Вопрос 3. Компьютерно-измерительные системы

В настоящее время сформировалось новое на­правление в метрологии и электрорадиоизмерительной технике — ком­пьютерно-измерительные системы (КИС), и их разновидность, или на­правление развития — виртуальные (виртуальный — кажущийся) изме­рительные приборы (проще, виртуальные приборы). Компьютерно-измерительная система обязательно включает в себя компьютер, рабо­тающий в режиме реального масштаба времени или, как теперь принято говорить, в режиме on-line.

В последние годы персональные компьютеры используются не только как вычислительные средства, но и как универсальные измерительные приборы. Компьютерно-измерительные системы на основе персонально­го компьютера сегодня заменяют стандартные измерительные приборы (вольтметры, осциллографы, анализаторы спектра, генераторы и пр.) системой виртуальных приборов. Причем ряд этих приборов могут быть активизированы (воспроизведены) на одном персональном компьютере одновременно.

К отличительным особенностям и преимуществам компьютерно-измерительных систем по сравнению с микропроцессорными прибора­ми относятся:

- обширный фонд стандартных прикладных компьютерных про­грамм, доступных для оператора, позволяющий решать широкий круг прикладных задач измерений (исследование и обработка сигналов, сбор данных с датчиков, управление различными промышленными установ­ками и т.д.);

- возможность оперативной передачи данных исследований и изме­рений по локальным и глобальным (например, сети Internet) компью­терным сетям;

- высокоразвитый графический интерфейс пользователя, обеспечи­вающий быстрое освоение взаимодействия с системой;

- возможность использования внутренней и внешней памяти большой емкости;

- возможность составления компьютерных программ для решения конкретных измерительных задач;

- возможность оперативного использования различных устройств до­кументирования результатов измерений.

Структурная схема КИС. В самом общем случае КИС может быть построена двумя способами: с последовательной или параллельной ар­хитектурой.

В КИС с последовательной архитектурой (ее иногда на­зывают централизованной системой) части системы, преобразующие анализируемые сигналы, обрабатывают их в последовательном режиме. Поэтому вся соответствующая электроника размещается на слотах ком­пьютера. Достоинства такой архитектуры построения КИС очевидны благодаря использованию принципа разделения обработки по времени стоимость системы невелика.

В КИС с параллельной архитектурой содержится ряд па­раллельных каналов измерения, и каждый канал имеет собственные узлы преобразования анализируемых сигналов и только процессор компью­тера работает в режиме мультиплексирования (т.е. объединения сигна­лов). Подобный принцип построения КИС позволяет производить оп­тимизацию обработки сигналов в каждом канале независимо. В такой системе преобразование сигналов можно выполнять локально в месте расположения источника исследуемого сигнала, что позволяет переда­вать сигналы от измеряемого объекта в цифровой форме.

На рис. 4 представлена обобщенная структурная схема КИС, от­ражающая как последовательную, так и параллельную архитектуру по­строения.

Рисунок 4 - Обобщенная структурная схема компьютерно-измерительной системы

Взаимодействие между отдельными элементами КИС осуществля­ется с помощью внутренней шины персонального компьютера, к ко­торой подключены как его внешние устройства (дисплей, внешний память, принтер), так и измерительная схема, состоящая из коммута­тора, АЦП и блока образцовых программно управляемых мер напряжения и частоты.

С помощью ЦАП можно вырабатывать управляющие аналоговые сигналы; интерфейсный модуль (ИМ) подключает измерительный при­бор к магистрали приборного интерфейса. Коммутатор устройства обеспечивает подачу аналоговых напряжений с внешних датчиков на узлы системы.

Достаточно простые компьютерно-измерительные схемы могут быть размещены на одной плате персонального компьютера. Существуют и более сложные структуры КИС, в которых в соответствии с решаемой измерительной задачей по установленной программе коммутируются необходимые измерительные элементы, т.е. меняется архитектура построения системы.

Одним из элементов КИС является блок образцовых программно- управляемых мер напряжения и частоты. В качестве встроенных образцовых мер напряжения в КИС чаще всего применяются стабилитроны, тем­пературный коэффициент напряжения которых составляет около 2,5х10 ^-5.

Наиболее эффективным способом стабилизации опорного напряжения является термостатирование блока стабилитронов. Термостат поддерживает температуру элементов около 30°С со стабильностью не менее 0,1°С. Недостатком такой схемы являются достаточно длительный прогрев термостата (до 30 мин), а также большие скачки температуры при включении термостата. Температурные перепады ускоряют процесс старения стабилитронов, а следовательно, снижают их долговременную стабильность.

В настоящее время в КИС имеется возможность учитывать температурную нестабильность элементов программными методами. Для этого в блок стабилитронов вводят датчик температуры, например термистор, и экспериментально определяют зависимость опорного напряжения от тем­пературы. Эту зависимость записывают в ПЗУ компьютера или во внешнюю память. В процессе эксплуатации прибора температура стабилитронов автоматически измеряется и по этой зависимости вводится поправка в величину образцового напряжения. При работе без дополнительного по­догрева значительно возрастает их долговременная стабильность.

Аналогично измеряют и учитывают нестабильность частоты кварцевого генератора — меры частоты: сигналы с датчика температуры воздействуют на варикап, подстраивающий генератор на номинальную частоту. Величина нестабильности частоты кварцевого генератора может быть уменьшена до 10^-8. Кварцевый генератор может использоваться в качестве задающего, если в системе необходим синтезатор частоты с сеткой частот.

В последних разработках КИС предусмотрена возможность определения индивидуальных функций влияния температуры на различные параметры виртуального прибора: дрейф нуля усилителей постоянного тока, сопротив­ление переключателей, коэффициенты передачи различных структурных элементов. Непрерывный контроль температуры блоков позволяет автома­тически корректировать возникающие погрешности измерения.