Компьютер в лаборатории. Общие положения.

Компьютер в лаборатории. Общие положения.

  Современная измерительная аппаратура давно срослась с цифровыми и процессорными средствами управления и обработки информации. Стрелочные указатели уже становятся нонсенсом даже в дешевых бытовых приборах. Аналитическое оборудование все чаще подключается к обычным ПК через специальные платы-адаптеры. Таким образом, используются интерфейсы и возможности программ приложений, которые можно модернизировать и наращивать без замены основных измерительных блоков, плюс вычислительная мощь настольного компьютера.

  Кроме того, и расширение возможностей обычного компьютера возможно за счет разнообразных программно-аппаратных средств, - специальных плат расширения, содержащих измерительные АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). И компьютер очень легко превращается в аналитический прибор, к примеру, - спектроанализатор, осциллограф, частотомер: , как и во многое другое. Подобные средства для модернизации компьютеров выпускаются многими фирмами. Однако цена и узконаправленная специфика не делают это оборудование распространенным в наших условиях.

  Но зачем далеко ходить? Оказывается, простой ПК в своей конструкции уже содержит средства, которые с некоторыми ограничениями способны превратить его в тот же осциллограф, спектроанализатор, частотомер или генератор импульсов. Согласитесь, уже немало. К тому же делаются все эти превращения только с помощью специальных программ, которые к тому же совершенно бесплатны и каждый желающий может их скачать в Интернете.

  Вы, наверное, зададитесь логичным вопросом - как же в измерениях можно обойтись без АЦП и ЦАП? Никак нельзя. Но ведь и то и другое присутствует почти в каждом компьютере, правда, называется по другому - звуковая карта. А чем не АЦП/ЦАП, скажите, пожалуйста? Это уже давно поняли те, кто написал для нее массу программ, не имеющих никакого отношения к воспроизведению музыки. Ведь обычная звуковая плата ПК способна воспринимать и преобразовывать сигнал сложной формы в пределах звуковой частоты и амплитудой до 2В в цифровую форму со входа LINE-IN или же с микрофона. Возможно и обратное преобразование, - на выход LINE-OUT (Speakers). Таким образом, вы можете работать с любым сигналом до 20 кГц, а то и выше, в зависимости от звуковой платы. Максимальный предел уровня входного напряжения 0,5-2 В тоже не составляет проблемы, - примитивный делитель напряжения на резисторах собирается и калибруется за 15 минут. Вот на таких-то нехитрых принципах и строятся программное обеспечение: осциллографы, осциллоскопы, спектроанализаторы, частотомеры и, наконец, генераторы импульсов всевозможной формы. Такие программы эмулируют на экране компьютера работу привычных для нас приборов, естественно со своей спецификой и в пределах частотного диапазона вашей звуковой платы.

  Как это работает? Для пользователя все выглядит очень просто. Запускаем программу, в большинстве случаев такое ПО не нужно даже инсталлировать. На экране монитора появляется изображение осциллографа: с характерным для этих приборов экраном с координатной сеткой, тут же и панель управления с кнопками, движками и регуляторами, тоже часто копирующими вид и форму таковых с настоящих - аппаратных осциллографов. Кроме того, в программных осциллографах могут присутствовать дополнительные возможности, как, например, возможность сохранения исследуемого спектра в памяти, плавное и автоматическое масштабирование изображения сигнала и т.д. Но, конечно же, есть и свои недостатки.

  Как подключиться к звуковой карте? Здесь нет ничего сложного - к гнезду LINE-IN, с помощью соответствующего штекера. Типичная звуковая плата имеет на панельке всего три гнезда: LINE-IN, MIC, LINE-OUT (Speakers), соответственно линейный вход, микрофон, выход для колонок или наушников. Конструкция всех гнезд одинакова, соответственно и штекеры для всех идут одни и те же. Программа осциллограф будет работать и отображать спектр и в том случае если снимается звуковой сигнал с помощью микрофона, подключенного к своему входу. Более того, большинство программных осциллографов, спектроанализаторов и частотомеров нормально функционируют, если в это же время на выход звуковой платы LINE-OUT выводится какой-то другой сигнал с помощью другой программы, пусть даже музыка. Таким образом, на одном и том же компьютере можно задавать сигнал, скажем с помощью программы генератора, и тут же его контролировать осциллографом или анализатором спектра.

