WiFiScope – универсальный инструмент эпохи Индустрии 4.0

О компании TiePie engineering

Основанная в 1987 году компания TiePie engineering из Нидерландов является сегодня признанным производителем высококачественных компьютеров и инновационного измерительного оборудования. Она разрабатывает USB-осциллографы и функциональные генераторы сигналов произвольной формы, анализаторы спектра, анализаторы протоколов, регистраторы данных и мультиметры. Продукты TiePie отличают уникальные функции контроля соединений в реальном времени SureConnect, защиты SafeGround и объединения нескольких приборов на основе CMI-шины TiePie (Combine Multiple Instruments – множественное объединение инструментов). Компактные осциллографы, функциональные генераторы и другие устройства TiePie повсеместно используются для решения самых разных задач, среди которых автоматизация промышленных процессов, испытания и измерения в автомобилестроении, сервисное обслуживание, медицина, научно-исследовательская и учебная деятельность. Статьи о профессиональных USB-осциллографах этой компании уже публиковались в журнале «СТА», и сегодня мы продолжаем тему рассказом о новинке – осциллографах серии WiFiScope.

Осциллограф + Wi-Fi

Как можно догадаться из названия серии, новые осциллографы оснащены интерфейсом Wi-Fi и могут быть подключены к сети Ethernet (LAN, Wi-Fi или WAN), при этом сохранена и возможность соединения с компьютером посредством портов USB 2.0/3.0. Благодаря добавлению беспроводной функциональности эти приборы на базе ПК предоставляют пользователю гораздо больше свободы для выполнения измерений (рис. 1). 

Встроенный в прибор аккумулятор делает WiFiScope полностью автономным и позволяет выполнять беспроводные измерения там, где нет возможности подключить осциллограф к источнику питания. Таким образом, с помощью WAN-соединения и встроенного аккумулятора гарантируется отличная гальваническая изоляция и передача результатов измерений на любые расстояния по всему миру. Специальных знаний по сетевым коммуникациям для пользования прибором не требуется: мультиканальное ПО выполняет обзор доступных инструментов, подключённых по сети Ethernet и по USB. Пользователю остаётся лишь выбрать нужный прибор из списка доступных и начать измерения.

Итак, Wi-Fi-осциллографы дают следующие преимущества:

• полностью беспроводные измерения через Wi-Fi с гальванической изоляцией благодаря встроенному аккумулятору;

• возможны мобильные измерения, например, на транспортных системах и движущихся установках;

• благодаря сбору данных через LAN и WAN пользователям доступны удалённые измерения на больших расстояниях;

• поддерживается непрерывный высокоскоростной сбор данных в реальном времени как по Wi-Fi, так и по LAN/WAN;

• USB-измерения для автономных приложений и высокоскоростного сбора данных до 200 Мсэмпл/с.

WiFiScope обеспечивает настолько прозрачную работу в сети, что пользователь взаимодействует с подключённым к Ethernet прибором как с соединённым непосредственно с компьютером. Все аппаратные и программные функции осциллографа, анализатора спектра, регистратора данных и вольтметра остаются доступными через сеть, как при локальном подключении по USB. Сетевая функциональность открывает широкие двери для решения ранее трудно реализуемых задач по измерению и тестированию, например, по удалённым измерениям, измерению в небезопасных или некомфортных для человека условиях, измерениям на движущихся объектах или считыванию показаний приборов, разнесённых в пространстве на большие расстояния. Осциллограф Wi-Fi теперь можно использовать там, где раньше было проблематично разместить полнофункциональную измерительную установку, поскольку компактная измерительная часть отделена от блока обработки полученных данных. С помощью Wi-Fi-осциллографа этой серии можно осуществлять непрерывный сбор данных в реальном времени со скоростью 5 Мсэмпл/с и с разрешением от 8 до 16 бит. Через соединения LAN/WAN достигается непрерывная скорость передачи данных в реальном времени 20 Мсэмпл/с с разрешением 8–16 бит. При работе через USB-порт скорость непрерывного сбора данных в реальном времени при том же разрешении возрастает до 200 Мсэмпл/с.

