Rejestrator napięcia USB z funkcją oscyloskopu, analizatora widma i miernika odpowiedzi częstotliwościowej. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki

Encyklopedia radioelektroniki i elektrotechniki / Technologia pomiarowa

Komentarze do artykułu

Sprzętem tego rejestratora jest przetwornik ADC, wyposażony w szybki kanał komunikacji z komputerem poprzez magistralę USB, realizowany za pomocą programowalnego układu logicznego (FPGA). A opracowany przez autora program komputerowy pozwala nie tylko zapisać zdigitalizowany sygnał do pliku, ale także wyświetlić jego oscylogram, widmo, a nawet zmierzyć odpowiedź amplitudowo-częstotliwościową (AFC) filtru lub innego urządzenia liniowego, wejście z których zasilany jest sygnałem testowym z generatora wbudowanego w rejestrator.

W rozpatrywanym rejestratorze próbki badanego sygnału, które przetwornik ADC pobiera z częstotliwością 960 kHz, podawane są na wejście układu FPGA, który przetwarza kod równoległy ADC na kod szeregowy. W każdej grupie pięciu ośmiobitowych bajtów przesyłanych dalej do konwertera UART-USB układ FPGA umieszcza cztery dziesięciobitowe kody ADC. Następnie informacje są przesyłane przez USB do komputera w celu przetworzenia i przechowywania. Protokół komunikacji z komputerem oraz pozostałe funkcje rejestratora realizowane są przy pomocy mikrokontrolera. Układ FPGA i mikrokontroler programuje się poprzez ten sam konwerter UART-USB, który służy do przesyłania informacji.

Do współpracy z rejestratorem opracowano program w środowisku LabVIEW realizujący odbiór informacji, jej wyświetlanie i przechowywanie. Dodatkowo implementuje algorytm rejestracji odpowiedzi częstotliwościowej obwodu zewnętrznego podłączonego do rejestratora w zakresie częstotliwości od 0,1 Hz do 480 kHz. Charakterystyczną cechą tego algorytmu jest to, że do oszacowania charakterystyk amplitudowo-częstotliwościowych badanego obwodu wykorzystuje się harmoniczne częstotliwości powtarzania impulsów prostokątnych generowanych przez mikrokontroler rejestratora.

Zadanie opracowania urządzenia do ciągłego przesyłania do komputera w czasie rzeczywistym próbek chwilowych wartości napięcia w zakresie od 15 do +15 V z częstotliwością próbkowania 960 kHz i rozdzielczością w zasadzie dziesięciu cyfr binarnych, można rozwiązać bez układu FPGA, stosując przetwornik ADC i mikrokontroler z wbudowanym portem USB pracującym w trybie wirtualnego portu COM. Jednak prędkość przesyłania informacji nie byłaby wystarczająco wysoka. W przypadku zastosowania układu konwertera interfejsu UART-USB FT2232H, który zapewnia przesyłanie informacji z prędkością 12 Mbit/s, wraz z przetwornikiem ADC i mikrokontrolerem pojawia się problem znalezienia mikrokontrolera, którego UART byłby w stanie pracować z taką prędkością. W rezultacie wybrano metodę różniącą się od poprzedniej zastosowaniem układu FPGA, który odczytuje informacje generowane przez przetwornik ADC w kodzie równoległym i konwertuje je na format szeregowy charakterystyczny dla UART.

W urządzeniu zastosowano dziesięciobitowy przetwornik ADC10030 z wyjściem równoległym i maksymalną częstotliwością próbkowania 30 MHz. Wyniki jego pracy odbiera i przetwarza układ FPGA EPM3064ALC44-10N, który zawiera 64 programowalne makrokomórki logiczne i 44 linie I/O.

Każda próbka sygnału wejściowego generowana przez przetwornik ADC jest dziesięciobitowym kodem binarnym, a konwerter FT2232H UART-USB odbiera informację w ośmiobitowych bajtach. Z tego powodu FPGA implementuje urządzenie, które pakuje każde cztery próbki w pięć bajtów. Następnie dostarcza każdemu bajtowi bit startu i stopu i przesyła je w kodzie szeregowym z szybkością 12 MBd do układu FT2232H w celu transmisji do komputera poprzez interfejs USB.

