Miernictwo_16 Systemy pomiarowe.pdf

Miernictwo

Systemy pomiarowe

– sprzęt

CZĘŚĆ 1

W poprzednich odcinkach z cyklu Miernictwo

(EdW 6/97 i 8/97) omówiono oscyloskopy cyfro−

we. Przedstawiona tam idea (zamiany przebiegu

analogowego na postać cyfrową) nasuwa pyta−

nie, czy do wszelkiego rodzaju pomiarów można

w jeszcze szerszym zakresie wykorzystać tech−

nikę cyfrową oraz komputery. Obecnie coraz

częściej przy pomiarach wykorzystuje się kom−

putery. Jest to trend wyraźnie nasilający się

z upływem czasu.

Jeśli w nowoczesnym oscyloskopie badany

przebieg jest zapamiętany w pamięci półprzewod−

nikowej, to nic nie stoi na przeszkodzie, by te infor−

macje przesłać do komputera, na przykład do dal−

szej analizy, porównania, obróbki czy choćby dla

dokonania wydruku na drukarce. Prawie wszystkie

oscyloskopy cyfrowe mają taką możliwość.

Przepływ informacji następuje też w drugą stro−

nę. Przy współczesnych możliwościach technicz−

nych przełączanie funkcji i rodzaju pracy przyrządu

wcale nie musi następować za pomocą przełączni−

ków mechanicznych i potencjometrów umieszczo−

nych na płycie czołowej. Można do tego wykorzys−

tać nowoczesne elementy elektroniczne, i obok

zwiększenia niezawodności uzyskać możliwość

zdalnego sterowania wszystkimi nastawami przy−

rządu. Przy takiej konstrukcji wszystkie nastawy

(np. oscyloskopu cyfrowego) można zmieniać za

pomocą komputera.

Nowoczesny przyrząd ma możliwość dwukie−

runkowej komunikacji do i z komputera. W takiej

sytuacji nasuwa się pytanie o sens stosowania pły−

ty czołowej z regulatorami i wyświetlacza. Łatwo

sobie wyobrazić przyrząd pomiarowy (na przykład

oscyloskop, multimetr czy miernik częstotliwości),

który nie ma żadnego wyświetlacza ani płyty czoło−

wej z pokrętłami, ma tylko gniazda wejściowe. Wy−

niki wyświetlane są na ekranie komputera. Tak

samo wybór funkcji i nastaw odbywa się na ekra−

nie komputera, choćby za pomocą myszki. Nie ule−

ga wątpliwości, że

„odchudzenie” przy−

rządów pomiarowych

przez usunięcie wy−

świetlacza i regulato−

rów na płycie czoło−

wej pozwala budo−

wać większe syste−

my pomiarowe mniej−

szym kosztem. Pro−

wadzi to do moduło−

wej budowy systemu

pomiarowego.

Modułowe systemy pomiarowe znane są od

wielu lat. Swego czasu popularny był system CA−

MAC, opracowany pierwotnie dla urządzeń techni−

ki jądrowej (zdefiniowany normami w 1966). Dziś

CAMAC jest zdecydowanym przeżytkiem.

Fot. 1

GPIB

Nie stał się przeżytkiem opracowany w roku

1965 przez firmę Hewlett−Packard system interfej−

su dla przyrządów pomiarowych, zwany pierwotnie

HP−IB (Hewlett−Packard Interface Bus). Interfejs

ten wykorzystywał kilkanaście linii (żył kabla) i po−

zwalał przesyłać informacje między przyrządami

pomiarowymi i kontrolerem (komputerem) z dość

dużą szybkością do 1MB/s na odległość do 20m.

Interfejs ten nie był przeznaczony dla jakichś spe−

cjalnych modułowych przyrządów, tylko dla kla−

sycznych przyrządów wyposażonych w wyświetla−

cze i regulatory na płytach czołowych. Taki interfejs

ogromnie rozszerzał możliwości tych przyrządów

(generatorów, mierników poziomu, oscyloskopów

czy analizatorów), pozwalając na przykład zestawić

sterowany komputerem system, automatycznie

testujący urządzenia wytwarzane na taśmie pro−

dukcyjnej. Program komputerowy sterował zasila−

czami i generatorami, a potem zbierał, przetwarzał

i wyświetlał informacje odbierane z oscyloskopów,

mierników napięcia, prądu i częstotliwości, itp.