Большое преимущество WiFiScope заключается в том, что при его работе от встроенного источника питания невозможно образование контуров заземления. В традиционных измерительных системах контуры заземления вызывают множество проблем, приводящих в итоге к ненадёжным результатам измерений. WiFiScope благодаря отсутствию контуров заземления позволяет проводить дистанционные измерения на больших расстояниях без влияния на результаты возможных утечек на землю.

Надо отметить, что WiFiScope отличается прочной конструкцией. Спереди и сзади его корпус оснащён резиновыми протекторами, помогающими поглощать удары и защищающими WiFiScope от механических повреждений. Кроме того, резиновые протекторы предотвращают скольжение прибора.

С помощью WiFiScope WS5 и WS6, объединённых соединительными кабелями, можно легко получить 6-канальный осциллограф с 14-битным разрешением при максимальной частоте дискретизации 100 Мсэмпл/с, для чего не потребуется никаких специальных программных или аппаратных модификаций (рис. 2).

На данный момент компания TiePie предлагает две базовые модели сетевых осциллографов с беспроводным доступом в Интернет: WiFiScope WS5 (рис. 3, табл. 1) и WiFiScope WS6 (рис. 4, табл. 2).

Программное обеспечение

Многоканальные осциллографы WiFiScope WS6 и WiFiScope WS5 в сочетании с бесплатным программным обеспечением превратят персональный компьютер в осциллограф с высоким разрешением, прецизионный анализатор спектра, высокопроизводительный мультиметр, очень эффективный регистратор данных и всесторонний анализатор протоколов (рис. 5). 

Многоканальное программное обеспечение осциллографа предлагает возможности комплексного анализа данных с использованием многих настраиваемых пользователем методов обработки данных. Имеются блоки ввода-вывода, демонстрирующие результаты анализа в виде графиков, таблиц и/или отображения счётчиков. Трудоёмкие сложные настройки приборов больше не потребуются: пользователь просто выбирает требуемую задачу измерения с помощью всего лишь нескольких щелчков мыши в диалоговом окне, дающем доступ к более чем семи сотням различных быстрых настроек программного инструмента. Каждая быстрая настройка содержит все необходимые настройки прибора, а также примеры сигналов и справочную информацию о том, как подключить прибор.

Помимо этого, пользователям доступны полный комплект разработки программного обеспечения (SDK) для написания собственного ПО для сбора данных на базе ПК, а также библиотека примеров программного кода на C, C++, C#, Python, Matlab, Node.js и Visual Basic.NET. Собственное программное обеспечение для сбора данных, созданное ранее для моделей Handyscope HS5 и Handyscope HS6 DIFF, пользователи смогут применять для WiFiScope WS5 и WiFiScope WS6. Разработка ПО для передачи данных в систему по USB и беспроводному каналу Wi-Fi не имеет никаких особенностей.

Развитие линейки приборов

Первый и пока единственный в отрасли осциллограф с дифференциальными входами и Wi-Fi-интерфейсом стал логичным плодом эволюции описанных ранее приборов. Таким образом, дифференциальные осциллографы также обеспечивают беспроводной доступ в Интернет в реальном времени и работу через USB 2.0/3.0. Встроенный аккумулятор даёт возможность WiFiScope выполнять полностью беспроводные дифференциальные измерения. Типичными областями применения дифференциальных осциллографов являются измерения на последовательных шинах связи, измерения режимов переключения источников питания, исследование преобразователей частоты и автомобильного оборудования. Благодаря Wi-Fi-соединениям электрические, физические, механические и акустические сигналы теперь можно измерять удалённо и с высокой скоростью непрерывного сбора данных в реальном времени. Все базовые параметры скорости и разрешения оцифровки у дифференциальных моделей совпадают с аналогичными параметрами соответствующих моделей без дифференциальных входов.

TiePie engineering теперь предлагает два новых дифференциальных сетевых осциллографа Wi-Fi: WiFiScope WS4 DIFF и WiFiScope WS6 DIFF (табл. 3 и 4).