Obwód rejestratora pokazany jest na rys. 1. Zasilany jest napięciem stałym 7...9 V, podawanym ze złącza XP3 do zintegrowanego stabilizatora DA6 7805, a od niego, po zdjęciu zworki S4 w pozycji 1-2, do stabilizatora napięcia 3,3 V LM1117-3.3 (DA7). Dla ułatwienia obsługi urządzenia podczas debugowania istnieje możliwość zasilania go z portu USB. W tym celu należy przesunąć zdejmowaną zworkę S4 do pozycji 2-3. Jednak podczas normalnej pracy taka moc jest niedopuszczalna, ponieważ napięcie pobierane z portu USB często zauważalnie różni się od 5 V, co prowadzi do zmiany skali konwersji badanego sygnału na przetwornik ADC.

Ryż. 1. Schemat rejestratora (kliknij, aby powiększyć)

Generator zegara 24 MHz dla ADC i FPGA zbudowany jest na elementach mikroukładu DD2 74HC04D i stabilizowany rezonatorem kwarcowym ZQ2.

Aby zrealizować protokół komunikacyjny z komputerem, generować sygnały dyskretne oraz generować impulsy prostokątne, do rejestratora wprowadzono mikrokontroler DD1 ATMega8A, pracujący z częstotliwością taktowania 16 MHz, ustawioną przez rezonator kwarcowy ZQ1. Wymiana informacji pomiędzy komputerem a mikrokontrolerem również odbywa się przy wykorzystaniu układu FT2232H (DD4), ale innym kanałem. Aby móc komunikować się z układem FPGA i mikrokontrolerem, w systemie operacyjnym komputera współpracującego z rejestratorem muszą być zorganizowane dwa wirtualne porty COM.

Badany sygnał jest dostarczany przez złącze XP1 na wejście stopnia wzmacniacza operacyjnego DA2 AD825ARZ, który jest 15-krotnym odwracającym tłumikiem sygnału. Poziom zerowy na wyjściu wzmacniacza operacyjnego DA2 można przesunąć za pomocą rezystora przycinającego R1. W ten sposób badany sygnał doprowadzany jest do dopuszczalnego zakresu zmian napięcia wejściowego przetwornika ADC.

Wzmacniacz operacyjny DA2 zasilany jest napięciem +/-15 V, które jest formowane z +5 V przez jednobiegunowy na bipolarny konwerter napięcia prądu stałego AM1D-0515DH30Z (U1). Rezystory R19 i R20 stanowią minimalne obciążenie przetwornicy wymagane do jego prawidłowej pracy. Przesuwając zdejmowane zworki S1 i S2 z pozycji 2-3 do pozycji 1-2, można przejść do zasilania układu DA2 zewnętrznym napięciem +/- 15 V dostarczanym na złącze XP4. W razie potrzeby z konwertera U1 można zasilać urządzenia zewnętrzne o poborze prądu nie większym niż 35 mA.

Napięcia odniesienia dla przetwornika ADC DA5 są tworzone przez wzmacniacze operacyjne DA3.1 i DA3.2 zgodnie z obwodem zalecanym w opisie przetwornika ADC. Kod równoległy z wyjść ADC przesyłany jest do układu FPGA DD3, gdzie jest konwertowany na kod szeregowy UART. Następnie trafia do układu DD4 FT2232H.

Złącze XP2 przeznaczone jest do sterowania urządzeniami zewnętrznymi za pomocą sygnałów poziomu logicznego 3,3 V na ośmiu kanałach, dodatkowo na to złącze wyprowadzane jest stałe napięcie 3,3 V i wspólny przewód do zasilania urządzeń zewnętrznych. Złącza XP5 i XP6 przeznaczone są do programowania podłączonych do nich urządzeń o napięciu zasilania 3,3 V.

Na złączu XP7 prowadzone są napięcia 3,3 V, 5 V oraz przewód wspólny do zasilania urządzeń zewnętrznych, sygnał impulsowy o częstotliwości 24 MHz (częstotliwość taktowania przetwornika ADC i FPGA). Pin 4 tego złącza jest podłączony do pinu 14 układu FPGA DD3, który nie jest używany w opisywanej wersji urządzenia.

