ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ USB-ОСЦИЛЛОГРАФОВ АКИП ОТ КОМПАНИИ PICO TECHNOLOGY Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Дмитрий СЕРКОВ

info@prist.ru

измерительная аппаратура i технологии I igg

Тенденции развития USB-осциллографов АКИП

от компании Pico Technology

Мир электроники стремительно развивается. Какие-то 10 лет назад мы и представить не могли, что маленький телефон сможет практически полностью заменить настольный компьютер, а сегодня это уже будничная реальность. Не меньший скачок произошел и в сфере осциллографии: цифровой компактный осциллограф начального уровня с легкостью обойдет любую из громоздких электронно-лучевых моделей 70—80-х и при этом доступен каждому. А осциллограф в виде USB-приставки к компьютеру имеет практически безграничные возможности благодаря постоянно обновляемому программному обеспечению и набору разработчика (SDK), который позволяет конечному пользователю, имеющему навыки программирования, вносить изменения или создавать собственное ПО.

Введение

Британская компания Pico Technology была основана в далеком 1991 году и состояла на первых порах всего из четырех человек. Но это не помешало ей к 1992 году выпустить первый осциллограф с 12-битным АЦП, работающий под управлением операционной системы DOS (рис. 1). Успешные продажи новинки позволили постепенно увеличить штат, чтобы начать разработку новых приборов и совершенствовать программное обеспечение. Уже через год выходит следующая версия ПО, работающая под Windows 3.0. А в 1995-м стартует первый двухканальный осциллограф и вместе с ним несколько регистраторов данных и регистраторов температуры.

Сегодня Pico Technology входит в число крупнейших в Европе компаний по раз-

работке и производству осциллографов и регистраторов. В Россию ее модели поставляются под торговой маркой АКИП: они полностью адаптированы под местный рынок, имеют русскоязычное программное обеспечение и его описание, внесены (или вносятся) в Госреестр СИ РФ. Продуктовый портфель компании насчитывает несколько десятков моделей, скомпонованных в серии. За последние два года произошел заметный качественный скачок в развитии ШВ-осциллографов и появилось несколько серий, на которые стоит обратить особое внимание.

Серия ДКИП-72200Д

Эта серия объединила в себе самые компактные и легкие (до 200 г) модели двухка-

нальных осциллографов Pico Technology, реализовав в них принцип omnia mea mecum porto — «все свое ношу с собой» (рис. 2).

Легко помещаясь в сумку и даже в нагрудный карман, любой из пяти представителей серии АКИП-72208А послужит прекрасной альтернативой современным настольным коллегам: полосы пропускания — от 10 до 200 МГц, максимальная дискретизация — до 1 ГГц, временн0е разрешение — до 1 нс. Осциллографы имеют интерфейс USB 2.0 для связи с ПК, встроенный анализатор спектра по всей полосе частот, функциональный (до 100 кГц) и произвольных форм генератор. Аппаратная часть выполнена на базе 8-битного АЦП (на такой же архитектуре выпускается большинство современных настольных приборов). Осциллографы АКИП-72208А относятся

Рис. 1. Окно первого ПО осциллографа Pico Technology, работающего под управлением операционной системы DOS

i

Рис. 2. Внешний вид модели АКИП-72208Д

_п_п

_п_п

АЦП 125 МГц

АЦП 125 МГц

_п_п

_п_п

АЦП 125 МГц

АЦП 125 МГц

АЦП 125 МГц

АЦП 125 МГц

АЦП 125 МГц

АЦП 125 МГц

к начальному и среднему уровню и подойдут как для радиолюбителей (им будет достаточно моделей с полосами 10/25 МГц), так и для разработчиков современного электронного оборудования (им предлагается до 200 МГц).

Будучи идеальным решением для измерений в полевых условиях, осциллографы АКИП-72208А незаменимы для специалистов по диагностике оборудования, выполняющих работу в режиме частых поездок на объекты. Привлекательные параметры и ключевые особенности этих устройств дают им все шансы быть востребованными в таких сферах, как электронный дизайн, исследования и тестирование, техническое проектирование и отладка, образование, эксплуатационное обслуживание и ремонт.