Инструмент для точных измерений

Приборы TiePie engineering WiFiScope WS6 DIFF, WiFiScope WS6, WiFiScope WS5, Handyscope HS6 DIFF и Handy­scope HS5 и ATS610004DW-XMSG, ATS605004DW-XMS, ATS610004D-XMSG и ATS605004D-XMS – это осциллографы высокого разрешения. Они позволяют проводить измерения с разрешением 14 и 16 бит. Разрешение 16 бит означает, что полный диапазон входного сигнала делится на уровни 2¹⁶ = 65 536 уровней. Это деление называется квантованием. Измеренный с помощью одного из этих осциллографов сигнал имеет в 256 раз бóльшее разрешение, чем многие автономные осциллографы, которые обычно имеют разрешение 8 или 9 бит (8-битовое разрешение означает 2⁸ = 256 уровней квантования).

Когда входной диапазон осциллографа высокого разрешения TiePie engineering установлен на 200 мВ, его полный входной диапазон простирается от –200 до 200 мВ и составляет 400 мВ. При измерении с разрешением 16 бит один квант измерения напряжения составляет 0,4 В/65 536 = 6,1 мкВ. У стандартного осциллографа с 8-битным разрешением квант измерения напряжения составляет 0,4 В/256 = 1,56 мВ. Если 8-битный стандартный осциллограф имеет входной диапазон 1 мВ/деление, то разрешение напряжения составляет 0,008 В/256 = 31,25 мкВ. Таким образом, инженерный осциллограф WiFiScope, имеющий в своём входном диапазоне 50 мВ/деление разрешение по напряжению 6,1 мкВ, по этому параметру более чем в 5 раз лучше стандартного.

Благодаря бóльшему количеству уровней квантования и низкой погрешности квантования прецизионные осциллографы TiePie engineering позволяют измерять сигналы с гораздо лучшей детализацией. Для отображения сигнала, измеренного с помощью одного из осциллографов TiePie, с тем же уровнем детализации, что и у автономных осциллографов, дисплей должен быть в 256 раз больше.

Просмотр сигналов на 24-дюймовом мониторе вместо 10-дюймового экрана прибора сразу же даёт детальное представление о сигнале: становятся видны самые маленькие отклонения, и при этом масштаб сигнала можно ещё увеличить для выявления дополнительных деталей.

На рис. 6 показаны два дисплея, отображающие измерение одного и того же сигнала. 

Размер дисплея слева соответствует размеру экрана автономного осциллографа с 10-дюймовым дисплеем и 8-битным разрешением. Дисплей справа соответствует развёрнутому на стандартном 24-дюймовом экране ПК окну ПО TiePie engineering при 16-битном разрешении. Видно, что сигнал на правом дисплее выявляет гораздо больше деталей, чем на левом, даже без дополнительного масштабирования.

При увеличении в 4 раза фрагмента сигнала 8-битный стандартный осциллограф с небольшим экраном (слева) всё равно не показывает больше деталей. Увеличив масштаб в те же 4 раза на экране TiePie engineering, видим скрытые особенности сигнала.

Высокое разрешение осциллографов TiePie engineering и неограниченный зум многоканального ПО позволяют увеличить масштаб до милливольтового уровня. На рис. 7 показано измерение синусоидальной волны 2 мВ, выполненное при установленном входном диапазоне 200 мВ. 

Затем сигнал был увеличен и представлен в масштабе 8 мВ, при котором становится видно множество деталей. Осциллографы высокого разрешения TiePie engineering обеспечивают в 256 раз большее разрешение, чем стандартный осциллограф. Это даёт максимально детализированные измерения, которые обеспечивают хорошее представление о ваших сигналах. При этом осциллограф TiePie engineering отличает низкая погрешность измерений – от 4 до 12 раз лучше, чем у стандартного осциллографа. Само по себе разрешение осциллографа в основном определяет лишь уровень детализации результатов измерений, но мало что говорит о точности работы осциллографа. Погрешность осциллографа показывает, насколько измеряемая величина может отличаться от истинного значения, сколь велика доля неопределённости в измерении.