Do złącza XP8 podłączone są diody LED sygnalizujące tryb pracy konwertera:

HL1 - obecność napięcia zasilania;

HL2 - transfer informacji z mikrokontrolera do komputera;

HL3 - transfer informacji z komputera do mikrokontrolera;

HL4 - transfer informacji z FPGA do komputera;

HL5 - transfer informacji z komputera do FPGA;

HL6 - w zestawie generator impulsów prostokątnych;

HL7 - mikrokontroler zezwala na przesyłanie informacji z FPGA;

HL8 - FPGA przesyła informacje.

Rysunek przewodów PCB pokazano na ryc. 2 (strona 1) i ryc. 3 (strona 2). Rozmieszczenie elementów po tych stronach planszy pokazano na ryc. 4 i rys. 5. Na płytce jest miejsce na elementy nie pokazane na schemacie, z których można zamontować tłumik wejściowy lub filtr w kształcie litery U pomiędzy złączem XP1 a rezystorem R4 oraz filtr w kształcie litery L pomiędzy wyjściem wzmacniacza operacyjnego DA2 i wejście ADC DA5. Aby umożliwić przepływ sygnału w przypadku braku tłumika i filtra, zamiast elementów szeregowych instaluje się zworki do montażu powierzchniowego. Dwie kolejne zworki zastępują rezystory połączone szeregowo z rezystorami R5 i R8, jeśli konieczne jest dokładne dobranie napięcia odniesienia ADC.

Ryż. 2. Rysunek przewodów PCB

Ryż. 3. Rysunek przewodów PCB

Ryż. 4. Układ elementów

Ryż. 5. Układ elementów

W przypadku układów FPGA DD3 w pakiecie PLCC-44 na płycie musi być zainstalowany panel. Integralny stabilizator DA6 osadzony jest na żebrowanym radiatorze o wymiarach 22x20x15 mm.

Rejestrator zmontowany jest w obudowie Gainta G715, jego wygląd pokazano na rys. 6. Na płycie czołowej zamocowano diody LED i wykonano otwory na złącza XP1, XP2, XP4, XP7. Z tylnego panelu dostępny jest dostęp do bloku przełączników SA1, złączy XS1, XP5, XP6.

Ryż. 6. Wygląd rejestratora

Struktura urządzenia zaimplementowanego w FPGA opisana jest w języku VDHL. Tłumaczenie i debugowanie przeprowadzono w środowisku programistycznym Quartus 11 wersja 10.1.

Sygnały wejściowe:

clk - sygnał zegarowy;

P - tablica sygnałów pochodzących z mikrokontrolera;

ADC_data - tablica sygnałów pochodzących z ADC;

rx - sygnał pochodzący z FT2232H. Sygnały wyjściowe:

P1 - sygnał przeznaczony dla mikrokontrolera;

tx - sygnał przeznaczony dla FT2232H;

PHL - sygnał sterujący diodą LED HL8;

PPD - sygnał wyłączenia ADC;

POE - sygnał włączenia wyjścia ADC;

POUT - wyjście sygnału na złącze XP7.

Zmienne:

count - licznik liczby przesłanych bajtów;

start_bit - wskazanie początku przesyłania bajtów;

stop_bit - znak zakończenia przesyłania danych;

ADC_data_buf - bufor przechowywania informacji ADC;

rx_bit - znak początku otrzymywania informacji.

Po przejściu sygnału zegara z poziomu niskiego na wysoki sprawdzany jest odbiór wyładowania rozruchowego (tab. 1). Następnie, jeśli trwa transmisja, zawartość licznika przesłanych bajtów jest zwiększana o jeden (tabela 2). Gdy zawartość licznika osiągnie wartość 100, następuje to zgodnie z tabelą. 3, jest resetowany i sprawdzana jest obecność polecenia zakończenia transferu (P(6)=0).

Tabela 1

Tabela 2

Tabela 3

Kiedy sygnał zegara przechodzi z poziomu wysokiego na niski przed rozpoczęciem transmisji, informacja z przetwornika ADC jest buforowana (Tabela 4), aby zapobiec jej zmianie podczas transmisji.

