Осциллографы Вашей мини USB-лаборатории АКТАКОМ

Афонский А.А., доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана, Суханов Е.В

Впервые опубликовано в журнале КИПиС 2008 № 1
Статья предоставлена компанией "ЭЛИКС"
 

На правах рекламы
 

В развитие популярной серии приборов «USB-лаборатория» АКТАКОМ в 2007 году вышла новая серия приборов, отличающихся оригинальным дизайном. Наш журнал уже рассказывал об одном из приборов этой серии — 16-канальном генераторе паттернов АКС-3616 [1]. В этой статье рассматриваются два новых двухканальных цифровых запоминающих осциллографа: АСК-3002 и АСК-3102. Как и все приборы серии «USB-лаборатория» АКТАКОМ новые модели выполнены в виде приставки к ПК и подключаются через USB-порт. При этом в новых моделях осциллографов не требуется внешний источник питания, достаточно питания, которое можно получить из USB-порта. Но для отдельных применений, как дополнительная опция, реализуемая на стадии производства, может быть осуществлено только внешнее питание (от дополнительного сетевого адаптера).

 
Рис. 1. Осциллографы АСК-3002 и АСК-3102 серии «Ваша мини USB-лаборатория» АКТАКОМ
 

Модель АСК-3002 предназначена специально для бюджетных применений с невысокими требованиями к рабочей полосе частот. АСК-3102 — это вполне профессиональная модель с частотой дискретизации до 10 ГГц. Основные технические характеристики этих осциллографов:

• частота дискретизации 10 ГГц (стробоскопический режим) — только в АСК-3102;
• частота дискретизации 100 МГц (режим реального времени);
• коэффициент вертикального отклонения 10 мВ/дел...10 В/дел с шагом 1-2-5;
• разрешение по вертикали 8 бит;
• частотный диапазон по уровню –3 дБ: 0 Гц...100 МГц (DC), 1,2 Гц...100 МГц (AC) — для АСК-3102, для модели АСК-3002 частотный диапазон аналогового тракта по уровню –3 дБ такой же, но с учетом применяемой частоты дискретизации анализировать можно сигналы в полосе менее 50 МГц;
• входное сопротивление 1 МОм, 20 пФ (в обеих моделях) или 50 Ом (только в АСК-3102);
• максимальное входное напряжение ±50 В при входном сопротивлении 1 МОм;
• минимальная длительность синхронизирующего импульса 10 нс;
• диапазон значений коэффициента развертки 10 нс/дел....0,1 с/дел;
• калибратор 1 кГц, 3 В от пика до пика;
• питание от USB в стандартной поставке;
• масса не более 0,19 кг, габаритные размеры 150ґ85ґ35 мм.

Важно отметить, что впервые в мире для USB осциллографов внедрена возможность учета подключения внешнего пробника ко входу прибора и автоматического использования этого фактора при работе с программным обеспечением. Очевидно, что новая технология уменьшает количество ошибок при анализе результатов измерений и делает работу с осциллографами этой серии более комфортной.

 
Рис. 2. АСК-3102 автоматически учитывает подключение пробника ко входу прибора
 

Роль и значение пробников при осциллографических измерениях подробно изложены в серии статей [2, 3], завершающейся в этом номере.

Осциллографы АСК-3002 и АСК-3102 одними из первых специально разработаны для работы в Windows Vista™. Кроме прибора и программного обеспечения в стандартную поставку входит полное руководство по эксплуатации, записанное на компакт-диске. В качестве дополнительной комплектации предлагаются разнообразные осциллографические щупы, USB кабель для соединения прибора с ПК и некоторые дополнительные опции программного обеспечения AKTAKOM Oscilloscope Pro.
В новой серии осциллографов, по сравнению с хорошо известными моделями АСК-3106 и АСК-3116, заметно снижено энергопотребление, внедрен скоростной интерфейс USB 2.0, реализована возможность сохранения индивидуальных калибровок и настроек в приборе, а также добавлен аппаратный частотомер, что позволило ускорить автоматические измерения.

Но главное в новой серии осциллографов — это универсальное фирменное программное обеспечение АКТАКОМ Oscilloscope Pro. Важно отметить, что программное обеспечение реализуется на «открытых принципах» с возможностью разработки программ самим пользователем, в первую очередь, в среде LabVIEW. Остановимся кратко на основных возможностях нового программного обеспечения. Программное обеспечение самого прибора (SW1) содержит:

• драйвер прибора в виде динамической библиотеки Windows;
• описание всех функций управления прибором;
• инструмент для работы в NI LabVIEW;
• функциональное дерево и пример работы в NI LabWindows/CVI;
• библиотеку импорта и пример приложения для Borland C++ Builder;
• библиотеку импорта и пример приложения для MS Visual C++.

Программное обеспечение AKTAKOM Oscilloscope Pro содержит следующие стандартные функции:

• курсорные измерения по вертикали и горизонтали (абсолютные и относительные);
• автоматическая настройка на сигнал;
• цифровой самописец;
• установка длины предзаписи / послезаписи;
• цифровая фильтрация (накоплением и полиномиальная);
• запись/чтение данных/изображений в файл;
• произвольное масштабирование отображаемых данных, дополнительный обзорный график;
• цифровой люминофор (режим послесвечения).

