциллограммы в окно просмотра осциллограмм программы. На первом шаге Welcome выводится окно с приглашением к началу работы.
Активизировав его кнопку Next, перейдем к следующему шагу — выбору инструмента (SelectInstrument). Окно контроля этого шага показано на рис. 26. Если все нормально с работой используемого осциллографа, то в списке инструментов появится тип осциллографа, название шины, по которой он подключен к ПК, и VISA-описатель прибора.
Рис. 26. Окно шага Select Instrument
Под списком размещены данные об осциллографе (размер памяти осциллограмм, число каналов и, возможно, полоса частот). В нашем случае будут представлены данные применяемого прибора TDS 2024B.
Если что-то с включением осциллографа неблагополучно, данные прибора будут отсутствовать. В этом случае нужно проверить подключение осциллографа и с помощью кнопки Refresh обновить селекцию прибора. Если и в этом случае данный шаг не выполняется, то это означает некорректную установку программного обеспечения осциллографа, и его надо переустановить. Иногда полезно отключить прибор от ПК и снова его включить.
Когда указанная информация в окне есть, то, нажав кнопку Next, нужно перейти к следующему шагу Set Up Acquisition. Просмотрев содержание этого простого окна и выбрав представленные установки, можно перейти к следующему шагу — предварительному просмотру осциллограммы выбранного канала — Preview Waveform. Его окно показано на рис. 27 и подтверждает прием осциллограммы с осциллографа.
Выполнив аналогичным образом оставшиеся шаги, можно наблюдать появление осциллограммы уже в окне просмотра осциллограмм программы ArbExpress (рис. 28). Заметим, что это означает возможность хранения осциллограмм от осциллографов средствами программы ArbExpress.
Рис. 27. Окно шага предварительного просмотра Preview Waveform
• Select Instrument — открытие окна выбора инструмента;
• Get Screen — установка текущей осциллограммы в окно осциллограмм программы;
• Open — открытие окна выбора файлов осциллограмм;
• Save As — открытие окна записи файлов осциллограмм;
• Copy to Clipboard — копирование осциллограммы в буфер.
Все эти режимы очевидны. В режиме идентификации и выбора подключенного к компьютеру прибора выводится уже показанное на рис. 29 окно. В нем кнопка Identify используется для идентификации подключенных приборов. Видно, что хотя программа не обслуживает генераторы, тем не менее идентифицирует их.
На рис. 30 показан режим вывода осциллограммы от подключенного осциллографа TDS 2024B (это один из массовых и дешевых приборов фирмы Tektronix). Осциллограмма представляет собой амплитудно-частотную характеристику одиночного контура, снятую без детектора с помощью генератора AFG3101, используемого в качестве генератора качающейся частоты (ГКЧ).
Рис. 28. Сигнал осциллограммы в окне программы ArbExpress
Активизировав кнопку со списком Send to Arb, можно передать видимую осциллограмму в генератор AFG3000 и наблюдать ее появление на экране генератора. Передача данных на генератор сопровождается появлением окна с линейным индикатором загрузки, которое видно в левом верхнем углу окна программы ArbExpress.
Теперь можно использовать заданный сигнал как сигнал произвольной функции. Его можно сохранить в виде файла, а также есть возможность подготовить библиотеку тестовых сигналов и записать ее на карту флэш-памяти, которую можно устанавливать в генератор AFG3000 и использовать его и без компьютера. Наш пример относился к одноканальному генератору произвольных сигналов, но при работе с двухканальными генераторами можно аналогичным путем задать два независимых сигнала.
Программа Open Choice Desktop
Со своими цифровыми осциллографами компания Tektronix поставляет программу Open Choice Desktop, которая предназначена для идентификации приборов этой компании (не только осциллографов) и передачи данных осциллограмм на персональный компьютер. Окно программы в режиме селекции подключенного инструмента показано на рис. 29.
Интерфейс программы предельно прост. Кнопки задания режимов работы расположены в левой части окна. Они задают следующие режимы работы:
Рис. 30. Окно программы Open Choice Desktop в режиме загрузки осциллограммы от осциллографа TDS 2024B
Работа с матричной системой МА^АВ
Стоит особо отметить еще одну важную возможность задания сложных сигналов — с помощью матричной лаборатории МА^АВ [7]. Для этого в программе ArbExpress и в пакете расшире-
I 1! ---’ ы-------1 *. ---1 — 4*1 У----' 1 ■»
Рис. 29. Окно программы Open Choice Desktop в режиме идентификации инструментов
Рис. 31. Окно справки программы ArbExpress с данными по работе с системой MATLAB
І Пт ІЛ Мкц ГтЛЛ AVii- Ifcy
□ и і la-îi-
» iwlH
*ЯР Й
ul efnçr.e.iheiКЗ«»tel*
-!0J
fcMÆÎH [ü (EJE
■!