Tabela 4

Pozostałe działania polegają na sprawdzeniu, czy przesyłanie informacji z mikrokontrolera jest dozwolone, czy zabronione. W stanie włączonym dioda HL8 zapala się, a znak zakończenia transmisji zostaje wykasowany w przypadku odebrania bajtu żądania (tabela 5). Przesyłanie bitów startu i stopu odbywa się zgodnie z tabelą. 6 oraz informacje z bufora ADC – tabela. 7 (każdy bit jest przesyłany w dwóch cyklach zliczania).

Tabela 5

Tabela 6

Tabela 7

Program dla mikrokontrolera napisany jest w języku C w środowisku programistycznym ImageCraft. Po włączeniu zasilania urządzenie inicjuje peryferia mikrokontrolera, po czym wchodzi do pętli głównej, z UART mikrokontrolera w trybie odbioru.

Po odebraniu bajtu uruchamiana jest obsługa przerwań (tabela 8). Bajt ten jest zapisywany do tablicy rx_arr pod indeksem rx_count (jeśli odebrano pierwszy bajt pakietu, to rx_count = 0), po czym rx_count jest zwiększany o jeden. Następnie następuje ponowne uruchomienie licznika czasu 0, którego upłynięcie służy jako znak końca pakietu.

Tabela 8

Jeżeli w określonym czasie nie zostanie odebrany kolejny bajt, to na żądanie timera 0 następuje przerwanie. W procedurze obsługi tego przerwania (tabela 9) timer zostaje zatrzymany i ustawiona jest flaga końca odbioru f_rx.

Tabela 9

Po odebraniu pakietu informacji (f_rx= 1) pętla główna rozpoczyna jego analizowanie, wykonywanie zawartych w nim poleceń i generowanie odpowiedzi. Najpierw sprawdzany jest nagłówek i koniec pakietu, a następnie kod polecenia. Po pomyślnej weryfikacji rozpoczyna się wykonanie polecenia zawartego w pakiecie. W przypadku wykrycia błędu generowany jest paragon negatywny.

W programie zaimplementowane są następujące polecenia:

- "Test" - służy do sprawdzenia połączenia;

- „Ustaw stany IO” – ustawia określone poziomy logiczne na pinach mikrokontrolera podłączonych do złącza XP2. Pin 2 złącza (obwód IO1) odpowiada młodszemu rządowi bajtu danych sterujących, a pin 9 (obwód IO8) odpowiada wyższemu porządkowi;

- „Ustaw stany IO powiązane z FPGA” – ustawia określone poziomy logiczne na wyjściach mikrokontrolera PD4-PD7, PB1, PC2, PC3 powiązanych z FPGA. Wyjścia są wymienione w kolejności odpowiadających im bitów bajtów danych poleceń, od pierwszego do siódmego. Wartość najmniej znaczącego (zero) bitu bajtu może być dowolna, ponieważ za pomocą tego polecenia nie można zmienić stanu pinu PD3. Służy do odbierania żądania przerwania z FPGA;

- „Uruchom generator impulsów prostokątnych (z okresem podzielnym przez 2 s)” – uruchamia określony generator impulsów prostokątnych (cykl pracy wszystkich impulsów generowanych przez rejestrator wynosi dwa). Bajt danych rozkazowych musi zawierać wartość okresu powtarzania impulsu, który w krokach co 2 s może mieścić się w przedziale 2-254 s. Impulsy generowane są na pinie mikrokontrolera PB3 poprzez oprogramowanie przełączające jego stan w procedurze obsługi przerwań z timera 1. Są one wyprowadzane na pin 5 złącza XP2;

- „Uruchom generator impulsów prostokątnych (z okresem wielokrotności 2 s) po uruchomieniu ADC” - różni się od poprzedniego polecenia tym, że uruchamia generator synchronicznie z początkiem przesyłania informacji z FPGA do komputera;

- „Uruchom generator fali prostokątnej” – uruchamia generator fali prostokątnej z częstotliwością od 30 Hz do 8 MHz. Cztery bajty danych muszą zawierać wartość częstotliwości w hercach. Wyłącz generator, ustawiając częstotliwość na zero. Ponieważ okres powtarzania generowanych impulsów jest zawsze wielokrotnością czasu trwania cyklu maszynowego mikrokontrolera, rzeczywista częstotliwość ich powtarzania może różnić się od podanej. Dokładna jego wartość (z rozdzielczością 1 Hz) jest zawarta w odpowiedzi na polecenie. Impulsy podawane są na pin 5 złącza XP2, podłączony do wyjścia PB3 mikrokontrolera.

