ЦИФРОВОЙ ЗАПОМИНАЮЩИЙ ОСЦИЛЛОГРАФ
ЦЗО_01 НА БАЗЕ ПЭВМ ТИПА IBM PC
1. ВВЕДЕНИЕ
Компьютеры в наше время становятся не только вычислительными средствами, они превращаются в универсальные виртуальные измерительные приборы. Устройства на основе персонального компьютера (ПК) – заменят стандартные измерительные приборы: вольтметры, самописцы, осциллографы, магнитографы, спектроанализаторы и другие на систему виртуальных приборов. Такая система будет состоять из компьютера, наличие которого сегодня необходимое условие высококачественных и быстрых измерений, и одной-двух плат сбора данных (ПСД), причем программная часть виртуального прибора может эмулировать переднюю управляющую панель стационарного измерительного устройства. Сама панель, сформированная на экране дисплея, становится панелью управления виртуального прибора. В отличие от реальной панели управления стационарного прибора такая виртуальная панель может быть многократно реконфигурирована в процессе работы. Пользователь виртуального прибора активизирует объект графической панели с помощью «мыши», клавиатуры или прикладной программы.
2. НАЗНАЧЕНИЕ РС. ОПИСАНИЕ НАБОРА РЕШАЕМЫХ ЗАДАЧ.
Назначение: Цифровой запоминающий осциллограф на базе ультрабыстрой платы сбора данных (ПСД) ЛА-н10 и ПК типа IBM PC представляет собой новое направление развития измерительного оборудования. Предназначен для мониторинга (наблюдения), измерения временных и амплитудных параметров, регистрации как случайных (однократных), так и периодических сигналов. Сочетание измерительного устройства и ПК открывает новые возможности, недостижимые автономным устройствам в обработке, сохранении, предоставлении и передаче данных.
3. КРАТКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЗО_01
3.1. Регистрация сигнала.
Параметры входа:
3.1.1. Два однополосных канала.
3.1.2 Входной импеданс: 1МОм & 17пФ.
3.1.3 Диапазоны измеряемых напряжений:
±5В; ±2,5В; ±1В; ±0,5В –модификация ЛА-н10М4
±1В; ±0,5В; ±0,2В; ±0,1В - модификация ЛА-н10М5
3.1.4 Чувствительность - ±1мВ
3.1.5 Защита по входу - ± 12мВ
3.1.6 Открытый или закрытый вход (АС или DC)
3.1.7 Частотный диапазон:
для одиночных сигналов – 50МГц;
для периодических сигналов (-3дБ) – 100МГц;
3.1.8 Частота дискретизации внутренняя от кварцевого генератора:
в одноканальном режиме для первого канала:
(100; 50; 25; … 0,006) МГц
в двухканальном режиме:
(50; 25; 12,5; … 0,003) МГц
Диапазон частот дискретизации задаваемый внешним
источником: 0 – 100 МГц
3.2. Одновременный просмотр всего массива данных на экране
3.3. Установка регулируемых параметров прибора:
- смещение пост. составляющей;
- фронт и уровень синхронизации.
3.4. Синхронизация.
Источник:
по одному из аналоговых каналов;
от внешнего ТТЛ совместимого сигнала;
положительный или отрицательный фронт;
частотный диапазон 100 МГц., Rвх= 1 МОм.
3.5. Сохранение сигнала в памяти:
в одноканальном режиме для первого канала:
64К отсчетов – модификация Б;
256К – модификация А;
в двухканальном режиме:
32К на канал или 128К, соответственно.
3.6. Запись предыстории.
Объем программируется.
3.7. Возможность задания разных частот дискретизации для истории и предыстории.
3.8. Быстрое обновление информации – 20мс, что позваляет использовать данный прибор в качестве обычного осциллографа.
3.9. Система измерительных маркеров.
3.10. Расширение до 16 каналов.
3.11. Программное обеспечение под Windows 3.1; 3.11; 95.
3.12.В комплект поставки входит:
ПСД ЛА – н10, ПО под WIN, ТО и ИЭ два щупа ЛА – HP9100
(1:1; 1:10; земля)
Ниже привожу основные характеристики некоторых ЦЗО
Таблица 3.1.