  При подключении сигнала к звуковой плате следует соблюдать некоторые предосторожности, не допуская превышения амплитуды выше 2 В, что чревато последствиями, такими как выходом устройства из строя. Хотя для корректных измерений уровень сигнала должен быть гораздо ниже от максимально допустимого значения, что так же определяется типом звуковой карты. Например, при использовании популярной недорогой платы на чипе Yamaha 724 нормально воспринимается сигнал с амплитудой не выше 0,5 В, при превышении этого значения пики сигнала на осциллографе ПК выглядят обрезанными (рис.1). Поэтому для согласования подаваемого сигнала со входом звуковой карты потребуется собрать простой делитель напряжения (рис.2).

  Резисторы подбираются так, чтобы сопротивление R3 было ниже входного сопротивление вашей звуковой карты, оно может составлять значение порядка 20 кОм. Подстроечным резистором напряжение на входе выставляется на нужном уровне, стабилитроны подбираются на напряжения менее 2 В, скажем КС119А - 1,9 В. В случае превышения напряжения сигнала на входе звуковой карты (на резисторе R3) выше нормы, сработает защита - начнется пробой стабилитронов и напряжение не поднимется выше  1,9 В. Можно использовать и другие типы стабилитронов на напряжение 1-1.8 В, но ставить их следует обязательно, иначе вы рискуете своим звуковым входом. Разводка штекера для звуковой платы показана на (рис.3).

  Так как звуковая карта не является полноценным АЦП, то измерять подаваемую на него амплитуду входного сигнала это устройство на аппаратном уровне не в состоянии. Тем более что сигнал сначала проходит через делитель напряжения на резисторах, к тому же еще нужно учитывать внутреннее сопротивление звуковой платы, которое достаточно низко, как для полноценного вольтметра. Однако шкалы некоторых программ-осциллографов имеют типичную градуировку <вольт/дел>, а так же средства для калибровки уровня сигнала, чтобы хоть как-то подстроить шкалу на панели под действительное значение напряжения. Естественно, так как разумный уровень входного сигнала составляет где-то 0,5 В, калибровка программы возможна только в связке с калибровкой внешнего делителя напряжения с помощью построечного резистора. Таким образом, если мы знаем амплитуду подаваемого на вход сигнала, то используя регулировки с помощью стандартного микшера Windows, внутренних настроек программы-осциллографа и настройки делителя напряжения, шкалу можно откалибровать так чтобы она соответствовала действительным значениям амплитуды сигнала в дальнейшем, хотя здесь вряд ли стоит надеяться на высокую точность.

  Прежде чем начать работу с линейным входом звуковой карты, проверьте, включен ли в микшере Windows этот канал (Регулятор громкости\Параметры\Свойства\Запись\Line\Ok\Recording Control). В этой статье нами будет рассмотрено несколько программ: осциллографы, спектроанализаторы, частотомер и генераторы колебаний всевозможной формы. Это ПО работает под управлением ОС Windows95/98 и для них подойдут компьютеры с довольно-таки посредственными, на сегодняшний день, параметрами.

  Для более качественной работы осциллографа, анализатора и генератора на недорогих современных звуковых картах следует стараться задавать частоту дискретизации в 48 кГц (а не 44,1), поскольку именно она является внутренней частотой современных AC'97-кодеков и используется для дальнейшей передачи данных. Это позволит избежать возможных искажений от передискретизации.
Источник: shems.h1.ru