Miernictwo
M
i
e
r
n
i
c
t
w
o
Systemy pomiarowe
 sprzęt
W poprzednich odcinkach z cyklu Miernictwo Modułowe systemy pomiarowe znane są od
(EdW 6/97 i 8/97) omówiono oscyloskopy cyfro- wielu lat. Swego czasu popularny był system CA-
CZ
ŚĆ 1
C
Z


Ś
Ć
1
we. Przedstawiona tam idea (zamiany przebiegu MAC, opracowany pierwotnie dla urządzeń techni-
analogowego na postać cyfrową) nasuwa pyta- ki jądrowej (zdefiniowany normami w 1966). Dziś
nie, czy do wszelkiego rodzaju pomiarów można CAMAC jest zdecydowanym przeżytkiem.
w jeszcze szerszym zakresie wykorzystać tech-
nikę cyfrową oraz komputery. Obecnie coraz GPIB
częściej przy pomiarach wykorzystuje się kom- Nie stał się przeżytkiem opracowany w roku
putery. Jest to trend wyraz
nie nasilający się 1965 przez firmę Hewlett-Packard system interfej-
z upływem czasu. su dla przyrządów pomiarowych, zwany pierwotnie
Jeśli w nowoczesnym oscyloskopie badany HP-IB (Hewlett-Packard Interface Bus). Interfejs
przebieg jest zapamiętany w pamięci półprzewod- ten wykorzystywał kilkanaście linii (żył kabla) i po-
nikowej, to nic nie stoi na przeszkodzie, by te infor- zwalał przesyłać informacje między przyrządami
macje przesłać do komputera, na przykład do dal- pomiarowymi i kontrolerem (komputerem) z dość
szej analizy, porównania, obróbki czy choćby dla dużą szybkością do 1MB/s na odległość do 20m.
dokonania wydruku na drukarce. Prawie wszystkie Interfejs ten nie był przeznaczony dla jakichś spe-
oscyloskopy cyfrowe mają taką możliwość. cjalnych modułowych przyrządów, tylko dla kla-
Przepływ informacji następuje też w drugą stro- sycznych przyrządów wyposażonych w wyświetla-
nę. Przy współczesnych możliwościach technicz- cze i regulatory na płytach czołowych. Taki interfejs
nych przełączanie funkcji i rodzaju pracy przyrządu ogromnie rozszerzał możliwości tych przyrządów
wcale nie musi następować za pomocą przełączni- (generatorów, mierników poziomu, oscyloskopów
ków mechanicznych i potencjometrów umieszczo- czy analizatorów), pozwalając na przykład zestawić
nych na płycie czołowej. Można do tego wykorzys- sterowany komputerem system, automatycznie
tać nowoczesne elementy elektroniczne, i obok testujący urządzenia wytwarzane na taśmie pro-
zwiększenia niezawodności uzyskać możliwość dukcyjnej. Program komputerowy sterował zasila-
zdalnego sterowania wszystkimi nastawami przy- czami i generatorami, a potem zbierał, przetwarzał
rządu. Przy takiej konstrukcji wszystkie nastawy i wyświetlał informacje odbierane z oscyloskopów,
(np. oscyloskopu cyfrowego) można zmieniać za mierników napięcia, prądu i częstotliwości, itp.
pomocą komputera. Główne informacje w sprzęgu GPIB przesyłane są
Nowoczesny przyrząd ma możliwość dwukie- równolegle przez ośmiobitową szynę danych w po-
runkowej komunikacji do i z komputera. W takiej staci kodów ASCII. Dodatkowe informacje syn-
sytuacji nasuwa się pytanie o sens stosowania pły- chronizujące przekazywane są w innych liniach
ty czołowej z regulatorami i wyświetlacza. A
atwo o ściśle określonym przeznaczeniu.
sobie wyobrazić przyrząd pomiarowy (na przykład Interfejs opracowany pierwotnie przez firmę
oscyloskop, multimetr czy miernik częstotliwości), Hewlett-Packard dla własnych przyrządów, po
który nie ma żadnego wyświetlacza ani płyty czoło- pewnym czasie (1975) został zaakceptowany jako
wej z pokrętłami, ma tylko gniazda wejściowe. Wy- światowy standard IEEE-488. W naszym kraju in-
niki wyświetlane są na ekranie komputera. Tak terfejs ten nazywano IEC-625, a dziś w literaturze
samo wybór funkcji i nastaw odbywa się na ekra- często spotyka się skrót GPIB (General Purpose In-
nie komputera, choćby za pomocą myszki. Nie ule- terface Bus). Z czasem standard ten ewoluował
Fot. 1
F
o
t
.
1
ga wątpliwości, że i dziś przyrządy pomiarowe wyposażane są w inter-
 odchudzenie przy- fejs zgodny z zaleceniem IEEE488.2, umożliwiają-
rządów pomiarowych cy jeszcze szybsze przesyłanie danych.
przez usunięcie wy- Obecnie zdecydowana większość  klasy-
świetlacza i regulato- cznych przyrządów pomiarowych wyposażona
rów na płycie czoło- jest w interfejs GPIB.
wej pozwala budo- Tym samym przyrządy te mogą współpracować
wać większe syste- z komputerem. Interfejs GPIB nie może być podłą-
my pomiarowe mniej- czony do szeregowego lub równoległego portu
szym kosztem. Pro- komputera. Komputer musi być wyposażony
wadzi to do moduło- w kartę rozszerzenia z układem pośredniczącym
wej budowy systemu i gniazdem wyjściowym GPIB. Dopiero obecność
pomiarowego. takiej karty oraz odpowiedniego programu umożli-
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98 29
Miernictwo
M
i
e
r
n
i
c
t
w
o
wia współpracę nie tylko z jednym, ale z wieloma przetwornika A/D i obwodów synchronizacji po-
przyrządami pomiarowymi, połączonymi równoleg- zwoliłoby uzyskać doskonały oscyloskop, a przy
F
o
t
o
g
r
a
f
i
a
1
le do jednej szyny GPIB. Fotografia 1 pokazuje kar- tym radykalnie obniżyć koszty. Karta zawierałaby
ty pośredniczące między komputerem a szyną tylko niezbędne obwody do współpracy  ze świa-
GPIB, karty produkcji firmy Hewlett-Packard dla tem zewnętrznym , a zbieranie, przetwarzanie
komputerów PC z magistralą ISA/EISA. i pamiętanie informacji wykonywałby komputer.
Należy podkreślić, że sama karta pełni tylko role Perspektywa jest kusząca. Mimo wszystko po-
pomocniczą  sprzęga komputer z szyną GPIB i da- pularne współczesne karty pomiarowe nie są przy-
lej z przyrządem pomiarowym. Rozwiązanie takie, stosowane do pracy z sygnałami o dużych częstot-
popularne w laboratoriach profesjonalnych, wygod- liwościach. Rzadko spotyka się karty o częstotli-
ne ze względu na możliwość pracy w systemie wości próbkowania (podczas przetwarzania analo-
urządzeń różnych producentów, jest jednak drogie. gowo-cyfrowego) powyżej 1MHz. Znając  osiągi
W ostatnich latach notuje się powolny spadek współczesnych cyfrowych oscyloskopów stacjo-
zainteresowania  klasycznymi urządzeniami po- narnych  pasmo do kilku gigaherców i częstotli-
miarowymi, wzrastającą popularnością cieszą się wość próbkowania miliardy próbek na sekundę 
natomiast urządzenia i systemy  od urodzenia można się spodziewać, że istnieją karty rozszerze-
przewidziane do współpracy w specjalizowanych niowe do komputerów, pełniące rolę oscyloskopu,
systemach pomiarowych, nie mające wyświetla- mające zbliżone parametry. Niestety, tak nie jest.
cza ani regulatorów na płycie czołowej. Jedną z przyczyn jest ogromne  zaśmiecenie
wnętrza komputera przebiegami występującymi
Karty rozszerzenia typu plug-in podczas jego pracy. Należy pamiętać, że w obwo-
Jednym z rozwiązań o rosnącej popularności są dach komputera występują sygnały o częstotliwo-
specjalizowane karty rozszerzeniowe dla kompute- ściach rzędu dziesiątek, a nawey setek megaher-
rów. ców. Powoduje to powstanie silnych zakłóceń
Najprostszym przykładem jest obecna w więk- elektromagnetycznych. Tymczasem precyzyjne
szości współczesnych komputerów karta muzycz- przyrządy pomiarowe muszą być odporne na zakłó-
na. Karta taka zawiera przetwornik analogowo-cyf- cenia. Wymaga to między innymi skutecznego ek-
rowy (A/D), jak i cyfrowo-analogowy (D/A). Możli- ranowania delikatnych obwodów sygnałowych.
wa jest zamiana przebiegów zmiennych na postać Jest to bardzo trudne, czasem wręcz niemożliwe
cyfrową, czyli wykorzystanie karty muzycznej w ro- w przypadku realizacji układu pomiarowego w for-
li oscyloskopu czy miernika napięcia. Karta muzycz- mie typowej karty komputerowej. Występujące
na może być także generatorem przebiegów o do- trudności są jedną z przyczyn wysokich cen dob-
wolnym kształcie, może też sterować napięciem rych kart tego typu.
f
o
t
o
g
r
a
f
i
i
2
r
y
s
u
n
k
u
1
zasilacza. Niestety, typowe karty muzyczne nie są Na fotografii 2 i rysunku 1 pokazano wygląd
projektowane pod kątem zastosowań elektronicz- i schemat blokowy karty AT-MIO-16E-1 firmy Na-
nych i ich przydatność dla elektroników, chcących tional Instruments. Karta przeznaczona jest do
zbudować  oscyloskop na PC-cie są bardzo ogra- komputerów PC z magistralą ISA lub EISA (dostęp-
niczone. Przede wszystkim chodzi o pasmo prze- na jest podobna wersja dla szyny PCI), posiada 16
noszenia, sięgające w karcie muzycznej co najwy- wejść analogowych o maksymalnej częstotliwości
żej do 20kHz. Do tego dochodzą kłopoty z synchro- próbkowania1,25MS/s, rozdzielczości 12 bitów,
nizacją (wyzwalaniem) i niemożnością zmiany czu- programowanym wzmocnieniu (1, 2, 5, 10, 20, 50,
łości wejściowej. 100). Karta posiada też dwa wyjścia analogowe
W literaturze elektronicznej spotyka się czasem o rozdzielczości 12 bitów, osiem dwukierunko-
artykuły dotyczące wykorzystania karty muzycznej, wych wejść/wyjść cyfrowych i dwa liczniki/timery
ale jedynie do analizy sygnałów audio, a nie w roli o pojemności 24 bitów pracujące do częstotliwoś-
oscyloskopu. ci 20MHz. Jedna taka karta dzięki obecności wielu
Profesjonaliści od dość dawna używają kompu- wejść i wyjść umożliwia budowę sporego systemu
terowych kart rozszerzeniowych do zbierania da-
Rys. 1
R
y
s
.
1
nych i do sterowania. W zdecydowanej większości
przypadków są to karty specjalnie projektowane
pod kątem specyficznych potrzeb. Spotyka się kar-
ty o różnych możliwościach, o różnej liczbie wejść
i wyjść analogowych i cyfrowych. Niektóre karty
mogą przetwarzać sygnały analogowe o częstotli-
wościach ponad 1MHz, ale większość przeznaczo-
na jest do pomiaru przebiegów wolnozmiennych.
Często spotyka się karty przeznaczone do współ-
pracy z określonymi z
ródłami sygnałów, na przy-
kład z typowymi czujnikami temperatury Pt100 czy
termoparami. Nierzadko wejścia są odseparowane
galwanicznie, co zdecydowanie zmniejsza wpływ
zakłóceń związanych z przewodem masy. Dla
zmniejszenia zakłóceń, obok wejść niesymetrycz-
nych, wykorzystuje się wejścia symetryczne.
Nie trzeba przekonywać, że umieszczenie na ta-
kiej karcie przełączników (tłumików) wejściowych,
30 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98
Miernictwo
M
i
e
r
n
i
c
t
w
o
i kart nieznanych producentów należy traktować
z dużą ostrożnością.
