Виртуальные лаборатории. Обзор приставок и плат к персональному компьютеруВ настоящее время на смену аналоговым осциллографам приходят цифровые запоминающие осциллографы, обладающие намного большими функциональными и метрологическими возможностями. Однако, приборы ведущих производителей Tektronix, LeGroy, GoodWill и др. очень дороги и мало доступны в службах сервиса, ремонтных мастерских и даже в учебных лабораториях. Поэтому плодотворным оказался путь создания приставок к персональным компьютерам (ПК), как внешних, так и в виде плат расширения. В данной статье предпринята попытка обзоры российского рынка изделий этого класса.
Компания BORDO, продукция которой широко представлена на сайте ЗАО „Компания Сигнал” (www.signal.ru) выпускает ряд осциллографических модулей и плат для персональных компьютеров. Рассмотрим некоторые из этих приставок.
Двухканальный цифровой осциллограф BORDO-421 (рис. 1) выполнен в пластмассовом корпусе с внешним блоком питания и имеет скоростной интерфейс USB 2.0, что способствует реализации новых алгоритмов обработки осциллограмм.
Рис. 1. Двухканальный цифровой осциллограф BORDO-421
Прибор BORDO-421 предназначен для исследования однократных и периодических электрических сигналов. Он обеспечивает автоматические, маркерные измерения и математическую обработку сигналов и имеет дополнительно выход ЦАП.
Основные технические характеристики BORDO-421:
- Число входных измерительных каналов: 2.
- Полоса пропускания каждого канала: 150 МГц.
- Вертикальное разрешение: 10 бит.
- Входное сопротивление открытого/закрытого входа: 1 МОм.
- Семь калиброванных коэффициентов отклонения по вертикали с шагом 1-2-5: без делителя — 10 мВ/дел ... 1 В/дел, с делителем 1:10 — 100 мВ/дел ... 10 В/дел.
- Максимальная скорость выборки: для однократных сигналов — 100 Мвыб/с, для повторяющихся сигналов — 20 Гвыб/с.
- Коэффициенты развертки: от 5 нс/дел до 50 мс/дел.
- Максимальные временные диапазоны: от 1280 мкс до 64 с.
- Максимальная длина памяти на канал: 64 К выборок.
- Источники синхронизации: внутренняя (канал 1 и 2), внешняя.
- Режимы запуска развертки: ждущий/автоматический/однократный/стоп.
- Вход внешней синхронизации: 1 МОм.
- Диапазон частот синхронизации: от 10 Гц до 110 МГц.
- Регистрация предыстории, задержка запуска регистрации после срабатывания синхронизации.
- Выход ЦАП: максимальная частота дискретизации — 100 кГц, диапазон выходного сигнала — ±10 В.
- Интерфейс: USB 2.0, USB 1.1.
- Питание: 220 В / 50 Гц, потребляемая мощность: 7 Вт.
- Размеры: 155ґ195ґ45 мм.
- Масса: 0,4 кг.
- Программное обеспечение: совместимо с ОС Windows 9x/2К/XP.
- Автоматический поиск синхронизации.
Дополнительные функции BORD0-421: частотомер, спектроанализатор, маркерные и автоматические измерения 22-х параметров сигналов, сглаживание, усреднение, экспорт в формате ASCII (пригоден для дальнейшей математической обработки).
Цифровые осциллографы-приставки В-121 и В-323 (рис. 2 и 3) предназначены для исследования однократных и периодических электрических сигналов, проведения автоматических, маркерных измерений и математической обработки сигналов. Дополнительно осциллографы обеспечивают работу в режимах анализатора спектра и частотомера. Плата В-121 имеет два канала с полосой до 200 МГц, остальные ее характеристики почти такие же, как и в модели BORDO-421.
Рис. 2. Внешний вид осциллографа-платы B-121
Модель осциллографа В-323 состоит из пластмассового корпуса с блоком питания и интерфейсом B-112 и модуля осциллографа, показанного на рис. 3.