Główne informacje w sprzęgu GPIB przesyłane są

równolegle przez ośmiobitową szynę danych w po−

staci kodów ASCII. Dodatkowe informacje syn−

chronizujące przekazywane są w innych liniach

o ściśle określonym przeznaczeniu.

Interfejs opracowany pierwotnie przez firmę

Hewlett−Packard dla własnych przyrządów, po

pewnym czasie (1975) został zaakceptowany jako

światowy standard IEEE−488. W naszym kraju in−

terfejs ten nazywano IEC−625, a dziś w literaturze

często spotyka się skrót GPIB (General Purpose In−

terface Bus). Z czasem standard ten ewoluował

i dziś przyrządy pomiarowe wyposażane są w inter−

fejs zgodny z zaleceniem IEEE488.2, umożliwiają−

cy jeszcze szybsze przesyłanie danych.

Obecnie zdecydowana większość „klasy−

cznych” przyrządów pomiarowych wyposażona

jest w interfejs GPIB.

Tym samym przyrządy te mogą współpracować

z komputerem. Interfejs GPIB nie może być podłą−

czony do szeregowego lub równoległego portu

komputera. Komputer musi być wyposażony

w kartę rozszerzenia z układem pośredniczącym

i gniazdem wyjściowym GPIB. Dopiero obecność

takiej karty oraz odpowiedniego programu umożli−

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98

Miernictwo

wia współpracę nie tylko z jednym, ale z wieloma

przyrządami pomiarowymi, połączonymi równoleg−

le do jednej szyny GPIB. Fotografia 1 pokazuje kar−

ty pośredniczące między komputerem a szyną

GPIB, karty produkcji firmy Hewlett−Packard dla

komputerów PC z magistralą ISA/EISA.

Należy podkreślić, że sama karta pełni tylko role

pomocniczą – sprzęga komputer z szyną GPIB i da−

lej z przyrządem pomiarowym. Rozwiązanie takie,

popularne w laboratoriach profesjonalnych, wygod−

ne ze względu na możliwość pracy w systemie

urządzeń różnych producentów, jest jednak drogie.

W ostatnich latach notuje się powolny spadek

zainteresowania „klasycznymi” urządzeniami po−

miarowymi, wzrastającą popularnością cieszą się

natomiast urządzenia i systemy „od urodzenia”

przewidziane do współpracy w specjalizowanych

systemach pomiarowych, nie mające wyświetla−

cza ani regulatorów na płycie czołowej.

przetwornika A/D i obwodów synchronizacji po−

zwoliłoby uzyskać doskonały oscyloskop, a przy

tym radykalnie obniżyć koszty. Karta zawierałaby

tylko niezbędne obwody do współpracy „ze świa−

tem zewnętrznym”, a zbieranie, przetwarzanie

i pamiętanie informacji wykonywałby komputer.

Perspektywa jest kusząca. Mimo wszystko po−

pularne współczesne karty pomiarowe nie są przy−

stosowane do pracy z sygnałami o dużych częstot−

liwościach. Rzadko spotyka się karty o częstotli−

wości próbkowania (podczas przetwarzania analo−

gowo−cyfrowego) powyżej 1MHz. Znając „osiągi”

współczesnych cyfrowych oscyloskopów stacjo−

narnych – pasmo do kilku gigaherców i częstotli−

wość próbkowania miliardy próbek na sekundę –

można się spodziewać, że istnieją karty rozszerze−

niowe do komputerów, pełniące rolę oscyloskopu,

mające zbliżone parametry. Niestety, tak nie jest.

