Описание работы устройства ввода аналоговой информации

В большинстве случаев информация о протекании того или иного физического процесса фиксируется датчиками в виде непрерывного изменяющихся величин. Чтобы ввести информацию в ЭВМ, необходимо произвести ее преобразование в цифровой код. Такое преобразование осуществляется с помощью преобразователей типа «аналог – код». Процесс преобразования непрерывной информации в цифровой код можно разбить на два этапа: квантование, кодирование [4].

Квантование – разбиение непрерывно изменяющейся величины на определенное конечное число дискретных элементов или состояний (квантовых уровней), уровней потенциала, последовательности импульсов и др. Количество уровней квантования определяется, с одной стороны, требуемой точностью представления измеряемого параметра, с другой – разрешающей способностью чувствительного элемента, т.е. датчика. На точность представления непрерывной величины дискретными значениями влияет частота квантования.

Кодирование – преобразование соответствующих квантовых уровней параметра Х в форму, удобную для ввода в машину.

В зависимости от принципа кодирования аналого-цифровые преобразователи разделяются на три группы:

а) преобразователи последовательного счета – преобразователи с кодированием по принципу счета квантовых уровней, каждому из которых соответствует электрически импульс, эквивалентный единице младшего разряда цифрового кода;

б) преобразователи считывания – преобразователи с кодированием по принципу прямого счета, при котором каждый квантовый уровень кодируется независимо от других в полнее определенной комбинацией двоичных знаков, эквивалентной аналоговой величине;

в) преобразователи сравнения и вычитания – преобразователи с кодированием по принципу сравнения величины с набором эталонных значений (сравнение начинается с максимальной эталонной величины); после каждого сравнения и вычитания формируется значение данного разряда, а полученная разность используется для сравнения со следующим меньшим эталоном.

В качестве преобразователей аналоговых величин в дискретные используются преобразователи типа «вал – число» и «напряжение – число».

USB приставка, преобразующая аналоговые входные сигналы в цифровые данные для виртуальных измерительных приборов: цифрового вольтметра, осциллографа, регистратора медленно текущих процессов с записью информации в дисковый файл. Приставка не требует отдельного источника питания, получая его от USB.

Указанные значения входного сопротивления и емкости дают возможность подавать входной сигнал с помощью стандартного щупа-делителя напряжения для обычного осциллографа. Подходят, например, щупы PROBE60S, НР-9060. Разработанная для работы с приставкой программа обеспечивает наблюдение осциллограмм сигналов на экране монитора при скорости временной развертки 0,3... 100 мс/дел. В режиме регистратора программа ведет запись отсчетов сигнала с максимальным периодом повторения 100 с в текстовый файл (кодировка ASCII), пригодный для анализа с помощью других программ.

Исследуемый сигнал поступает на разъем XW1. На ОУ DA1.2 выполнен повторитель, а на DA1.1 — узел сдвига уровня, необходимый для превращения биполярных (-1,25...+1,25 В) сигналов в однополярные (0...+2.5), которые способен обрабатывать АЦП DA2. Образцовое напряжение +2,5 В подано на узел сдвига с соответствующего выхода АЦП через повторитель на ОУ DA1.3. Использован 12-разрядный АЦП AD7495 с последовательным интерфейсом. Сигналом начала цикла преобразования служат смена высокого уровня на входе CS АЦП низким при вы­соком уровне на входе SCLK. Затем на вход SCLK подают 16 импульсов низкого уровня. На выходе SDAT в ответ на четыре первых импульса будет установлен низкий уровень, а на каждый из 12 последующих — уровень, соответствующий значению очередного разряда результата преобразования, начиная со старшего. Завершают цикл установкой высокого уровня на входе CS.

Для передачи результата преобразования в компьютер применен интерфейс USB, реализуемый с помощью ми­кросхемы FT232BM — преобразователя USB—RS-232. Эта микросхема спо­собна работать в режиме Bit Bang , в котором линии ее порта RS-232 образуют восьмиразрядную параллельную шину данных с индивидуальной настройкой разрядов на ввод или вывод. Программную поддержку режима Bit Bang в компьютере обеспечивает драйвер D2XX.

Чтобы сформировать нужную временную диаграмму сигналов управления АЦП, компьютерная программа заполняет выходной буфер USB байтами, несущими в соответствующих разрядах значения этих сигналов в каждом такте. Для одного цикла работы АЦП требуется сформировать и передать 34 байта (по два на каждый тактовый импульс и еще два для управления сигналом CS). Темп выдачи значений из этих байтов на выходы DTR и RTS пре­образователя интерфейса, с которыми соединены входы CS и SCLK АЦП, зависит от настройки внутреннего синтезатора тактовой частоты преобразователя. Наст Настройку изменяют командами от компьютера, регулируя таким образом скорость работы АЦП, а вместе с ней и частоту дискретизации входного сигнала.