Появление интерфейса USB 3.0 не осталось незамеченным среди производителей USB-осциллографов, и соответствующие новинки не заставили себя долго ждать. Первый осциллограф с поддержкой интерфейса USB 3.0 производства Pico Technology появился в начале 2013-го, продолжив популярную серию АКИП-4108 под собственным наименованием — АКИП-4108/3 (рис. 3).

За последний год интерфейс USB 3.0 стал неотъемлемой частью практически всех современных компьютеров, а скорость передачи данных по нему возрастает до 10 крат, что

н

_п_п

_п_п

_п_п

_п_п

_п_п

_п_п

_п_п

_п_п

АЦП 125 МГц

АЦП 125 МГц

АЦП 125 МГц

АЦП 125 МГц

АЦП 125 МГц

АЦП 125 МГц

АЦП 125 МГц

АЦП 125 МГц

И

Рис. 4. Схемы включения восьми АЦП: а) последовательно (дискретизация 1 ГГц, 8 бит, один канал); б) параллельно (дискретизация 125 МГц, 14 бит, четыре канала)

позволяет увеличить объем и скорость передаваемых данных с осциллографа на компьютер. При этом интерфейс USB 3.0 полностью совместим с USB 2.0 и с USB 1.0.

АКИП-4108/3 — это 2-канальный осциллограф с полосой пропускания 250 МГц, частотой дискретизации 1 ГГц и объемом памяти 256 Мбайт, имеющий встроенный функциональный генератор. А его модернизированную версию — A^n-4108/3G — отличают увеличенная до 512 Мбайт память, а также встроенный генератор сигналов произвольной формы с частотой дискретизации 100 МГц и возможностью создания сигнала длиной 32 000 точек.

Стартовавшая в мае 2013 года серия АКИП-75000 по праву может называться революционной. Это первые осциллографы с возможностью выбора разрешения АЦП: переключение происходит на аппаратном уровне и позволяет выбрать от 8 до 16 бит, а с режимом программного увеличения разрешения — до 20 бит.

АЦП в новой серии представляет собой единую мультиплексорную плату сбора дан-

ных и при этом является многоядерным. Для 4-канальных моделей ШВ-осциллографов характерно наличие восьми ядер дискретизации, а у 2-канальных моделей четыре ядра. Это позволило реализовать в осциллографах АКИП-75000 инновационную технологию объединения нескольких ядер АЦП последовательно или параллельно для увеличения частоты дискретизации или реального разрешения по вертикали (рис. 4).

Наличие режимов объединения обеспечивает пользователю гибкость в выборе приоритета требуемого параметра, а также высокую адаптивность в решении конкретной измерительной задачи. Например, при последовательном объединении ядер АЦП обеспечивается максимальная частота дискретизации, которая в 1-канальном режиме достигает 1 ГГц при разрешении 8 бит.

Для обеспечения требований по минимизации ошибок квантования и достижения максимальной дискретности измерений по вертикали применяется параллельное объединение ядер АЦП. В этом случае разрешение каждого из активных каналов

увеличивается до 14 бит с дискретизацией 125 МГц. При использовании двух каналов вертикальное разрешение увеличивается до 15 бит, а в 1-канальном режиме разрядность АЦП составит 16 бит при максимальной частоте дискретизации 62,5 МГц (режим объединения всех входов).

Серия АКИП-4108/3 включает в себя 12 моделей USB-осциллографов с полосами пропускания 60, 100 и 200 МГц, которые отличаются числом входных каналов (2/4) и набором режимов. Модели с индексом В, помимо встроенного функционального генератора, имеют возможность формирования сигналов произвольной формы (СПФ).

В 2013 году осциллографы серии АКИП-75000 (рис. 5) получили награду как лучший продукт года по версии британского журнала Electronics Weekly.

