1.2.Структура измерительной системы в методологии компании National Instruments (ni)
На Рис. 1 .2 изображены составные части измерительной системы в методологии NI, расположенные в порядке обработки реальных физических сигналов. В вершине иерархии расположено измерительное приложение (виртуальный прибор) и LabVIEW14 – среда разработки и платформа для выполнения программ, созданных на графическом языке программирования «G». LabVIEW используется в системах сбора и обработки данных, а также для управления техническими объектами и технологическими процессами. Далее в иерархии идут API и драйвер NI-DAQmx, а также работающий на этом же уровне диспетчер измерительных устройств Measurement & Automation Explorer. Сбор данных осуществляется посредством специально разработанных устройств сбора данных, размещаемых в слотах PCI, PXI, PCMCIA. На уровень ниже располагаются устройства, отвечающие за согласование сигналов от датчиков и измерительных устройств.
Рис.
1.2. Схема измерительной
системы в методологии National
Instruments
Важной функцией лабораторного комплекса для исследования цифровых схем является создание совокупности входных сигналов для исследуемых схем и анализ результатов их воздействия. В целом набор приборов для исследования цифровых схем включает:
стабилизированные источники питания цифровых схем
регулируемые источники питания для создания статических входных сигналов схем
мультиметр для измерения входных и выходных напряжений и токов при измерениях статических параметров и характеристик схем
генератор периодической последовательности импульсов
датчик временных последовательностей, позволяющий создать набор входных сигналов для проверки работоспособности микросхем и несложных цифровых устройств
двух- или многоканальный осциллограф для наблюдения входных и выходных сигналов микросхем и несложных цифровых устройств.
Перечисленные приборы выполнены в виде виртуальных приборов15 и интерактивных панелей и дополнены элементами ручного управления. Виртуальный цифровой осциллограф рабочей станции обладает недостаточным быстродействием, поэтому комплекс дополнен платой цифрового модульного осциллографа NI PCI-5114 и соответствующим виртуальным прибором. Виртуальный датчик временных последовательностей16 разработан на кафедре дополнительно.
Согласование сигналов и сбор данных с помощью DAQ плат и модульных приборов в нашем лабораторном комплексе выполняет настольная рабочая станция NI ELVIS II, связанная с компьютером через интерфейс USB, и цифровой модульный осциллограф PCI-5114.
1.3.О принципах функционирования осциллографов
Осциллограф (от лат. Oscillo – качаюсь и греч. γραφω – пишу) – прибор, предназначенный для исследования (наблюдения, записи и измерения) амплитудных и временных параметров электрического сигнала.
Современные осциллографы позволяют наблюдать сигналы гигагерцевых частот.
По назначению и способу вывода измерительной информации различают осциллографы:
с периодической развёрткой для непосредственного наблюдения формы сигнала на экране (электронно-лучевом, жидкокристаллическом и т. д.) – англ. oscilloscop(e).
с непрерывной развёрткой для регистрации кривой на фотоленте (шлейфовый осциллограф) – англ. oscillograph.
По способу обработки сигнала осциллографы, как и другие радиоизмерительные приборы, подразделяются на 2 основные группы: аналоговые и цифровые. У аналоговых осциллографов экраном для отображения зависимости величин служит электронно-лучевая трубка с нанесенной на нее разметкой, у цифровых для отображения используется монохромный или цветной дисплей.
По количеству сигнальных входов (количеству лучей) осциллографы делятся на одноканальные и многоканальные. Количество лучей может достигать 16-ти и более (n-лучевой осциллограф имеет n сигнальных входов и может одновременно отображать на экране n графиков входных сигналов). С помощью многоканальных осциллографов можно сравнивать сигналы по различным параметрам одновременно.
Осциллографы с периодической развёрткой делятся на универсальные (обычные), скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные; цифровые осциллографы могут сочетать возможность использования нескольких этих функций (их можно синхронизировать с компьютером, можно организовать распечатку процесса и результатов работы).
Осциллограф может быть совмещен с другими измерительными приборами (например, мультиметром).
Осциллограф может быть выполнен в виде автономного прибора или приставки к компьютеру, подключаемой через какой-либо порт (параллельный порт LPT, последовательный порт COM, USB, вход звуковой карты).
Важным узлом осциллографа является триггер, обеспечивающий стабильность изображения. С помощью триггера запуск развертки задерживается до выполнения некоторых условий. Простейшие настройки триггера – уровень сигнала (значение, по достижении которого запускается развертка) и тип запуска (по фронту или спаду сигнала). В результате работы триггера запуск развертки осуществляется с одного места сигнала, и изображение сигнала получается стабильным и неподвижным, а не выглядит "размазанным".
В цифровых осциллографах применяется аналого-цифровое преобразование входного сигнала, которое предполагает последовательное выполнение следующих операций:
дискретизация – формирование выборок (отсчетов, samples) мгновенных значений сигнала (квантование по времени)
квантование – определение количества эталонных уровней в величине выборки (квантование по амплитуде)
кодирование – преобразование полученного числа в соответствующую кодовую комбинацию
Эти операции выполняются с помощью быстродействующего аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и коды отсчетов передаются в ПК через тот или иной порт связи с внешними устройствами.
В системах сбора данных триггер («trigger») – условие запуска или остановки операции сбора данных. Так что мы здесь имеем 2 смысла понятия триггер: запуск развертки изображения сигнала и запуск или остановку операции сбора данных.
Представляют интерес так называемые «виртуальные» осциллографы, выполненные в виде приставок к ПК. Название этих приборов не является корректным: их «виртуальность» проявляется лишь в том, что передняя панель осциллографа создается на экране дисплея ПК соответствующими программными средствами. Управление осциллографом осуществляется с помощью мыши или клавиатуры.
Приставка-осциллограф позволяет наблюдать на экране монитора вполне реальные и высококачественные осциллограммы с высоким разрешением, разными цветами линий и отсутствием геометрических искажений. Применение приставок-осциллографов дает следующие преимущества:
упрощается конструкция прибора, поскольку становятся ненужными электронно-лучевая трубка, органы управления осциллографом, мощный и высоковольтный источник питания и др.
уменьшается стоимость прибора
реализуется естественная стыковка с ПК (настольным или ноутбуком), что обеспечивает легкость дальнейшей обработки данных
появляется возможность легко реализовать цифровые методы обработки сигналов, например, построение спектра методом быстрого преобразования Фурье или регистрации сигналов на протяжении длительного промежутка времени с записью сигнала в память ПК.