Виртуальные ПК-осциллографы фирмы Velleman
 Осциллограф является основным инструментом при исследовании и отладке различных радиоэлектронных устройств. В последние годы наряду с обычными аналоговыми осциллографами часто используются цифровые и запоминающие осциллографы, которые допускают подключение к персональному компьютеру (ПК). Однако известные приборы такого типа, например, выпускаемые фирмами Tektronix или Fluke, очень дороги и недоступны большинству специалистов и радиолюбителей. Кроме того, существуют определенные проблемы при их подключении к ПК с помощью довольно дорогих дополнительных аксессуаров.
В связи с этим представляют интерес так называемые виртуальные осциллографы, выполненные в виде приставок к ПК. Название этих приборов, прямо скажем, не очень удачное. Их „виртуальность” проявляется лишь в том, что передняя панель осциллографа создается на экране дисплея ПК соответствующими программными средствами. Управление осциллографом осуществляется с помощью графического манипулятора — мыши (или тачпада в ноутбуках).
В действительности подобные аппараты являются стробоскопическими осциллографическими приставками к настольному или мобильному ПК, которые позволяют наблюдать на экране монитора вполне реальные и высококачественные осциллограммы с высоким разрешением, разными цветами линий и с отсутствием геометрических искажений. Принцип действия таких осциллографов заключается в стробировании (дискретизации) входного сигнала путем выделения из него коротких вырезок — отсчетов. Они оцифровываются (квантуются) с помощью быстродействующего аналого-цифрового преобразователя и коды отсчетов передаются в ПК через тот или иной порт связи с внешними устройствами.
Применение стробоскопических осциллографических приставок для ПК дает следующие преимущества:
· резко 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 цифровой обработки данных, например, с помощью систем компьютерной математики;
· 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.
Одним из ведущих разработчиков таких приборов является голландская фирма Vеlleman Instruments, приборы которой (виртуальные осциллографы PCS500, PCS100 и K8031) можно приобрести в торговле.
В табл. 1 представлены основные характеристики ее осциллографических приставок.
Таблица 1
|
Параметр |
Тип прибора |
|
|
|
PCS500 |
PCS100/K8031 |
|
Число каналов |
2 |
1 |
|
Входной импеданс |
1 МОм/30пФ |
1 МОм/30пФ |
|
Разрядность, бит |
8 |
8 |
|
Чувствительность |
5 мВ — 15 В/дел. |
10 мВ —
3 В/дел. |
|
Maксимальное входное
напряжение, В |
100 |
100 |
|
Диапазон частот, МГц |
0-50 |
0-12 |
|
Неравномерность АЧХ, дБ |
±3 |
±3 |
|
Погрешность отсчета,% |
2,5 |
2,5 |
|
Временная развертка |
20 нс — 100 мс/дел. |
0,1 мкс — 100 мс/дел. |
|
Частота стробирования |
1,25 кГц — 50 МГц |
0,8 кГц —
32 МГц |
|
Максимальная частота
стробирования, ГГц |
1 |
— |
|
Длина записи |
4096 |
4079 |
|
Напряжение питания, В |
9-10 |
9-10 |
|
Размеры, мм |
230ґ165ґ45 |
230ґ165ґ45 |
|
Вес, г |
490 |
400 |
|
Режимы входов |
AC, DC, Ground (в K8031 нет) |
|
|
Интерполяция |
линейная или сглаженная |
|
|
Маркеры |
для напряжения и частоты |
|
Требования к системе ПК
Операционная система Windows 95, 98, 2000 или NT.
Видеокарта SVGA (разрешение 800?600).
Принтерный порт LPT1, LPT2 или LPT3.
Арифметический сопроцессор для спектроанализатора.
Приставка PCS500 (рис. 1) обеспечивает создание виртуального двухканального осциллографа с частотами вертикального отклонения до 50 МГц.
Рис. 1
Это устройство имеет следующие преимущества:
· внешний триггер с запуском по нарастанию и спаду сигнала;
· улучшенная входная чувствительность;
· пониженный уровень шумов в канале вертикального отклонения;
· улучшенная временная развертка осциллографа;
· возможность отображения суммы и разности сигналов на входах и инвертированного сигнала;
· возможность отображения периодических сигналов с частотой стробирования до 1 ГГц;
· расширенный до 25 МГц частотный диапазон спектроанализатора.
Внешний вид приставки PCS500 сзади представлен на рис. 2. На ее задней панели располагаются разъем параллельного принтерного порта LPT и разъем для подключения внешнего адаптера питания от сети переменного тока с выходным напряжением 9 В.
Рис. 2
Приставка PCS100 является основной для построения одноканального стробоскопического осциллографа с полосой до 32 МГц. А приставка K8031 выполнена в виде радиоконструктора „сделай сам” и позволяет радиолюбителям сэкономить средства при покупке набора деталей и получить удовольствие от сборки. Приборы имеют гальваническую развязку сигнальных цепей от компьютера.