Дополнительные функции (опции) AKTAKOM Oscilloscope Pro:

• цифровые преобразования сигналов (усиление/ослабление, растяжение/сжатие, инверсия/обращение, искусственное добавление шума);
• вычисление следующих специальных функций: сумма, разность, отношение или произведение двух выбранных каналов; среднее геометрическое двух выбранных каналов; производная выбранного канала; интеграл выбранного канала; интеграл произведения каналов; корреляция двух выбранных каналов; передаточная функция двух выбранных каналов;
• двухуровневая аварийная сигнализация;
• режим цифрового вольтметра;
• вычисление фазового сдвига между каналами;
• автоматическое измерение параметров импульсных сигналов;
• спектральный анализ (БПФ) и спектральная цифровая фильтрация сигнала;
• статистические вычисления и гистограмма распределения вероятности;
• режим управляемой эмуляции сигналов, используется для работы программы при отсутствии реального прибора (для тестовых или учебных целей);
• встроенный калькулятор формул.

Рост количества моделей осциллографов в серии «USB-лаборатория» АКТАКОМ не привел к увеличению необходимых для работы с ними различных программ. Предлагаемое фирменное программное обеспечение АКТАКОМ Oscilloscope Pro поддерживает всю линейку осциллографов АКТАКОМ АСК-3ХХХ. Таким образом, упрощается процесс освоения программного обеспечения пользователем, облегчается обновление версий и достигается полная совместимость данных, собранных на любых поддерживаемых приборах. При этом, в большой степени сохраняется преемственность с прежними версиями осциллографического ПО, такого как ACK-3106-PO5, и пользователям, уже работавшим с этими приборами, будет нетрудно освоиться в новой программе.

 
Рис. 3. Настройки подключения приборов
 

Аппаратную универсальность программе обеспечивает технология подключения к устройствам AULNet. Эта технология позволяет приложению одинаковым образом подключаться к любому прибору AKTAKOM USB-Lab, вне зависимости от его физического расположения в сети и используемого типа интерфейса, будь то USB, COM или LAN (строго говоря, эта серия приборов AKTAKOM уже выросла из первоначального названия, ориентированного на единственный интерфейс USB). Вся необходимая информация о расположении устройства содержится в его «полном имени»: используемый тип интерфейса, описание сокета, модель прибора и его серийный номер. Полное имя AULNet может выглядеть так: AULNETAUN::@N192.168.0.11@P1080::ACK-3106 #123456789 для прибора, подключенного к удаленному компьютеру-серверу в локальной сети, или так: AULNET::@Nwww.myServer.com::ACK-3102 для устройства в Интернете, или просто: ACK-3002 #834111102 для локально подключенного осциллографа. В любом случае, работа с этими приборами для приложения и для пользователя выглядит абсолютно одинаково, достаточно выбрать нужный экземпляр в едином списке программы.

В качестве конечных точек сетевых коммуникаций AULNet использует TCP/IP-подмножество сокетов, хорошо знакомых как пользователям UNIX, так и пользователям Windows. Для описания сокета AULNet необходимо задать его доменное имя (DNS) либо IP-адрес сервера и 16-битовый номер порта. Дополнительно можно задать желаемый таймаут для установки связи с сокетом и строку-логин для идентификации пользователя. Управление списком сокетов выполняется из новой вкладки панели настроек программы (рис 4).

 
Рис. 4. Управление списком сокетов AULNet
 

Другое принципиальное новшество — отдельный модуль анализа. В предыдущих версиях фирменного ПО для осциллографов серии «Ваша USB-лаборатория» AKTAKOM обработка сигнала была совмещена непосредственно с процессом сбора данных аппаратурой. Абстрагирование новой программы от конкретного типа аппаратуры естественным образом привело к логическому разделению этих процедур. В результате появился программный модуль, независимый от источника данных, в котором сосредоточены все функции математической обработки измерений: цифровая фильтрация, геометрические эффекты, построение дополнительной функции по данным собранных сигналов, аварийная сигнализация, цифровой вольтметр, измеритель сдвига фаз, определение импульсных параметров, спектральный анализ и, наконец, статистическая обработка результатов. Каждая из этих функций, в свою очередь, также независима от других, поэтому, при каскадной обработке сигнала, пользователь имеет возможность настроить порядок действий модуля анализа.

 
Рис. 5. Модуль анализа, каскад обработки сигнала
 

По большей части, функции нового модуля анализа были доступны и в предыдущих версиях осциллографического ПО, но и эти старые функции теперь, когда они перестали «ютиться по углам» и получили «собственный дом», стали заметно удобнее в использовании (см. иллюстрации). Используемые алгоритмы также претерпели усовершенствования в сторону повышения точности и быстродействия, добавились новые опции. Например, функция аварийной сигнализации теперь работает по каждому из каналов независимо и получила возможность посылки широковещательного сообщения операционной системе о возникшей аварийной ситуации.

