7.3. Сменные платы специального назначения

Сменные платы оборудованы разнообразными наборами аналоговых, цифровых и синхронизирующих входов и выходов. Многие платы имеют программируемые режимы частоты дискретизации преобразования, раздельные регулировки чувствительности по каналам, а также опережающую, задержанную, аналоговую и цифровую синхронизацию. Для обработки сигналов в режиме реального времени и выполнения специфических процессорно-ориентированных задач можно использовать сменные платы цифровых процессоров сигналов (DSP). Внешняя обработка сигналов может быть использована для увеличения аналоговых входных каналов. Пакеты программLabVIEW,LabWindows,MeasureиComponentWorksмогут упростить усовершенствование систем сбора информации.

Сменные платы с различными функциональными возможностями позволяют сделать компьютер универсальным прибором. В настоящее время выпускаются следующие сменные платы:

• сбора данных аналоговых и цифровых сигналов;

• высокочастотного сбора данных;

• цифроаналогового преобразования и цифрового синтеза сигналов;

• быстродействующего и продолжительного сбора данных;

• сбора данных с интерфейсом;

• фильтров низкой частоты;

• выборки-хранения;

• 4-канальных усилителей;

• аналоговых устройств ввода на 1664 канала для сигналов с частотой до 1,25 МГц для всех задач сбора данных;

• высокоскоростных устройств вывода для генерирования различных форм сигнала;

• специализированные для цифровых запоминающих осциллографов с частотой дискретизации 20 млн выборок в секунду;

• мультиметров (для измерения напряжения, тока, сопротивления, частоты, затухания и др.);

• специализированные для анализаторов спектра с цифровыми фильтрами, динамическими и статическими ОЗУ, блоком быстрого преобразования Фурье (FFT) для сигналов с частотой до 95 кГц;

• цифровых процессоров;

• таймеров;

• счетчиков.

Сменные платы для создания измерительных приборов устанавливаются прямо в слот компьютера практически без настройки. При этом обеспечивается возможность прямого доступа к памяти ПК.

Область применения виртуального прибора полностью определяется устройством сбора данных и характеристиками программного обеспечения. Для выполнения той или иной измерительной задачи пользователю удобно создавать небольшие программы, привязанные к условиям конкретной измерительной задачи.

Помимо выполнения программ сбора данных пользователь сможет представить результаты измерений в виде электронных таблиц или диаграмм. Файлы цифровых данных, полученные при записи измеряемых физических параметров, могут передаваться по линиям связи с использованием модема, электронной почты и через интернет.

7.4. Виртуальные мультиметры

Цифровые мультиметры (ЦММ) – наиболее распространенные приборы, которые измеряют постоянные и переменные напряжение и ток, а также сопротивление в широком диапазоне изменения. Технические возможности ЦММ можно расширить, объединив сменные платы со схемами мультиметров и компьютером. Такой прибор известен как виртуальный мультиметр (ВММ).

Мультиметры оценивают:

• по многообразию измеряемых величин;

• по техническим возможностям

• точность,

• разрешение,

• скорость считывания

• пределы измерений;

• по дополнительным функциям

• измерение частоты,

• периода,

• температуры,

• максимума или минимума

• тестирование диодов;

• по математическим возможностям

• вычисление отношения,

• вычисление процентов,

• вычисление девиации.

Уникальным свойством ВММ является то, что любая из дополнительных функций может быть реализована конечным пользователем ВММ, в отличие от фиксированных функциональных возможностей ЦММ. Дополнительные пробники высокого напряжения, импульсов тока, шунты, разновидности мостов постоянного тока, температурные, термопарные пробники; функции настройки, сканирования еще больше увеличивают возможности ВММ. Виртуальный мультиметр обеспечивает подключение целого набора плат, начиная от платы расширения и заканчивая многофункциональными платами общего назначения типа ввод-вывод.

Все ВММ и ЦММ имеют схожую архитектуру (рис. 18.2), которая состоит из трех основных компонентов:

• схемы предварительного формирования сигнала;

• АЦП;

• процессора с дисплеем.

Входные сигналы после предварительного формирования преобразуются с помощью встроенного АЦП. Последний является основным компонентом, который влияет на скорость считывания, разрешающую способность, точность и т.д. Сложные ВММ используют многоканальные встроенные АЦП высокого разрешения и точности. При измерении переменного напряжения в схему предварительного формирования сигнала включают преобразователь переменного тока в постоянный.

Рис. 7. 2. Общая архитектура цифрового и виртуального мультиметра

Как известно, преобразователи бывают максимального, средневыпрямленного и среднеквадратического значений. При наличии синусоидального сигнала на входе показания ЦММ и ВММ будут одинаковыми с любым из указанных выше преобразователей, так как их индикаторы отградуированы в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала. При наличии на входе ЦММ и ВММ несинусоидального сигнала показания окажутся различными, и только в случае преобразователя среднеквадратического значения – правильными, т.е. будут соответствовать среднеквадратическому значению несинусоидального сигнала.

Ряд мультиметров не имеют специализированного блока преобразователей переменного тока в постоянный, а используют программные алгоритмы расчета среднеквадратического значения несинусоидального сигнала низкой частоты, выполняемого на компьютере согласно формуле

,

где U– среднеквадратическое значение напряженияu(t);u_t– мгновенное значение напряженияu(t) вi-й момент выборки АЦП;N– общее число выборок за время определения среднеквадратического значения (в частности, за время периодаТ). Для высокочастотных напряжений использование программного алгоритма ограничено быстродействием АЦП и скоростью вычисления, выполняемого микропроцессором.

Виртуальный мультиметр, разработанный фирмой NationalInstruments, выполнен в виде картыPCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association– Международная ассоциация производителей плат памяти для персональных компьютеров), которая вставляется в гнездо для подключения к шине ПК. Ниже приводятся ориентировочные данные карты

Постоянное напряжение	20 мВ–250 В
Постоянный ток	20 мА–200 мА
Среднеквадратическое значение переменного напряжения в диапазоне 20 Гц–25 кГц	20 мВ–250 В
Среднеквадратическое значение переменного тока в диапазоне 20 Гц–25кКц	20 мА–200мА
Сопротивление	200 Ом–20 МОм
Скорость считывания	60 с–1
Установка нуля	автоматическая
Программное обеспечение	LabVIEW, Bridge View, Virtual Bench