До 2014 года компания Pico Technology выпускала USB-осциллографы только в 2- или 4-канальном исполнении, не считая моделей смешанных сигналов. И вот в конце нынешнего февраля представлена первая 8-ка-нальная модель, получившая наименование АКИП-74824 (рис. 6).

Этот осциллограф построен на базе 12-битного АЦП и относится к моделям высокого разрешения. Полоса пропускания — 20 МГц, частота дискретизации — до 80 МГц, а общая длина памяти — 256 Мбайт — делится между активными каналами. Кроме того, на задней панели осциллографа предусмотрен выход функционального и СПФ-генераторов. Встроенный генератор может работать одновременно с осциллографом, имея полосу частот 1 МГц, частоту дискретизации — до 80 МГц и 14-битный ЦАП. Максимальная длина памяти генератора — 16 кбайт.

АКИП-74824 имеет широкий спектр сфер применения, среди которых тестирование многоканальных источников питания, 7-ка-нальных аудиосистем, мультисенсорных систем, многофазных приводов и систем управления, а также создание и разработка сложных многоуровневых встроенных систем и проведение тестов общего назначения с высокой точностью.

Программное обеспечение PicoScope 6

Все представленные выше модели USB-осциллографов имеют прекрасные технические характеристики, но, чтобы они проявили себя по максимуму, необходимо качественное программное обеспечение, без которого эти приборы мало кому были бы интересны. В этой связи собственное ПО компании Pico Technology — PicoScope 6, разработка и модернизация которого ведутся уже более 10 лет, — совместимо со всеми моделями USB-осциллографов Pico, освобождая от необходимости установки иного ПО при использовании нескольких моделей осциллографов.

Полностью русифицированный управляющий софт PicoScope 6 даже в отсутствие прибора позволяет эмулировать оболочку меню, что дает возможность ознакомиться с управлением и функциональностью осциллографа. Системные требования: полная совместимость с ОС Windows XP, Vista, Windows 7 и 8 (кроме Windows RT), 32- или 64-битные версии. Программное обеспечение поддерживает многооконный режим работы с возможностью одновременного отображения осциллографа, анализатора спектра, допускового контроля, окна декодирования, комбинации различных сигналов и др. (рис. 7).

Анализатор спектра

Одним кликом мыши в меню функций можно открыть новое окно для отображения частотного спектра выбранных каналов (FFT) — от заданного диапазона вплоть до полной полосы пропускания в зависимости от модели USB-осциллографа (рис. 8). Максимальное число точек для спектрального анализа — от 128 до 1 М. К услугам пользователя широкое меню настроек параметров для оценки гармоник и управления частотным анализом, а также (на выбор) восемь типов окон отображения и три режима обработки спектрограмм при выводе на дисплей:

• амплитуда;

• усреднение;

• пиковое значение.

Есть возможность отображать несколько спектрограмм выбранных каналов, использовать растяжку (zoom) и анализировать эти

Рис. 8. Меню параметров в режиме «Анализатор спектра»

данные одновременно с наблюдением входного сигнала во временной области (time domain). На дисплей может быть выведено любое частотно-временное автоизмерение из большого перечня (всего 11 параметров), в том числе THD, THD+N, SINAD, SNR и IMD.

Генератор

Кроме входных каналов, осциллографы PICO имеют разъем BNC, служащий выходом встроенного генератора AWG для выдачи функциональных сигналов или генерации колебаний произвольной формы (характеристики генератора зависят от конкретной модели). Функциональный генератор имеет различные предустановленные формы сигналов, среди которых синус, треугольник, прямоугольник, шум, псевдослучайная последовательность и др.

Генератор сигналов произвольной формы имеет разрешение по вертикали 12 или 14 бит в зависимости от модели; максимальная длина произвольного сигнала также зависит от модели осциллографа (например, для серии АКИП-72000А может достигать 20 000 точек).