Последовательный выход АЦП соединен с входом CTS преобразователя интерфейса, благодаря чему результаты работы АЦП поступают в буфер преобразователя интерфейса, а из него по USB — в компьютер. В связи с особенностями протокола обмена по USB передача информации в компьютер происходит с довольно большой, а главное, непредсказуемой задержкой. Чтобы решить проблему, на вход DSR преобразователя интерфейса подан тот же сигнал, что и на вход CS АЦП. Получая информацию об уровнях на входе CS и на выходе SDAT АЦП одновременно, компьютерная программа имеет возможность найти в полученной последовательности начало и конец каждого цикла преобразования и правильно декодировать его результат.

В приставке реализовано важное преимущество интерфейса USB — как уже сказано, ей не требуется отдельный источник питания. Напряжение +5 В поступает на микросхемы с контакта 1 розетки XS1 через развязывающие LC-и RC- фильтры. Напряжение -5 В, необходимое для питания ОУ DA1, получено с помощью преобразователя напряжения DC-101 фирмы YCL. Аналогичный можно найти на плате неисправного компьютерного адаптера сети Ethernet, предназначенного для связи по коаксиальному кабелю. Пригодны и другие модули преобразователей постоянного напряжения 5 В в 5...9 В с гальванической развязкой.

Приставка собирается на макетной плате. На плате распологаются все элементы, за исключением разъема XW1. Монтаж выполнен проводом МГТФ. Выводы малогабаритных микросхем соединены с контактными площадками макетной платы отрезками луженого провода диаметром 0,2 мм.

Коаксиальный разъем XW1 — СР-50-73ФВ (BNC Jack). XS1 — розетка USB-B для печатного монтажа, ее стандартным кабелем соединяют с одной из розеток USB-A компьютера.

Подключенную к разъему USB приставку операционная система компьютера автоматически опознает как новое USB-устройство. Прочитав его идентификаторы (микросхеме FT232BM по умолчанию присвоены

VID=0x0403 и РЮ=0х6001), она пытается найти в памяти компьютера и установить подходящий программный драйвер устройства. Если сделать это самостоятельно ей не удалось, система попросит пользователя указать путь к папке, в которой находятся необходимые файлы. Последние версии требующегося для работы приставки драйвера D2XX для различных операционных систем находятся на интернет-странице [8].

Разработанная для работы с приставкой программа USCOPE, основное окно которой показано на рисунке8, позволяет измерить среднее значение входного напряжения АЦП и наблюдать осциллограмму поданного на его вход сигнала.

Рисунок 7 – Вид основного окна программы UScore

Кнопками на панели TIME/DIV- Scope изменяют скорость "развертки", а на панели INPUT DIVIDER устанавливают соответствие показаний вольтметра измеряемому напряжению при использовании щупа-делителя.

Органами управления, расположенными на панели Syncro, выбирают вид синхронизации развертки и управляют условиями ее запуска. Синхронизация реализована программно и основана на поиске отсчета, удовлетворяющего заданным условиям, в буфере принятых от АЦП данных. Выбрав в меню "File" пункт "Save Image...", можно записать наблюдаемую осциллограмму в графический файл.

В режиме регистратора, в который входят, нажав на панели TIME/DIV— Recorder одну из кнопок, задающих период повторения отсчетов в секундах, программа записывает принятую от АЦП информацию в текстовый файл практически неограниченного размера. По умолчанию будет создан файл data.txt, но это имя можно изменить, выбрав в меню "File" пункт "Save Data As...".

В окне Options, открывающемся при выборе одноименного пункта главного меню, можно задать Device ID — имя, по которому программа ищет пристав­ку АЦП в списке подключенных к компьютеру устройств. Оно должно совпасть с заданным при установке драйвера, по умолчанию — "USB <-> Serial".

В том же окне можно ввести число, корректирующее ноль шкалы напряжения. Обычно его подбирают таким, чтобы при замкнутом входе приставки показания цифрового табло в правой верхней части главного окна стали нулевыми.

Кнопки Power ON/OFF служат для логического включения и выключения АЦП. При отключении приставки от компьютера программа автоматически переходит в режим OFF.

При пользовании приставкой следует помнить, что вход осциллографа не изолирован от компьютера. Измерения в цепях, непосредственно связанных с питающей сетью, необходимо производить с помощью разделительного трансформатора.