Рис. 3. Внешний вид осциллографа-приставки B-323
Основные программно-функциональные характеристики B-323: калибровка параметров, автоматический поиск сигналов, спектроанализатор, цифровой вольтметр, цифровой частотомер, автоматические и маркерные измерения 22-х параметров сигналов, временное/спектральное представление сигнала в реальном времени, сглаживание, усреднение и произвольные математические операции над сигналом, вывод одновременно до
4-х сигналов, самописец, экспорт в формат ASCII (пригоден для дальнейшей математической обработки в различных пакетах). Программное обеспечение этой модели работает под ОС Windows 95/98/NT/2k/XP.
Подключение осциллографов-приставок возможно через параллельный порт JEEE 1284 последовательный порт RS-232 и даже через порт USB не обеспечивают предельно высокую скорость обмена между платой и компьютером. Это препятствует эффективной реализации некоторых методов обработки информации и замедляет общение пользователя с виртуальным осциллографом. Выходом из такого положения является разработка плат расширения ПК, устанавливаемых в разъемы расширения современных персональных компьютеров класса IBM PC/AT с системной шиной PCI. Фирма BORDO выпускает ряд таких плат — одноканальных (рис. 4) и двухканальных цифровых осциллографов серии B-2XX.
Рис. 4. PCI-плата одноканального 120 МГц осциллографа B-211
Более современный двухканальный 150 МГц цифровой осциллограф B-220/221 выполнен также в виде платы расширения компьютера для стандартной шины PCI (рис. 5). Он предназначен для исследования однократных и периодических электрических сигналов, обеспечивает автоматические, маркерные измерения и математическую обработку сигналов. Дополнительно осциллограф обеспечивает работу в режимах анализатора спектра и цифрового частотомера. Программное обеспечение поддерживает совместную работу нескольких (до шести) плат B-221, при этом на экране формируется окно 12-ти канального осциллографа.
Рис. 5. PCI-плата двухканального 150 МГц осциллографа BORDO-220
PCI-плата B-220/221 имеет два канала с полосой пропускания каналов 150 МГц, разрешением АЦП — 10 бит, 7 калиброванных коэффициентов отклонения по вертикали с шагом 1-2-5 от 10 мВ/дел ... 1 В/дел, с делителем от 100 мВ/дел ... 10 В/дел, максимальной скоростью выборки для однократных сигналов — 100 Мвыб/с, а для повторяющихся сигналов — 20 Гвыб/с, коэффициентами разверток — 5 нс/дел ... 50 мс/дел, максимальной длиной памяти на канал: — 64 Квыб. Остальные параметры типичны для плат этой фирмы. Размеры платы: 200x105x20 мм, масса: 0,13 кг, программное обеспечение совместно с ОС Windows 98/NT/2К/XP.
Основные программно-функциональные характеристики В-221: автоматический поиск сигналов, спектроанализатор, цифровой частотомер, маркерные и автоматические измерения 22-х параметров сигналов, временное/спектральное представление сигнала в реальном времени, сглаживание, усреднение и произвольные математические операции над сигналом, возможность использования запомненного сигнала в качестве постоянного фона, самописец, экспорт в формат ASCII.
О степени совершенства интерфейса можно судить по рис. 6, на котором показано окно интерфейса виртуальных осциллографов фирмы BORDO. Оно содержит достаточно наглядные органы управления (списки, кнопки и т.д.), очень похожие на органы управления обычных цифровых осциллографов.
Рис. 6. Окно графического интерфейса виртуальных осциллографов фирмы BORDO
Высокоскоростные PCI-платы — осциллографы М8-500 (рис. 7), М8-500У и M8-1000 — служат для сбора данных аналоговой и цифровой информации, регистрации быстропротекающих процессов и широкополосных сигналов. Данные об их и других устройствах этого раздела имеются на сайте ЗАО „Компания Сигнал”. Частота дискретизации двух плат составляет 500 МГц, а третьей — 1000 МГц.
Рис. 7. Высокоскоростная PCI-плата M8-500
Следует отметить, что ультравысокочастотные платы — очень „дорогое удовольствие” — стоимость плат М8-500 и М8-500У составляет, соответственно, 63 000 и 120 000 руб, а платы M8-1000 — 143 000 руб.
Малоприметная приставка-осциллограф DSO-2100 фирмы Protek (рис. 8) вместе с ПК выполняет функции 30 МГц цифрового осциллографа с памятью. Изображение сигналов — как на обычном осциллографе. ПО приставки совместно с Windows 95/98. Приставка подключается к ПК через параллельный порт. B приставке два независимых канала с полосой до 30 МГц и скоростью выборки 100 Мвыб/с каждый. Прикладное ПО позволяет автоматически устанавливать режимы обработки сигналов. DSO-2100 можно использовать как спектральный анализатор.