1 j-л J * te ч % « s w ¿ - а з и na
Di
i*
2i í \
DJ
■ ■ i
32 ' \ J
-Sí ■ I -
41 ' \ /
411 í \Л^Л]
,r1|
Рис. 32. Окно MATLAB утилиты TMTool
Рис. 33. Окно MATLAB с окном заданного сигнала
ния Instrumental Control Toolbox определен ряд откомпилированных функций (в виде p-файлов) для поддержки работы с цифровыми приборами компании Tektronix. Познакомиться с этими функциями можно по справке программы (рис. 31).
Для работы с системой MATLAB нужно, прежде всего, идентифицировать применяемые приборы. Это возможно как с помощью описанных выше программ, так и с помощью утилиты TMTool (инструмент тестирования и измерений). Окно инструмента показано на рис. 32. При использовании TMTool можно идентифицировать порты подключения приборов, сами приборы (различных фирм) и установить приборы-объекты и объекты-интерфейсы, а также драйверы приборов.
Ниже представлен пример программы на языке MATLAB, позволяющей для генератора Tektronix AFG3101 с USB-интерфейсом задавать любую функциональную зависимость (в нашем случае синтез периода прямоугольного импульса по его первым четырем нечетным гармоникам с номерами 1, 3, 5 и в массиве Data):
echo off %оОткрытие сессии работы с генератором s=NewSession(‘USB0::0x0699::0x0342::C010642::INSTR’,...
‘usb’);
[status,idn]=query(s, ‘*idn?’); status=write(s,’Output1:State On’);
%Создание 1000 точек заданной функции i = [1:1000]; w=2*pi.*i./1000;
Data = sin(w)+sin(3.*w)./3+sin(5.*w)./5+sin(7.*w)./7; plot(i,Data); %Построение графика сигнала %Преобразование данных в содержимое памяти генератора TransferWfm(s, ‘example.wfm’, Data, 1000);
%оЗакрытие сессии работы с генератором CloseSession(s);
Эта программа вводится с помощью редактора M-файлов MATLAB и сохраняется под каким-либо именем, например sample2. При пуске программа формирует графическое окно с графиком заданного сигнала (рис. 33). Этот же график появляется в окне генератора, который должен работать в режиме генерации произвольных функций. При работе с новыми версиями MATLAB (старше 2006 года) набор p-файлов может потребовать коррекции и перекомпиляции.
На рис. 34 показаны осциллограмма сигнала с выхода генератора и его спектр, полученные от осциллографа Tektronix TDS 2024B. Форма сигнала тождественна представленной на рис. 33, а спектр сигнала отчетливо показывает, что сигнал состоит из четырех синусоидальных компонент.
Система MATLAB позволяет задавать временные зависимости сигналов по легко программируемым выражениям и представлять их в виде массивов (матриц), располагаемых в рабочем пространстве системы и в ее файлах данных. Кроме того, MATLAB открывает почти неограниченные возможности в обработке дан-
н 0
Рис. 34. Осциллограмма сигнала: а) с выхода генератора; б) спектр
ных, например с применением Фурье- и вейвлет-преобразований,
и в осуществлении визуально-ориентированного и блочного математического моделирования средствами пакета расширения Simulink.
Подробно работа с системой MATLAB измерительных приборов
компании Tektronix описана в работах [7-11]. Ш
Литература
1. Дьяконов В. П. Генерация и генераторы сигналов. М.: СОЛОН-Пресс, 2009.
2. Дьяконов В. Развитие серии генераторов произвольных функций AFG3000 компании Tektronix // Компоненты и технологии. 2009. № 11.
3. Дьяконов В. Осциллографы компании Tektronix закрытой архитектуры // Компоненты и технологии. 2009. № 12. 2010. № 1.
4. Дьяконов В. Осциллографы компании Tektronix открытой архитектуры // Компоненты и технологии. 2010. № 2-3.
5. Дьяконов В. П. Компьютерная математика в измерительной технике // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2009. № 5-6.
6. Дьяконов В. П. Управление генераторами произвольных функций Tektronix AFG3000 с помощью программы ArbExpress // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2007. № 2.
7. Дьяконов В. П. MATLAB R2006/2007/2008+ Simulink 5/6/7. Основы применения. М.: СОЛОН-Пресс, 2008.
8. Дьяконов В. MATLAB — новые возможности в технологии осциллографии // Компоненты и технологии. 2009. № 10.
9. Дьяконов В. П. MATLAB — новые возможности в технологии спектроскопии и спектрометрии // Компоненты и технологии. 2010. № 11.
10. Дьяконов В. П. Математический и спектральный анализ в MATLAB реальных осциллограмм // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2010. № 1-2.
11. Дьяконов В. П. Вейвлет-анализ в MATLAB реальных осциллограмм // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2010. № 2-3.