Jedną z przyczyn jest ogromne „zaśmiecenie”

wnętrza komputera przebiegami występującymi

podczas jego pracy. Należy pamiętać, że w obwo−

dach komputera występują sygnały o częstotliwo−

ściach rzędu dziesiątek, a nawey setek megaher−

ców. Powoduje to powstanie silnych zakłóceń

elektromagnetycznych. Tymczasem precyzyjne

przyrządy pomiarowe muszą być odporne na zakłó−

cenia. Wymaga to między innymi skutecznego ek−

ranowania delikatnych obwodów sygnałowych.

Jest to bardzo trudne, czasem wręcz niemożliwe

w przypadku realizacji układu pomiarowego w for−

mie typowej karty komputerowej. Występujące

trudności są jedną z przyczyn wysokich cen dob−

rych kart tego typu.

Na fotografii 2 i rysunku 1 pokazano wygląd

i schemat blokowy karty AT−MIO−16E−1 firmy Na−

tional Instruments. Karta przeznaczona jest do

komputerów PC z magistralą ISA lub EISA (dostęp−

na jest podobna wersja dla szyny PCI), posiada 16

wejść analogowych o maksymalnej częstotliwości

próbkowania1,25MS/s, rozdzielczości 12 bitów,

programowanym wzmocnieniu (1, 2, 5, 10, 20, 50,

100). Karta posiada też dwa wyjścia analogowe

o rozdzielczości 12 bitów, osiem dwukierunko−

wych wejść/wyjść cyfrowych i dwa liczniki/timery

o pojemności 24 bitów pracujące do częstotliwoś−

ci 20MHz. Jedna taka karta dzięki obecności wielu

wejść i wyjść umożliwia budowę sporego systemu

Karty rozszerzenia typu plug−in

Jednym z rozwiązań o rosnącej popularności są

specjalizowane karty rozszerzeniowe dla kompute−

rów.

Najprostszym przykładem jest obecna w więk−

szości współczesnych komputerów karta muzycz−

na. Karta taka zawiera przetwornik analogowo−cyf−

rowy (A/D), jak i cyfrowo−analogowy (D/A). Możli−

wa jest zamiana przebiegów zmiennych na postać

cyfrową, czyli wykorzystanie karty muzycznej w ro−

li oscyloskopu czy miernika napięcia. Karta muzycz−

na może być także generatorem przebiegów o do−

wolnym kształcie, może też sterować napięciem

zasilacza. Niestety, typowe karty muzyczne nie są

projektowane pod kątem zastosowań elektronicz−

nych i ich przydatność dla elektroników, chcących

zbudować „oscyloskop na PC−cie” są bardzo ogra−

niczone. Przede wszystkim chodzi o pasmo prze−

noszenia, sięgające w karcie muzycznej co najwy−

żej do 20kHz. Do tego dochodzą kłopoty z synchro−

nizacją (wyzwalaniem) i niemożnością zmiany czu−

łości wejściowej.

W literaturze elektronicznej spotyka się czasem

artykuły dotyczące wykorzystania karty muzycznej,

ale jedynie do analizy sygnałów audio, a nie w roli

oscyloskopu.

Profesjonaliści od dość dawna używają kompu−

terowych kart rozszerzeniowych do zbierania da−

nych i do sterowania. W zdecydowanej większości

przypadków są to karty specjalnie projektowane

pod kątem specyficznych potrzeb. Spotyka się kar−

ty o różnych możliwościach, o różnej liczbie wejść

i wyjść analogowych i cyfrowych. Niektóre karty

mogą przetwarzać sygnały analogowe o częstotli−

wościach ponad 1MHz, ale większość przeznaczo−

na jest do pomiaru przebiegów wolnozmiennych.

Często spotyka się karty przeznaczone do współ−

pracy z określonymi źródłami sygnałów, na przy−

kład z typowymi czujnikami temperatury Pt100 czy

termoparami. Nierzadko wejścia są odseparowane

galwanicznie, co zdecydowanie zmniejsza wpływ

zakłóceń związanych z przewodem masy. Dla

zmniejszenia zakłóceń, obok wejść niesymetrycz−

nych, wykorzystuje się wejścia symetryczne.