Погрешность определяется в процентах от полного диапазона входной шкалы. Когда осциллограф установлен на входной диапазон 20 В, то его полный входной диапазон составляет от –20 до 20 В и охватывает 40 В. Спецификация погрешности 1% означает, что измеренное значение по отношению к фактическому может отклоняться на 1% от 40 В. Кроме осциллографов WiFiScope WS6 DIFF, WiFiScope WS6, WiFiScope WS5, Handyscope HS6 DIFF и Handy­scope HS5 и ATS610004DW-XMSG, ATS605004DW-XMS, ATS610004D-XMSG и ATS605004D-XMS в линейке TiePie engineering также имеются специальные высокоточные осциллографы. Высокоточные осциллографы TiePie engineering имеют погрешность ±0,2% (типичное значение ±0,1) или ±0,25% (в зависимости от модели) от полного входного диапазона. Таким образом, измерение сигнала одним из этих осциллографов в 4–12 раз более точное, чем большинством автономных осциллографов, которые обычно имеют погрешность от ±1 до ±3%. Чтобы проиллюстрировать, что это означает на практике, приведём пример.

Предположим, что измеряется напряжение постоянного тока и область измерения сигнала составляет 20 В. На экране отображается измеренное значение 12 000 В. Истинное значение лежит в полосе вокруг этого измеренного значения. Ширина этой полосы определяется спецификацией погрешности осциллографа. При погрешности 0,2% истинное значение находится между 11,92 и 12,08 В; при погрешности 1% истинное значение находится между 11,6 и 12,4 В; при погрешности 3% истинное значение находится между 10,8 и 13,2 В.

На рис. 8 это проиллюстрировано осциллограммами. 

График слева показывает измеренный сигнал постоянного тока 12 В, отмасштабированный в диапазоне от 10 до 14 В (от –20 до 20 В). Область, ограниченная светло-зелёными линиями, указывает на диапазон, в котором находится фактическое значение, когда осциллограф имеет погрешность 0,2%. Область, ограниченная оранжевыми линиями, указывает на диапазон, в котором фактическое значение лежит, когда прибор имеет погрешность 1%. Область, ограниченная красными линиями, указывает на диапазон, в котором находится фактическое значение, когда погрешность прибора составляет 3%. График справа показывает немасштабированный сигнал.

Перед тем как покинуть завод, инженерные инструменты TiePie настраиваются и калибруются. Настройка и калибровка производятся с применением специальных калибровочных систем, состоящих из компьютера и набора управляемых им калибровочных генераторов, мультиметров, переключающих матриц и специального программного обеспечения. Из-за старения в процессе эксплуатации параметры используемых в осциллографе электронных компонентов могут постепенно изменяться, что приводит к снижению точности показаний прибора. Чтобы сохранить осциллограф TiePie в хорошем рабочем состоянии, предусмотрена его повторная калибровка и перенастройка. При повторной калибровке измеренные значения сравниваются с известными эталонными величинами, и проверяется, лежит ли погрешность прибора в заявленных пределах. Если обнаруживается, что погрешность не соответствует техническим требованиям, прибор повторно настраивается, что снова приводит его в соответствие с требуемыми характеристиками точности. Чтобы обеспечить правильную перенастройку и калибровку, приборы должны быть отправлены обратно в TiePie engineering.

Заключение

Многие технические решения (например, подробно описанные в наших предыдущих статьях технологии SafeGround и SureConnect, облегчающие и делающие безопасной работу с приборами) являются ноу-хау инженеров компании. Есть своя изюминка и у WiFiScope. Благодаря встроенному аккумулятору осциллографы этой серии могут автономно работать в течение нескольких часов. Кроме того, на основе аккумуляторной батареи реализована функциональность ИБП, что позволяет избежать потерь измерений при перебоях в электропитании.

Надо отметить также, что высокое качество и уникальная функциональность приборов компании TiePie engineering предлагаются за вполне разумные деньги. Любую дополнительную информацию вы можете получить, обратившись к специалистам компании ПРОСОФТ – официального представителя и дистрибьютора продукции TiePie engineering в России. ●

Статья подготовлена по материалам компании TiePie engineering.

E-mail: textoed@gmail.com