Введение

При экспериментальном исследовании сигналов, радиотехнических цепей и прохождения сигналов через радиоцепи мы вынуждены проводить соответствующие измерения и использовать измерительные приборы.

Любой измерительный прибор состоит из трех основных частей – преобразователя, измерителя и индикатора, причем иногда возможно совмещение отдельных частей. Например, в простейшем вольтметре преобразователь – добавочное сопротивление, а измеритель и индикатор совмещены и представляют собой токовую измерительную головку.

По мере развития измерительной техники усложнялись и совершенствовались все три основные части измерительных приборов, и в настоящее время, когда говорят об аналоговых, цифровых или виртуальных измерительных приборах, сложно разобраться, что подразумевается под тем или иным названием. Попробуем установить простейшую, пусть и грубую, классификацию для используемых измерительных приборов.

1. Аналоговым будем называть прибор, у которого преобразовательное, измерительное и индикаторное устройства – аналоговые любой сложности. Аналоговым будет прибор, у которого преобразователь и измеритель аналоговые, а индикатор – цифровой.

2. Цифровым или дискретным будем называть прибор, у которого преобразователь цифровой (дискретный), измерение производится в цифровом виде, а индикатор – цифровой дисплей.

3. Виртуальным будем называть прибор, физически не существующий. Это программа, имитирующая работу прибора. Преобразователя не имеет. На вход поступает последовательность чисел. Чаще всего это вычислительная и индикаторная часть дискретного при-бора.

Добавляя плату АЦП, можно получить цифровые (дискретные) приборы. Для генераторов, добавляя ЦАП, можно получить цифровые (дискретные) генераторы сигналов.

Современные аналоговые приборы (вольтметры, осциллографы и т. д.), которые широко использовались в прошлом столетии (рис. В.1), постепенно вытесняются цифровыми (дискретными) измерительными

Рис. В.1

приборами. В таких приборах измеряемая величина подвергается дискретизации в соответствии с теоремой Котельникова, а затем полученный поток импульсов обрабатывается процессором вычислительной машины с использованием различных программ. Аналогично может происходить и обратное преобразование потока импульсов в аналоговый сигнал. При этом используются обычные системы АЦП и ЦАП. Скорость (шаг дискретизации ) процесса определяется частотой преобразования ( ), а точность – разрядностью платы АЦП или ЦАП (рис. В.2).

Рис. В.2

В настоящее время существуют приборы с частотой преобразования до 60 ГГц и разрядностью плат 12…16 бит. Например, одна из фирм разработала ряд осциллографов с полосой от 5 МГц до 18 ГГц и частотой дискретизации – от 100 МГц до 60 ГГц.

Другое направление – это развитие чисто виртуальной техники построения схем и измерений в таких схемах. Эта область связана с бурным развитием программного обеспечения для современных компьютеров. Одна из первых программ этого ряда – программа MATLAB. Она позволяла строить виртуальные схемы и исследовать их математическими методами, лишь изредка используя некоторое подобие измерительных приборов, но имела очень мощный математический аппарат.

Дальнейшее развитие вычислительной техники сделало возможным создание математических моделей элементов схемы с учетом потерь, тепловых характеристик, разброса параметров при изготовлении, вплоть до особенностей, обусловленных фирмой-изготовителем. Появилась возможность создавать математическое описание любых реальных элементов и, следовательно, любых реальных цепей.

Возникло понятие виртуальной цепи и виртуального прибора для работы с такими цепями. Такие приборы могут являться точной копией реальных измерительных приборов, но существуют только в виде программного обеспечения соответствующих измерительных устройств. Например, программа «Electronic Workbench» (EWB) имеет не такой мощный математический аппарат, как MATLAB, но более проста и удобна для пользователя. Она позволяет легко построить любую схему, используя не только «идеальные», но и «реальные» элементы с заданным разбросом параметров, тепловыми уходами, потерями и т. д. Для измерений нет необходимости пользоваться непосредственно математическими методами, а можно использовать измерительные приборы, часть которых является виртуальной копией фирменных при-боров.

Современная наследница EWB программная среда «Multisim-10» при составлении принципиальной схемы требует указать фирму, выпускающую данный элемент. Она предоставляет пользователю десятки различных измерительных приборов, начиная от простых генераторов сигналов и вольтметров (различного рода функциональные генераторы, осциллографы и мультиметры) и заканчивая точными виртуальными копиями фирменных заводских приборов, вплоть до внешнего вида, всех параметров и функций управления. Например, осциллограф четырехканальный фирмы «Tektronix» TDS 2024. Следует отметить большую группу приборов, предназначенную для работы с дискретной техникой: генератор слов (Word Generator), логический преобразователь (Logic Converter), логический анализатор (Logic Analyzer) и т. д. Более подробно со всеми этими приборами можно ознакомиться в среде «Multisim-10», выбрав в меню Simulate пункт Instruments. В этом случае цепи, в которых проводится измерение, и сами измерительные приборы являются виртуальными (рис. В.3).

Рис. В.3

Применение математического моделирования позволяет отказаться от дорогих современных цифровых измерительных приборов и создавать любые необходимые виртуальные цепи и измерительные приборы. Если по каким-то соображениям желательно применять реальные цепи и реальные измерительные приборы, то можно воспользоваться приставкой, содержащей АЦП и ЦАП преобразователи. При этом любой из виртуальных приборов превращается в обычный дискретный измерительный прибор, точность и частотный диапазон которого определяются параметрами АЦП и ЦАП и вполне удовлетворяют требованиям к приборам учебной лаборатории.

В лаборатории РТЦиС используются измерительные приборы фирмы «National Instruments» в программной среде «Multisim-10» и «LabView» и лабораторная станция «NI ELVIS». В состав станции входит монтажная плата, которая позволяет собрать и смонтировать достаточно сложную схему из реальных элементов. Кроме монтажной платы в состав станции входят регулируемые и нерегулируемые блоки питания, управляемый функциональный генератор и группа контактных соединителей, позволяющих подключать к плате как реальные, так и виртуальные устройства. В состав процессора подключается плата сбора и обработки данных, содержащая АЦП и ЦАП с частотой дискретизации 1,25 МГц и разрядностью 12 бит (рис. В.4).

Рис. В.4

Таким образом, «NI ELVIS» позволяет проводить лабораторные работы с реальными или виртуальными макетами, используя для измерений как реальную (цифровые приборы), так и виртуальную аппаратуру. Следует учесть, что в среде «Multisim-10» и «LabView» имеется до двух десятков различных виртуальных приборов, и при необходимости в среде «LabView» можно создать любой нужный прибор. Многие из них превращаются в реальные цифровые измерительные приборы. Такой набор достаточен для проведения любых лабораторных работ.

Существенную помощь при знакомстве с реальной лабораторной станцией при размещении и монтаже элементов на плате может оказать виртуальная станция NI ELVIS, входящая в программу «Multisim-10». Она является виртуальной копией реальной станции, позволяет предварительно ознакомиться с рабочей станцией NI ELVIS и выполнить предварительный монтаж трехмерных виртуальных элементов на виртуальной плате, проверить внешний вид, правильность монтажа и работу схемы, а затем перенести этот монтаж на реальную монтажную плату станции.

Описание некоторых приборов стенда, в том числе и лабораторной станции NI ELVIS, приведено в прил. 1.