К выходным сигналам может быть применена функция свипирования (качание ча-стоты/ГКЧ). Закон и направление качания определяются пользователем: нарастание, убывание (логарифмическое или линейное). Режимы запуска качания: однократный или непрерывный цикл. Функция генератора свипирования с одновременной активацией в одном из каналов режима анализа спектра позволяет быстро проанализировать частотную характеристику фильтров и усилителей.

Управляющий софт имеет возможности импорта сигналов произвольной формы из файлов данных или позволяет легко нарисовать требуемые эпюры с помощью графического редактора СПФ (рис. 9).

Рис. 9. Формирование сигнала произвольной формы

Графический мини-редактор отличают высокая производительность по формированию и удобство видоизменения различных кривых. Всего несколько минут потребуется на создание выходного сигнала в виде пачки радиоимпульсов с синусоидальной формой заполнения, например «звукового стимулятора» для различных акустических систем

(громкоговоритель, электроакустический преобразователь, динамик, спикер). Сигнал подобной формы применяется при тестировании фильтров звукового диапазона с целью анализа частотной характеристики.

Данный пакетный сигнал представляет определенные трудности для устойчивой синхронизации и удержания осциллографа

Рис. 11. Режим «Декодирование последовательных данных»

Рис. 12. Схема «потоковой» оцифровки

П.Т1 m * IMÉ DP Щ

IVM.bld«»^-

Рис. 10. Меню расширенной синхронизации

в режиме непрерывного сбора данных, так как в моменты отсутствия пакета импульсов изображение на экране нестабильно (все время «прыгает»). Тем не менее даже в этом случае прибор позволяет быстро найти необходимые настройки в меню расширенной синхронизации (рис. 10), что обеспечит стабильную работу.

Декодирование последовательных данных

Дополнительный ресурс тестирования, доступный для всех серий осциллографов, — возможности анализа сигналов последовательной передачи (синхронизация и декодирование). Программное обеспечение PicoScope 6 предоставляет возможности декодирования данных различных последовательных шин: CAN, LIN, I2C, UART/RS-232, SPI, I2S, FlexRay. В отличие от обычных логических анализаторов, USB-осциллограф позволяет увидеть исходные электрические сигналы с высоким разрешением и одновременным отображением данных (рис. 11).

В режиме декодирования доступна настройка условий фильтрации для отображения только интересующих кадров, поиск кадров по заданным условиям, а также определение стартового шаблона для вывода списка данных. Кроме того, возможно создать свою электронную таблицу для декодирования пользовательских данных.

Потоковая оцифровка

Все USB-осциллографы АКИП поддерживают режим «потоковой» оцифровки данных (рис. 12), обеспечивая «безразрывный» захват и непрерывную передачу данных через USB-порт непосредственно в ОЗУ и далее на жесткий диск ПК со скоростью 1 Мвыб./с и более *.

Драйверы и комплект для разработки программного обеспечения (SDK) позволяют написать собственный софт (ПО) и управлять интерфейсом при использовании популярных сторонних программных пакетов, таких как LabVIEW и др.

* Скорость выборки в режиме «потоковой» оцифровки данных определяется спецификациями ОС, параметрами ПК, а также загруженными и активированными приложениями.

измерительная аппаратура | технологии

193

Рис. 13. Окно программы в меню «Тест по маске/Годен — не годен»

Рис. 14. Меню «Цифровая растяжка»^оот

Программное обеспечение Picoscope 6 обеспечивает 15 видов автоматических измерений параметров входного сигнала, курсорные измерения (ДЦ; ДТ; 1/ДТ), математическую обработку (сложение, вычитание, умножение, инверсию с возможностью создания собственных функций на каждом из входных каналов), а также позволяет проводить испытание сигнала по условиям «Годен/Не годен» («Тест по маске»).