Приставки позволяют также показать спектры сигналов, используя для этого быстрое преобразование Фурье (БПФ) с достаточно большим числом (4000) отсчетов. Фурье-анализатор приборов обеспечивает характеристики, которые показаны в табл. 2.
Таблица 2
|
Параметр |
Тип прибора |
|
|
|
PCS500 |
PCS100/K8031 |
|
Частотный диапазон |
0…1,2 кГц до 25 МГц |
0…0,4 кГц до 16 МГц |
|
Разрешение БПФ, строк |
2048 |
2048 |
|
Входные каналы |
канал 1 или канал 2 |
канал 1 |
|
Дополнительные функции |
функция масштабирования |
|
|
Маркеры |
для напряжения и частоты |
|
В режиме Фурье-анализатора возможен выбор различных видов частотных окон: прямоугольное, Барлетта, Хамминга, Ханнинга и Блакмана. Возможна работа с регистрацией максимумов пиков и с усреднением.
Приборы могут использоваться в качестве самописца, имеющего характеристики, представленные в табл. 3.
Таблица 3
|
Параметр |
Тип прибора |
|
|
PCS500 и PCS100/K8031 |
|
Временной масштаб |
20 мс/дел. … 2000 с/дел. |
|
Максимальное время записи,
час/экран |
9,4 |
|
Диапазон частотных выборок |
1 выб./20 с … 100 выб./с |
|
Запись данных |
автоматическая в течение до 1 года и
более |
|
Дополнительные функции |
функция масштабирования |
|
Маркеры |
для времени и
напряжения |
Таким образом, приставки (ПК-осциллографы) по существу заменяют три прибора: осциллограф, спектроанализатор и электронный регистратор.
Чувствительность входов и режимы их работы изменяются программным путем. Возможно применение щупа-делителя с отношением 1/10.
В режиме осциллографа (рис. 3) частота дискретизации входного сигнала задается режимом работы осциллографа. Основной режим — режим реального времени. При нем частота дискретизации автоматически задается достаточно большой, при этом для соединения точек осциллограммы используется линейная интерполяция или интерполяция со сглаживанием. Возможен также режим однократного запуска. Управление осциллографом осуществляется группами виртуальных кнопок: двух каналов вертикального отклонения под окном осциллограммы и группы кнопок горизонтальной развертки справа. Такое управление основано на аналогии с обычным современным осциллографом.
Рис. 3
У приставки PCS500 предусмотрен еще один режим для просмотра осциллограмм периодических сигналов. При этом дискретизация задается генератором случайных чисел, что создает эквивалентную частоту дискретизации до 1 ГГц. Обработка осциллограмм при этом занимает несколько секунд, но позволяет наблюдать осциллограммы сигналов с частотами до нескольких десятков МГц. Более высокочастотные сигналы наблюдать бессмысленно, поскольку верхняя граничная частота усилителей вертикального отклонения ограничена значением 50 МГц, да и триггер синхронизации на таких частотах работает неустойчиво.
Сверху окна виртуального осциллографа (рис. 3) расположено обычное меню Windows и под ним кнопки для переключения видов работы приставки. На рис. 4 приведен вид окна в режиме Фурье-анализа сигнала на нижнем входе. Показано также открытое меню View, позволяющее устанавливать или удалять различные сообщения — метки на экране осциллографа или Фурье-анализатора.
Рис. 4
Любую осциллограмму (спектрограмму), которая видна на виртуальном экране, можно записать в виде файла — графического с расширением „.bmp” и текстового с расширением „.txt”. Текстовый файл записывается в формате ASCII, причем каждая точка представлена своим номером (от 0 до 4095) и значением от 0 до 255 (нуль соответствует числу 128). Это позволяет использовать полученные данные для обработки программами, написанными на практически любом языке программирования — даже на популярном Бейсике.
Предусмотрен вывод на экран цифровых данных в масштабах по вертикали (напряжение или дБ) и горизонтали (время). Можно также нанести надпись и вывести курсоры для проведения курсорных измерений. Все это позволяет создавать наглядные отчеты по измерениям.
Следует, однако, отметить, что стробоскопические осциллографические приставки все же не являются полноценной заменой современного аналогового осциллографа. Им присущи довольно характерные сильные искажения вида сигналов при их дискретизации.
Например, при наблюдении даже синусоидальных сигналов на медленных развертках форма сигнала резко искажается и он напоминает перемодулированный сигнал. Это связано с биениями, возникающими при взаимодействии частоты сигнала с частотой генератора стробирующих импульсов. Обычный осциллограф таким эффектом не обладает и дает неискаженное представление синусоиды даже на длительных развертках — правда обычно в виде горизонтальной полосы, высота которой задается двойной амплитудой сигнала. По указанной причине практически невозможно наблюдать амплитудно-модулированные высокочастотные сигналы, хотя на обычном осциллографе они наблюдаются легко. Естественно, что у приставок нет специальной синхронизации для телевизионных сигналов — например, выделения строк, которая может быть у обычных осциллографов.
| 