Рис. 8. Осциллограф-приставка DSO-2100
Неплохими характеристиками обладает еще одна осциллографическая приставка SDS200 (рис. 9), которую можно найти на нашем рынке. В режиме реального времени она обеспечивает скорость выборки 100 Мвыб/с на один канал или 50 Мвыб/с на два канала. Ширина полосы пропускания приставки составляет 200 МГц (на уровне –3dB), для одиночного слота 20 МГц, разрешение АЦП — 9 бит/канал.
Рис. 9. Внешний вид приставки SDS200
Рис. 10. Окно виртуального осциллографа приставки SDS200
Рис. 11. Окно виртуального анализатора спектра приставки SDS200
Рис. 9. Внешний вид приставки SDS200
Остальные возможности типичны для устройств такого рода. Эта приставка имеет неплохое программное обеспечение (см. рис. 10), обеспечивающее удобный, интуитивно понятный графический интерфейс пользователя. Есть возможность вывода курсоров и проведения курсорных и автоматических измерений с их выводом в специальное окно.
Рис. 10. Окно виртуального осциллографа приставки SDS200
Приставка, как обычно, может выполнять функции анализатора спектра. На рис. 11 показан спектр слегка искаженного шумами синусоидального сигнала с частотой 100 МГц. Пик на частоте 100 МГц выделяется довольно отчетливо, приятно отметить малый уровень шумов спектрограммы. Для построения спектра могут использоваться четыре типа частотных окон: прямоугольное, Ханнинга, Хамминга и Блэкмана. Возможен выбор канала для анализа спектра (CH1 или CH2), длины последовательности отчетов, линейной или логарифмической шкал.
Рис. 11. Окно виртуального анализатора спектра приставки SDS200
Объединение АКТАКОМ выпускает несколько приставок к персональным компьютерам (как к настольным, так и к ноутбукам), образующих довольно мощную виртуальную лабораторию. Во всех приборах используется подключение к ПК через порт USB, хотя сохранена возможность подключения и через параллельный порт LPT. Ниже мы кратко рассмотрим характеристики USB-лаборатории АКТАКОМ.
Функциональные генераторы AHP-3121/3122 (рис. 12) предназначены для генерации сигналов стандартной формы (синусоида, меандр, треугольный сигнал и др.) и произвольных с заданием и программированием их параметров с помощью персонального компьютера.
Рис. 12. Функциональный генератор-приставка AHP-3121/3122
Приставка имеет следующие возможности:
- генерация сигналов разной формы, программируемых с помощью ПК;
- встроенный редактор сигналов произвольной формы;
- встроенный калькулятор формул;
- режим „Лазерное шоу” для генерации произвольных фигур Лиссажу;
- внутренний и внешний запуск;
- управление синхронизацией, частотой и фазовым сдвигом;
- запись в файлы и чтение из них данных и форм сигналов;
- подключение ПК через последовательный порт RS-232 и параллельный порт;
- программное обеспечение совместно с ОС Windows 98/ME/NT 4/2000/XP.
Генератор имеет следующие характеристики:
- диапазон частот: от 0,02 Гц до 10 МГц;
- максимальный размах напряжения: ±2,5 В (AHP-3121) и ±10 В (AHP-3122);
- сопротивление нагрузки: от 50 Ом и выше;
- фильтр низких частот: с граничной частотой 15 МГц;
- максимальная частота формирования выходного сигнала: 80 МГц;
- длина памяти: 128 кбайт на канал.
Генератор измерительных телевизионных сигналов AHP-3125 служит для генерации в двух каналах типовых телевизионных сигналов, которые используются для испытания телевизоров и иного телевизионного оборудования. Приставка AHP-3126 формирует телевизионные сигналы в системе цветности SECAM. Обеспечивается формирование 25 видов телевизионных сигналов в соответствии с ГОСТ 4845-92.
Объединение ATAKOM предлагает на рынке обширную серию приставок — цифровых запоминающих осциллографов АСК-3106/3107/3116/3117. Внешний вид двухканальной приставки АСК-3106 представлен на рис. 13.