 
Рис. 6. Цифровой вольтметр и измеритель сдвига фаз в предыдущей версии ПО
 

 
Рис. 7. Вкладка измерений модуля анализа
 

 
Рис. 8. Вкладка цифровой фильтрации сигнала
 

 
Рис. 9. Автоматическое измерение параметров импульса
 

 
Рис. 10. Спектральный анализ и спектральный фильтр
 

Новые удобства исследователю дают функции вкладки «Эффекты». Здесь можно настроить и добавить к обработке такие цифровые преобразования сигналов, как вертикальную инверсию (изменение полярности), горизонтальную инверсию (обращение шкалы времени), усиление (масштабирование по амплитуде), растяжение (масштабирование по времени) и искусственное добавление случайных шумов.

 
Рис. 11. Цифровые эффекты в обработке сигналов
 

Каждый из параметров, определяемых функциями автоматических измерений модуля анализа, может быть передан для статистической обработки. Этот обработчик вычисляет и показывает как базовые статистические параметры (объём выборки, время счета, текущее значение, среднее, минимум, максимум и стандартная девиация), так и такие характеристики распределения вероятности, как асимметрия и эксцесс. Дополнительно строится гистограмма распределения, позволяющая визуально оценить характеристики измерений и его ошибки. Курсорные измерения дают возможность определить вероятность попадания измерения в заданные границы значений.

 
Рис. 12. Вкладка статистических измерений в модуле анализа
 

Помимо таких кардинальных изменений, как новая технология подключения устройств к программе и отдельный модуль анализа, в программу внесено множество мелких улучшений. Попробуем кратко их перечислить.

Несколько изменился пользовательский интерфейс: разработчики отказались от фоновых рисунков и красивых ручек регулировки в пользу более простого и функционального варианта (эволюция программного обеспечения в данном случае идет в противоположную сторону, по сравнению с эволюцией операционной системы).

 
Рис. 13. Изменения в панели управления (слева — ранняя версия ПО, справа — новая версия ПО)
 

Добавлена возможность регулировки толщины линий осциллограмм (раньше эта возможность тоже была, но могла использоваться только при распечатке). Появились очень полезные индикаторы выхода осциллограммы за границы пределов измерений. В базовых возможностях программы теперь есть расширенные курсорные измерения и навигация по пользовательским меткам на осциллограмме. Наконец, если раньше участок осциллограммы для автоматических измерений всегда должен был быть указан курсорами, то теперь на выбор пользователя предлагается четыре варианта:

• анализировать осциллограмму полностью;
• анализировать участок, отображаемый на главном экране;
• участок, ограниченный курсорами главного экрана;
• участок между двумя последними пользовательскими метками.

Не стоит также забывать, что в комплект поставки новых моделей осциллографов AKTAKOM помимо фирменного ПО, входит и комплект разработчика, позволяющий пользователю создавать собственные специализированные программы для работы с этими приборами. В этот комплект входят:

• системный драйвер AKTAKOM USB Lab для Windows;
• динамическая библиотека для управления прибором с документацией и заголовочным файлом;
• функциональное дерево и пример программирования прибора для NI LabWindows/CVI;
• палитра функций и пример программирования прибора для NI LabVIEW;
• библиотека импорта и пример программирования прибора для Borland C++ Builder;
• библиотека импорта и пример программирования прибора для Microsoft Visual C++.

Все примеры, входящие в комплект разработчика, представлены и в виде исходного кода программы, и в виде откомпилированного приложения.

 
Рис. 14. Пример для работы с ACK-3102 в NI LabVIEW.
Для просмотра увеличенного рисунка нажмите на изображение 
 

В заключение следует отметить, что в настоящее время в состав серии «Ваша мини USB-лаборатория» АКТАКОМ кроме описанных выше двух моделей осциллографов входят также 16-канальный генератор паттернов (цифровых последовательностей) АКС-3616 и 16-канальный логический анализатор АКС-3116.

 
Рис. 15. Генератор цифровых последовательностей АКС-3616 и логический анализатор АКС-3116
 

Список использованных источников

1. Афонский А.А., Фомин Н.С. USB-лаборатория АКТАКОМ генерирует цифру. Контрольно измерительные приборы и системы, 2007 г., № 2, стр. 31.
2. Афонский А.А., Дъяконов В.П. Современные осциллографические пробники и их грамотное применение. Контрольно измерительные приборы и системы, 2007 г., № 5, стр. 36.
3. Афонский А.А., Дъяконов В.П. Современные осциллографические пробники и их грамотное применение. Контрольно измерительные приборы и системы, 2007 г., № 6, стр. 27.
4. Афонский А.А., Суханов Е.В. Новые возможности комбинированных измерений с АСК-4106. Контрольно измерительные приборы и системы, 2007 г., № 1, стр. 33.
5. Измерительные приборы и массовые электронные измерения. Серия «Библиотека инженера». Под ред. Проф. В.П. Дъяконова. М., СОЛОН-ПРЕСС, 2007.