Nie trzeba przekonywać, że umieszczenie na ta−

kiej karcie przełączników (tłumików) wejściowych,

Rys. 1

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98

Miernictwo

i kart nieznanych producentów należy traktować

z dużą ostrożnością.

Fot. 2

VX W roku 1987 konsorcjum składające się

z głównych producentów sprzętu pomiarowego,

wprowadziło standard modułowej architektury

przyrządów pomiarowych, zwany VXI (czytaj: wi−

eks−aj). Standard ten przeznaczony był pierwotnie

dla przenośnej aparatury, zwłaszcza do celów

wojskowych, ale z czasem zdobył sobie znaczące

miejsce także na rynku przemysłowej aparatury

pomiarowej.

Urządzenia standardu VXI to niewielkie moduły,

umieszczone we wspólnej obudowie (mainframe).

Standard VXI bazuje na innym popularnym standar−

dzie urządzeń przemysłowych, zwanym VMEbus.

Fotografia 3 pokazuje niewielką obudowę i kilka

modułów standardu VXI firmy National Instru−

ments. Jednym z modułów może być autonomicz−

ny sterownik, będący w istocie komputerem. Foto−

grafia 4 przedstawia taki komputer o oznaczeniu

VXIpc−850, wyposażony w procesor Pentium

166MHz, 16M DRAM, kartę graficzną Trident

z 2MB RAM, twardy dysk, napęd dyskietek, itd...

Komputer taki, umieszczony we wspólnej obu−

dowie z innymi modułami, współpracuje bezpo−

średnio z monitorem, klawiaturą i myszką. Gdy ta−

kiego komputera nie ma w obudowie, moduły VXI

mogą współpracować ze zwykłym komputerem ty−

pu PC, Mac, HP czy innym. Wtedy trzeba zainsta−

pomiarowego. Cena takiej karty jest poza zasię−

giem hobbystów (ponad 2500 dolarów). Podobna

karta o mniejszej częstotliwości próbkowania

wejść analogowych (100kS/s) kosztuje ponad 1000

dolarów.

W czasopismach zachodnich spotyka się liczne

ogłoszenia różnych drobnych firm produkujących

znacznie tańsze karty i przystawki pełniące rolę os−

cyloskopu, pracujące z szybkością kilku MS/s (mi−

lionów próbek na sekundę) lub jeszcze większą.

Najczęściej są to przystawki umieszczane na ze−

wnątrz i sprzęgnięte za pomocą któregoś portu,

a nie karty umieszczane na płycie głównej kompu−

tera. Póki co, w naszym kraju takie karty i przy−

stawki nie są szerzej znane. Istnieją wprawdzie

opisy samodzielnego wykonania takich kart, jednak

ich praktyczna przydatność jest co najmniej wątpli−

wa i mają przede wszystkim znaczenie dydaktycz−

ne. Zaprojektowanie bardzo szyb−

kiej i precyzyjnej karty tego typu

jest trudne, bo konstruktor (raczej

grupa konstruktorów) musi mieć

duże doświadczenie w kilku dzie−

dzinach elektroniki. Trzeba zapro−

jektować nie tylko układ cyfrowy

i stworzyć oprogramowanie, ale

też opracować część analogową:

zdalnie regulowane tłumiki

i wzmacniacze o szerokim paśmie

przenoszenia.

Dlatego ewentualne ogłosze−

nia prasowe o rewelacyjnych pa−

rametrach i zaskakująco niskich

cenach tego typu przystawek

Fot. 4

Fot. 3

lować w komputerze kartę pośredniczącą między

tym komputerem a urządzeniami standardu VXI.

Urządzenia standardu VXI są czymś pośrednim

między klasycznymi przyrządami pomiarowymi,

a kartami rozszerzeniowymi komputerów. Łączą

w sobie zalety jednych i drugich. Przy porównywal−

nych możliwościach są tańsze od klasycznych

przyrządów wyposażonych w wyświetlacz i regula−

tory na płycie czołowej. Osiągają też lepsze para−

metry, niż komputerowe karty rozszerzeń.

W następnym odcinku omówiona zostanie bar−

dzo ważna i interesująca kwestia oprogramowania.

(red)

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: