Высокочастотные встраиваемые модули для осциллографов

Высокочастотные встраиваемые модули для осциллографов

Рис. 1 Двухканальный осциллограф, внешнее исполнение

Рынок коммерческих измерительных изделий в нашей стране сегодня довольно велик. Это является положительным фактором для производства соответствующих товаров промышленного назначения.

Высокочастотные встраиваемые модули для осциллографов от ЗАО «Руднев-Шиляев» занимают устойчивые позиции в сфере офисных и промышленных применений. Многоканальные осциллографы нужны для решения многих задач: от исследовательских до эксплуатационных. При этом, в последнем случае, возможно полностью автоматизировать процесс работы оборудования. ЗАО «Руднев-Шиляев» одно из первых стало производить целый ряд измерительных модулей, которые встраивались в пятидюймовые отсеки обычного офисного компьютера. Тем самым, обеспечивалась модульная наращиваемость, гибкость, приемлемая цена и кратчайшее время вывода новых изделий на рынок. С ориентировкой на решение конкретных измерительных задач был создан набор модулей, позволяющий максимально охватить спектр возможных применений. Самым простым является внешний модуль с USB-интерфейсом в формате корпуса 5,25 дюйма для дисковода персонально компьютера (см. рис. 1). Это высокочастотный двухканальный осциллограф с частотой дискретизации 1 ГГц.

Рис. 2 Шестиканальный осциллограф на базе офисного компьютера

На рис. 2 показан пример недорогого офисного шестиканального осциллографа с теми же модулями. Также существуют и модули, поддерживающие интерфейс PCI, и позволяющие создавать удобные офисные и промышленные измерительные системы для 19 дюймовых стоек (см. рис. 3). Высокочастотные встраиваемые модули ЗАО «Руднев-Шиляев» используются не только в составе офисного компьютера. Для осциллографов с числом каналов более восьми применяются корпуса промышленных компьютеров. При этом интерфейс модулей может быть либо PCI, либо USB. Пример построения 32-канального осциллографа показан на рис. 4. Встраиваемые измерительные модули работают синхронно или независимо и имеют необходимый для различных применений входной диапазон напряжений — от 42 дБ (8 разрядов) до 65 дБ (12 разрядов) (см. рис. 5), где КГИ — коэффициент гармонических искажений, определяемый по пяти параметрам, РДД — реальный динамический диапазон, С/Ш — отношение мощности сигнала к мощности шума.

Максимальная частота дискретизации — 2 ГГц. Такую многоканальную встраиваемую систему можно использовать как синхронный анализатор сигналов для самых разных целей. Сбор, обработка и анализ поступающей информации, и даже принятие решения и его выполнение, может осуществляться без участия оператора. Сама задача построения прибора из отдельных модулей не проста. Добиваясь технологичности и надежности всей системы в целом, приходится решать ряд серьезных проблем. Прежде всего, необходимо обеспечить качественное межмодульное соединение. Это, пожалуй, наиболее сложная задача, так как тип соединения зависит от сложности конкретного модуля. Например, в высокочастотных осциллографах ЗАО «Руднев-Шиляев» период частоты дискретизации может быть меньше наносекунды, и для обеспечения синхронной работы всех каналов требуется предпринимать дополнительные меры.

Рис. 3 Промышленный осциллограф в составе измерительного комплекса

Даже, если каждый модуль в отдельности функционирует превосходно, при работе в системе может наблюдаться значительное ухудшение как статических, так и динамических характеристик. Цифровая часть одного модуля может создавать помеху для чувствительного аналогового канала соседнего модуля. Для синхронной работы всех модулей у них должен быть один задающий тактовый генератор. При передаче тактового сигнала от одного модуля к другому возникает разность потенциалов межу общими шинами на разных между общими шинами на разных модулях, создаются «земляные» контуры, которые порождают помехи на входе приемника тактовой частоты, увеличивается фазовый шум, что приводит к ухудшению динамических пара- метров измерительных модулей в составе системы. Решается эта задача с использованием специального модуля синхронизации, который обеспечивает качественный запуск всей системы встраиваемых модулей. Также для надежной работы системы необходима продуманная система охлаждения. Суммарная мощность потребления встраиваемых модулей может превышать 1 кВт. Здесь необходимо не только правильно выбрать мощность используемого блока питания, но и обеспечить необходимую скорость потока и равномерность распределения охлаждающего воздуха. Площадь радиаторов, установленных на каждом модуле, наличие воздушных фильтров на заборных окнах, сопротивление потоку воздуха вносимое жгутами проложенных кабелей, — все это влияет на работу системы охлаждения. Отдельно хотелось бы остановиться на возможности взаимозаменяемости встраиваемых модулей. На этапе проектирования отдельного модуля в конструкцию закладывается некоторая избыточность, позволяющая каждому модулю работать как автономно, так и в составе измерительной системы. Каждый модуль имеет «на борту» встроенную систему диагностики, которая тестирует его наиболее важные узлы. Диагностическая информация запрашивается компьютером с каждого модуля при инициализации системы. При возникновении неполадок, код неисправности и номер модуля, где обнаружена ошибка, отображается на экране компьютера. Это позволяет значительно снизить затраты на обслуживание всего устройства.

рис. 4. 32-канальный осциллограф
на базе промышленного компьютера

Наиболее ответственные системы, рассчитанные на длительную эксплуатацию, комплектуются запасными модулями. Операция замены модуля не требует высокой квалификации обслуживающего персонала. Наличие на рынке встраиваемых систем широкого спектра коммерческих продуктов на базе вышеописанных измерительных встраиваемых модулей — эффективная возможность для решения нестандартных измерительных задач, например, вычисления скоростей движущихся объектов. Для этого необходимо иметь два канала — прямой и квадратурный. Имеющийся офисный или промышленный компьютер произведет необходимые вычисления и представит результат. Незаменимы высокочастотные модули и в задачах прямого преобразования промежуточных частот различных источников сигналов в диапазоне до 1 ГГц. Применение встраиваемых модулей позволяет преобразовывать сигналы, передавать данные в компьютер и определять спектральные характеристики источников сигналов. Описанные измерительные системы на базе компьютера удобны для моделирования при решении нестандартных и несерийных задач. В этом случае можно легко менять начальные условия задач, параметры сбора и обработки информации. Для решения серийных задач система из встраиваемых модулей обеспечит необходимую автоматизацию процедур измерения и, при необходимости, проконтролирует процесс управления объектами, параметры которых анализируются. При этом, программная часть встраиваемой системы может быть быстро адаптирована под особенности решаемой задачи, соответствуя требованиям удобства и простоты использования.

рис. 5 Динамические характеристики 12-разрядного измерительного модуля