Рис. 13. Внешний вид двухканальной 100 МГц приставки ACK3106
Основные технические характеристики этих приставок:
- дискретизация до 100 МГц в режиме реального времени.
- 2 или 4 независимых канала с полосой до 100 МГц на канал.
- Большая, определяемая пользователем длина записи — до 132 кБ на канал.
- Произвольно настраиваемый режим предзаписи/послезаписи.
- Чувствительность — от 2 мВ/дел.
- Высокоомный (1 МОм) и низкоомный (50 Ом) программно коммутируемые входы.
- Интерфейс — LPT-порт (режим EPP) или USB 1.1.
- Спектроанализатор.
- Программная эмуляция входного сигнала.
- Русскоязычный или англоязычный интерфейс с изменяемым оформлением.
- Трансляция данных в MS Excel с сохранением масштабов по осям осциллограммы.
Цифровые запоминающие осциллографы — приставки к компьютеру АСК-31xx предназначены для широкого диапазона осциллографических измерений, встречающихся в электронике, разработке и научно-исследовательских лабораториях и используются совместно с персональным компьютером, снабженным параллельным портом LPT или USB-портом.
Виртуальные осциллографы АСК-31xx позволяют пользователю наблюдать форму сигнала, используя два (АСК-3106, АСК-3116) или 4 (АСК-3107, АСК-3117 — рис. 14) независимых канала с разрешением 8 бит и чувствительностью от 2 мВ/дел до 10 В/дел в полосе частот от 0 до 100 МГц с аппаратным буфером на 131071 выборок для каждого канала. Входное сопротивление выбирается программно — 1 МОм или 50 Ом.
Рис. 14. Виртуальные 4-канальные осциллографы-приставки АСК-3107/3117
Приборы имеют стандартную систему синхронизации, работающую в режимах „ждущий”, „одиночный” и „авто” с регулируемым уровнем запуска. Дополнительно запуск может осуществляться по входу внешней синхронизации (порог срабатывания TTL-уровня).
Для связи с компьютером в АСК-3105 используется расширенный параллельный порт (EPP). Приставки АСК-3106, АСК-3107, АСК-3116, АСК-3117 помимо LPT снабжены USB 1.1 портом. АСК-3116, АСК3117 имеют гальваническую развязку по USB и выносной блок питания на 6,5 В, который позволяет использовать приборы вне помещения.
Комбинированный прибор АСК-4106 (рис. 15) сочетает возможности двухканального запоминающего цифрового осциллографа и генератора сигналов произвольной формы. Прибор работает совместно с компьютером по интерфейсам USB 1.1 или LPT в режиме EPP. По существу прибор является вполне законченной виртуальной лабораторией с довольно высокими техническими характеристиками и обширными функциональными возможностями.
Рис. 15. Внешний вид комбинированного прибора АСК-4106
Прибор состоит из двух функциональных модулей: модуля двухканального цифрового запоминающего осциллографа и генератора сигналов произвольной формы.
Модули могут работать как независимо друг от друга, так и совместно под управлением соответствующего программного обеспечения.
Рассмотрим технические характеристики прибора.
Основные технические характеристики осциллографического модуля:
- количество каналов с независимым АЦП: 2 (все каналы идентичны).
- Максимальная эквивалентная частота выборок в стробоскопическом режиме: 10 Гвыб/с.
- Максимальная частота дискретизации: 100 МГц.
- Максимальное число выборок на канал — 131072.
- Число разрядов АЦП: 8.
- Число отображаемых точек на экране: 100…131072.
- Диапазон частот входных сигналов по уровню –3 дБ на пределах 20 мВ/дел. … 1 В/дел. не менее 100 МГц и на пределах 2 В/дел. … 10 В/дел. не менее 70 МГц.
- Входной импеданс: 1 МОм ±5%, 20 пФ ±5 пФ; 50 Ом ±2%.
- Пределы допускаемой основной относительной погрешности отклонения: ±2,5%.
- Дополнительные значения коэффициента отклонения: 2 мВ/дел., 5 мВ/дел., 10 мВ/дел.
- Разрешение: 8 бит (256 точек на шкалу).
- Коэффициент развязки между каналами: не менее –40 дБ во всем частотном диапазоне.