Сравнительная таблица наиболее распространенных ЦЗО
| Наименование прибора | С1 – 137 | С9 - 28 | DS – 303P | ЦЗО_01 | ЦЗО_02 |
| Полоса пропускания сигнала | 0 – 25МГц | 0 – 100 МГц | 0 – 30 МГц | 0 – 100 МГц | 0 – 200 МГц |
| Количество каналов | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| Частота дискретизации | 1 МГц | 20 МГц | 20 МГц | 100 МГц | 400 МГц |
| Разрядность АЦП | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 |
| Объем памяти | 4 Кбайт | 2 Кбайт | 4 Кбайт | 64 Кбайт (расширяемая до 256 Кбайт) | 512 Кбайт |
4. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА
4.1. Требования к программному обеспечению
Значительный скачек в технологии вычислительных средств позволяет в настоящее время осуществлять построение программных комплексов измерения и анализа временных параметров сигналов на базе ПЭВМ. Для решения задач измерения и анализа параметров и структуры сигнала можно использовать стандартный персональный компьютер, оснащенный дополнительными периферийными приемо – передающими устройствами.
Для работы такого комплекса необходимо программное обеспечение, позволяющее как обрабатывать сигналы, так и управлять оборудованием в режиме реального времени. Известные к настоящему времени программы такого типа (System View и т.д.) рассчитаны на работу с определенным типом аппаратного обеспечения, и для их корректного выполнения необходима работа устаревших однозначных операционных систем. Такие программы, как правило, узкоспециализированы, ограничены лишь приемом сигналов и не имеют функций, позволяющих производить анализ и обработку его параметров.
Известные программы другого типа ( Pspice и др.) , предназначенные для всестороннего анализа радиотехнических систем и сигналов, не позволяют работать с аппаратным обеспечением и не обеспечивают анализ в режиме реального времени. Добиться приемлимой скорости работы не удается, даже применив наиболее мощные процессоры Pentium II с тактовой частотой 450МГц. Важным недостатком является и то, что в них либо отсутствует, либо весьма примитивно представлена обработка в частотной области.
Таким образом, актуальной задачей является разработка программного обеспечения с максимальным быстродействием выполнения основных математических операций, обеспечением пользователя необходимым набором инструментов, позволяющим производить анализ и обработку сигналов как в частотной, так и во временной области. При этом необходимо обеспечить также совместную работу программного обеспечения и дополнительных аппаратных устройств ( АЦП, ЦАП блоков спецпроцессорной обработки сигналов ), а также скомпоновать модули программы в один пакет, обладающий максимальным удобством для пользователя.
Как известно, получить максимально быстрый машинный код можно, лишь используя язык программирования, допускающий непосредственное управление процессором. С учетом этого при разработке программного обеспечения необходимо ориентироваться на определенные семейства процессоров, например, семейства Pentium фирмы Intel, поскольку они наиболее распространены и в настоящее время вполне доступны.
Современные многозадачные ОС, такие, как Windows’95 и Windows NT, предоставляют пользователям удобный и простой интерфейс. В то же время разработка программ описываемого типа для таких систем весьма затруднительна. Необходимо максимально использовать функции ядра системы Windows, а также способы создания многопоточных программ, применение различных режимов синхронизации. В результате недостатки многозадачности, создающие определенные сложности при работе программ в режиме реального времени, могут быть обращены в достоинства. В программе возможно оптимальное построение потоков обработки данных, что обеспечивает высокое быстродействие даже при работе на одном компьютере нескольких прикладных программ.
При написании программного обеспечения необходимо использовать рекомендации фирмы Intel, на основании которых проводится оптимизация машинного кода. При этом все функции обработки данных пишутся на языке низкого уровня Ассемблер. Перечислим несколько принципов оптимизации.
Определенное размещение команд, а именно, правильное чередование команд обработки чисел с плавающей точкой и команд обработки целочисленных значений заставляют процессор оптимально использовать внутренний кэш и конвейерные потоки. За счет этого в ряде функций получен коэффициент «команды/такты» меньше единицы.
В программе активно используется математический сопроцессор, обрабатывающий числа с плавающей десятичной точкой. Как известно, он имеет стек, состоящий из 8 регистров. Оптимальное чередование математических команд-инструкций позволяет наиболее выгодно использовать этот стек. Обращение к регистрам стека происходит на внутренней частоте процессора, которая, как правило, превышает частоту шины компьютера, обеспечивающую работу с оперативной памятью.
Многие функции требуют циклической обработки данных. Грамотное планирование использования целочисленных регистров процессора, размещение в них наиболее часто используемых переменных также приводит к значительному повышению скорости вычислений.
Если программа определяет, что процессор оборудован технологией ММХ, то она активно использует все преимущества этой технологии.
При разработке использованы и другие способы оптимизации машинного кода. В качестве примера приведем следующие полученные результаты. Функции прямого и обратного преобразований Фурье выполняются на процессоре Pentium с частотой 166 МГц за 0,5 мс, что вдвое быстрее, чем библиотечные функции, распространяемые по сети Internet, в том числе и фирмой Intel. Работа функций, выполняющих циклическое суммирование или перемножение, осуществляется более чем в два раза быстрее, чем самые скоростные аналоги, выполненные по рекомендациям фирмы Intel.[4]