Aby rozpocząć przesyłanie informacji z FPGA należy je włączyć ustawiając 16-te wejście FPGA na wysoki poziom logiczny, a następnie przesłać jeden bajt przez port COM do FPGA. Zezwolenie wprowadzono dla wygody zatrzymywania transmisji poprzez ustawienie zera logicznego na wejściu 16 FPGA. Ponieważ mikrokontroler umożliwia transfer, aby zsynchronizować początek transferu z FPGA z początkiem odbierania informacji przez komputer, ten ostatni musi wysłać dowolny bajt żądania do mikrokontrolera. Mikrokontroler wymienia informacje z komputerem z szybkością 1 MBd za pomocą komunikatów ośmiobitowych bez parzystości i jednego bitu stopu. Aby wymieniać informacje poprzez USB poprzez układ rejestratora FT2232H, należy zainstalować sterowniki w systemie operacyjnym komputera, które można znaleźć na stronie internetowej [1].

Ładowanie programów do FPGA i mikrokontrolera.

Programowanie FPGA odbywa się według metody opisanej w [2]. Przed uruchomieniem należy ustawić przełączniki DIP SA1 -

SA3 do pozycji pokazanych na rys. 7, o. Mikrokontroler zaprogramowano przy pomocy programu AVRDude i powłoki graficznej SinaProg, pobranych z linków na stronie internetowej [3]. Aby móc korzystać z SinaProg, musisz mieć na swoim komputerze bibliotekę LabView RunTime Library [4].

Ryż. 7. Programowanie FPGA

W pliku avrdude.conf należy ponownie przypisać piny programatora 2ftbb, dodając tekst pliku z sekcją pokazaną w tabeli. 10.

Tabela 10

W załączniku do artykułu znajdują się programy AVRDude i SinaProg, w których wszystkie niezbędne parametry są już zainstalowane.

Przystępując do programowania mikrokontrolera należy ustawić przełączniki SA1-SA3 rejestratora w pozycje pokazane na rys. 7b, następnie podłącz złącze XS1 rejestratora do portu USB komputera i uruchom program SinaProg. W polu „Programista” w jego oknie ustaw parametry 2ftbb, FTDI, 9600. Następnie kliknij kolejno przyciski ekranowe „<” i „Szukaj”, po czym powinien pojawić się tekst podobny do pokazanego w tabeli pojawi się w oknie wiadomości. jedenaście. Korzystając z menu wywoływanego poprzez kliknięcie przycisku ekranowego „Zaawansowane” w polu „Bezpieczniki” należy ustawić konfigurację mikrokontrolera: wysoka – 11xC0, dolna – 9xFF. W polu „Hex file” podaj nazwę pliku HEX zawierającego kody programu mikrokontrolera i kliknij przycisk Program w polu Flash. Po pomyślnym zakończeniu programowania w polu komunikatu powinien pojawić się tekst kończący się liniami podanymi w tabeli. 0.

Tabela 11

Tabela 12

Jeżeli rejestrator ma służyć do programowania urządzeń podłączonych do złącza XP6 lub XP7, przełączniki SA1-SA3 należy ustawić w pozycjach pokazanych na rys. 7, ok. Położenia przełączników podczas normalnej pracy rejestratora pokazano na rys. 7, g.