Параметры развертки:
- Диапазон значений коэффициента развертки (при установке 1000 выборок на экран): 10 нс/дел. ... 0,1 с/дел.
- Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности коэффициентов развертки: ±(0,001*Т + 10-9 с), где Т — длительность развертки, T = Kразв * 10 дел., Kразв — коэффициент развертки.
- Дополнительные значения коэффициента развертки в режиме самописца: от 1 мс/дел. до 100 ч/дел.
Параметры калибратора:
- Выходной сигнал: прямоугольный, со скважностью 2.
- Частота выходного сигнала: 1 кГц.
- Выходное напряжение: 3 В от пика до пика.
- Выходное сопротивление: (150 ±50) Ом.
- Выходной разъем: BNC, совмещен со входом внешней синхронизации.
Параметры функционального генератора:
- Количество выходных каналов: 2.
- Диапазон частот выходного сигнала: от 0,1 Гц до 10 МГц.
- Частота сигнала, воспроизводимая генератором, определяется его тактовой частотой и длиной сигнала по формуле: f = fT/N, где: f — частота сигнала; fT — тактовая частота генератора, может быть установлена в одно из 16 значений: максимальное — 80 МГц, каждое последующее — в 2 раза меньше — 40 МГц, 20 МГц, 10 МГц и т.д. до 2,441 кГц; N — длина сигнала: любое четное целое число выборок в диапазоне от 8 до 131000.
- Основная относительная погрешность воспроизведения частоты: не превышает ±0,05%.
- Максимальный размах выходного напряжения: на нагрузке 1 МОм ±2,5 В, на нагрузке 50 Ом ±1,25 В.
- Шаг дискретной установки выходного напряжения: на нагрузке 1 МОм не более 1,5 мВ, на нагрузке 50 Ом не более 1,0 мВ.
- Неравномерность уровня выходного синусоидального напряжения в диапазоне частот относительно уровня на частоте 1 кГц: не превышает ±1 дБ.
- Длительность фронта и среза (каждого в отдельности) прямоугольного сигнала: не превышает 20 нс.
Прибор АСК-4106 питается от сети 220 В, 50 Гц и потребляет не более 20 Вт.
Иногда возникает необходимость снятия вольт-амперных характеристик (ВАХ) различных полупроводниковых приборов — диодов, кремниевых стабилитронов, полевых и биполярных транзисторов и т.д. Простейшие характериографы на базе аналоговых осциллографов не удовлетворяют пользователей, которые нуждаются в детальном исследовании этих приборов. Для этой цели служит приставка ACC-4211 (рис. 16). Она рассчитана на снятие семейств ВАХ маломощных полупроводниковых приборов.
Рис. 16. Внешний вид приставки ACC-4211 для снятия ВАХ маломощных полупроводниковых приборов
Приставка выполнена в небольшом корпусе (размер 120ґ50ґ100) и имеет массу всего 150 г. Сверху корпуса расположены колодки для подключения испытуемого прибора. Прибор имеет также разъем для подключения термодатчика и позволяет измерять температуру в диапазоне от 50 до 120°С с погрешностью 0,5°С. Сетевой адаптер приставки имеет гальваническую развязку от сети, что обеспечивает безопасность работы с приставкой.
Прибор позволяет снимать ВАХ транзисторов при максимальном напряжении на коллекторе (или стоке) до 50 В и максимальном токе коллектора (или стока) 0,1 А. Диапазон задания входного напряжения от 0 до 10 В, тока базы биполярных транзисторов — до 1,25 мА.
Приставка подключается к компьютеру через последовательный интерфейс RS-232. Питание она получает от блока сетевого адаптера. На компьютере должно быть установлено программное обеспечение, создающее виртуальную панель управления, показанную на рис. 17.
Рис. 17. Окно характериографа для снятия ВАХ маломощных полупроводниковых приборов
Приставка позволяет снимать ВАХ двухполюсных приборов (диодов, стабилитронов и др.) и трехполюсных приборов (биполярных и полевых транзисторов), не имеющих падающих участков. Имеется возможность проведения допускового контроля путем сравнения ВАХ проверяемого прибора с образцовой ВАХ. Интересной является возможность вывода на экран семейства ВАХ испытуемого прибора и теоретических ВАХ. | 