VXI
W roku 1987 konsorcjum składające się
z głównych producentów sprzętu pomiarowego,
wprowadziło standard modułowej architektury
przyrządów pomiarowych, zwany VXI (czytaj: wi-
eks-aj). Standard ten przeznaczony był pierwotnie
dla przenośnej aparatury, zwłaszcza do celów
wojskowych, ale z czasem zdobył sobie znaczące
Fot. 2
F
o
t
.
2
miejsce także na rynku przemysłowej aparatury
pomiarowej.
pomiarowego. Cena takiej karty jest poza zasię- Urządzenia standardu VXI to niewielkie moduły,
giem hobbystów (ponad 2500 dolarów). Podobna umieszczone we wspólnej obudowie (mainframe).
karta o mniejszej częstotliwości próbkowania Standard VXI bazuje na innym popularnym standar-
wejść analogowych (100kS/s) kosztuje ponad 1000 dzie urządzeń przemysłowych, zwanym VMEbus.
F
o
t
o
g
r
a
f
i
a
3
dolarów. Fotografia 3 pokazuje niewielką obudowę i kilka
W czasopismach zachodnich spotyka się liczne modułów standardu VXI firmy National Instru-
ogłoszenia różnych drobnych firm produkujących ments. Jednym z modułów może być autonomicz-
F
o
t
o
znacznie tańsze karty i przystawki pełniące rolę os- ny sterownik, będący w istocie komputerem. Foto-
g
r
a
f
i
a
4
cyloskopu, pracujące z szybkością kilku MS/s (mi- grafia 4 przedstawia taki komputer o oznaczeniu
lionów próbek na sekundę) lub jeszcze większą. VXIpc-850, wyposażony w procesor Pentium
Najczęściej są to przystawki umieszczane na ze- 166MHz, 16M DRAM, kartę graficzną Trident
wnątrz i sprzęgnięte za pomocą któregoś portu, z 2MB RAM, twardy dysk, napęd dyskietek, itd...
a nie karty umieszczane na płycie głównej kompu- Komputer taki, umieszczony we wspólnej obu-
tera. Póki co, w naszym kraju takie karty i przy- dowie z innymi modułami, współpracuje bezpo-
stawki nie są szerzej znane. Istnieją wprawdzie średnio z monitorem, klawiaturą i myszką. Gdy ta-
opisy samodzielnego wykonania takich kart, jednak kiego komputera nie ma w obudowie, moduły VXI
ich praktyczna przydatność jest co najmniej wątpli- mogą współpracować ze zwykłym komputerem ty-
wa i mają przede wszystkim znaczenie dydaktycz- pu PC, Mac, HP czy innym. Wtedy trzeba zainsta-
ne. Zaprojektowanie bardzo szyb-
Fot. 4
F
o
t
.
4
kiej i precyzyjnej karty tego typu
jest trudne, bo konstruktor (raczej
grupa konstruktorów) musi mieć
duże doświadczenie w kilku dzie-
dzinach elektroniki. Trzeba zapro-
jektować nie tylko układ cyfrowy
i stworzyć oprogramowanie, ale
też opracować część analogową:
zdalnie regulowane tłumiki
i wzmacniacze o szerokim paśmie
przenoszenia.
Dlatego ewentualne ogłosze-
nia prasowe o rewelacyjnych pa-
rametrach i zaskakująco niskich
cenach tego typu przystawek
Fot. 3
F
o
t
.
3
lować w komputerze kartę pośredniczącą między
tym komputerem a urządzeniami standardu VXI.
Urządzenia standardu VXI są czymś pośrednim
między klasycznymi przyrządami pomiarowymi,
a kartami rozszerzeniowymi komputerów. A
ączą
w sobie zalety jednych i drugich. Przy porównywal-
nych możliwościach są tańsze od klasycznych
przyrządów wyposażonych w wyświetlacz i regula-
tory na płycie czołowej. Osiągają też lepsze para-
metry, niż komputerowe karty rozszerzeń.
W następnym odcinku omówiona zostanie bar-
dzo ważna i interesująca kwestia oprogramowania.
(red)
(
r
e
d
)
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98 31