«Тест по маске»

«Тест по маске» позволяет определить выход осциллограммы за пределы допуска, который задается пользователем. Программа обеспечивает автоматическое построение масок «Годен/Не годен» (рис. 13) по захваченному сигналу либо формирование маски вручную. Тест по маске удобен для визуального наблюдения периодических ошибок и глитчей при отладке РЭА, а также для поиска дефектов в процессе тестирования готовой продукции.

Программное обеспечение позволяет при необходимости увеличить интересующий участок во много раз (вплоть до 50 000, в зависимости от модели), что дает возможность исследовать захваченный сигнал во всех деталях (рис. 14).

Для подавления шумов в меню программного обеспечения можно включить фильтрацию нижних частот. Эта функция полезна при анализе зашумленных сигналов. После включения фильтра исчезают высокочастотные шумы, а форма сигнала остается неизменной (рис. 15: участок кривой слева — до фильтрации, справа — после фильтрации).

Автомобильные осциллографы

На базе ШВ-осциллографов высокого разрешения были созданы специальные комплекты, представляющие собой специализированное диагностическое автомобильное оборудование. Автомобильные

j J ij.r rf ' ' ¡^ Jftlu-^ ■

Рис. 15. Фильтрация участка осциллограммы (в выделенном окне)

Рис. 16. Расширенный комплект осциллографа PicoScope 4423

осциллографы получили наименование PicoScope 4423 и PicoScope 4223 и поставляются в нескольких вариантах комплектации. Базовые комплекты содержат основной набор аксессуаров, необходимых для наиболее распространенных тестов. Стандартный и расширенный комплекты позволяют произвести полную диагностику (существует комплект со специализированным набором аксессуаров).

Автомобильные осциллографы Pico могут быть использованы для диагностики и тестирования практически любых электрических и электронных компонентов и цепей современного автомобиля, в том числе:

• систем зажигания;

• форсунок и топливных насосов;

• систем запуска и зарядки;

• аккумуляторов, генераторов, стартеров;

• датчиков воздуха, детонации, абсолютного давления (MAP) и лямбда-зондов;

• свечей накаливания, реле;

• шин CAN, LIN и FlexRay.

Таким образом, с помощью данного осциллографа можно получить полную информацию об автомобиле, которую не дают автомобильные сканеры или мотор-тестеры,

что позволяет использовать прибор для комплексной диагностики или поиска плавающих неисправностей. Кроме того, в отличие от сканеров и мотор-тестеров, осциллографы Рк^соре не привязаны к конкретной автомобильной марке и могут работать практически с любым автомобилем.

Интуитивно понятный интерфейс включает в себя подробную справочную информацию по каждому из режимов измерений — это главная особенность автомобильных осциллографов PicoScope, которая выгодно выделяет их из всего многообразия аналогов. К примеру, необходимо протестировать топливный насос: измерить ток (рис. 19) и проанализировать полученную в результате измерения форму сигнала. После выбора соответствующего пункта в меню прибора пользователь сразу получает справочную информацию, включая текстовое описание процесса измерений и фотографии, наглядно демонстрирующие, на каком конкретно участке цепи, с помощью каких аксессуаров (в данном случае это электроизмерительные клещи (рис. 18)) и каким образом необходимо подключиться для тестирования выбранного узла.

Рис. 18. Подключение электроизмерительных клещей для измерения силы тока в цепи топливного насоса

• J> - ■ ' ■'■' ■ ■■■■

Рис. 19. Измерение силы тока,

полученное при тестировании топливного насоса

Наконец, еще один привлекательный момент: пользователь осциллографа PicoScope имеет возможность сравнить форму сигнала, полученную при проведении измерений, с опорной формой — появляется соответствующий шаблон при включении каждого из режимов измерений.

Заключение

Осциллографы компании Pico Technology являют собой образец современного и доступного всем измерительного оборудования. Широкий модельный ряд способен удовлетворить самого взыскательного и требовательного инженера, разработчика, испытателя. USB-осциллографы Pico Technology еще не раз удивят своих пользователей новыми возможностями и любопытными решениями. ■