Program komputerowy USB-960

został opracowany w środowisku LabVIEW 2011. Jeżeli to środowisko nie jest dostępne na komputerze, konieczne będzie zainstalowanie pakietów [5] i [6]. Program zawiera jedenaście wirtualnych podinstrumentów (VI):

- ACPPLISUC_IOUC ustawia stany portów wyjściowych mikrokontrolera podłączonych do złącza zewnętrznego;

- ACPPLISUC_FREQ uruchamia generator, a następnie mierzy wygenerowaną częstotliwość;

- ACPPLISUC_TEST sprawdza połączenie z mikrokontrolerem;

- ACPPLISUC_AFR_H mierzy odpowiedź częstotliwościową obwodu zewnętrznego przy pięciu wartościach częstotliwości (nie niższych niż 30,5 Hz);

- ACPPLISUC_AFR_L mierzy odpowiedź częstotliwościową obwodu zewnętrznego przy częstotliwości od ułamków do dziesiątek herców;

- ACPPLISUC_GEN2S uruchamia prostokątny generator impulsów z okresem powtarzania będącym wielokrotnością 2 s;

- ACPPLISUC_UNPACKDATA konwertuje informację otrzymaną z rejestratora na tablicę wartości kodów ADC;

- ACPPLISUC_ADCDATA odczytuje informacje otrzymane od rejestratora w określonym czasie;

- ACPPLISUC_IOPLIS ustawia stany portów wyjściowych mikrokontrolera powiązanych z układem FPGA;

- ACPPLISUC_GEN uruchamia generator impulsów prostokątnych z częstotliwością powtarzania 30,5 Hz i wyższą;

- ACPPLISUC_GEN2Ss uruchamia prostokątny generator impulsów o okresie podzielnym przez dwie sekundy, synchronicznie z rozpoczęciem odczytu informacji z rejestratora;

- ACPPLISUC_COM odbiera i przesyła informacje poprzez wirtualny port COM powiązany z mikrokontrolerem.

Program główny działa w nieskończonej pętli while, wewnątrz której znajduje się struktura case, o jej aktualnej stronie decydujemy wybierając zakładkę w głównym oknie programu.

Zakładka nagrywania sygnału pokazany na ryc. 8. Po naciśnięciu przycisku „START” rozpoczyna się odbiór próbek badanego sygnału przez czas określony w polu „Czas pomiaru, s”. W tym celu dopuszcza się transfer informacji z FPGA - do ACPPLI-SUC_IOPLIS VI zapisuje się wartość 128. Rzeczywisty odczyt odbywa się za pomocą ACPPLISUC_ADCDATA VI, którego parametrem jest ustawiony czas pomiaru. Ten VI żąda informacji poprzez wysłanie bajtu zerowego i odczytuje je w określonym czasie. Po jego wygaśnięciu transfer jest zabroniony poprzez wpisanie wartości zerowej do ACPPLISUCJOPLIS VI.

Ryż. 8. Zakładka „Nagrywanie sygnałów”

Jeżeli wcześniej naciśnięto przycisk ekranowy „Zapisz do pliku”, to badany sygnał zapisywany jest w pliku binarnym, którego nazwa jest podana w polu „Plik do zapisu sygnału”. Domyślnie zapisywanie odbywa się w folderze głównym dysku C, dlatego system operacyjny komputera może wymagać uruchomienia programu z uprawnieniami administratora.

Uruchomienie generatora impulsów prostokątnych odbywa się w polach „Uruchom generator” i „Uruchom generator z okresem będącym wielokrotnością 2 sekund”.

Po zakończeniu odbioru w polu „Sygnał” wyświetlany jest oscylogram odebranego sygnału, a w polu „Widmo amplitudy” wyświetlane jest jego widmo. W polach „RMS, V” i „Średnia wartość, V” zostaną wyświetlone odpowiednio średnia kwadratowa i średnia wartość sygnału.

Karta Oscyloskop pokazany na ryc. 9. Po naciśnięciu przycisku ekranowego „START” uruchamiana jest pętla czasowa, podczas której wielokrotnie odbierana jest informacja z rejestratora (przed naciśnięciem przycisku „STOP”) według algorytmu podobnego do opisanego powyżej. Aby uniknąć obcinania sygnału podczas synchronizacji i ręcznego przesuwania, rzeczywisty czas nagrywania jest dwukrotnie dłuższy niż podano. Po zakończeniu szukany jest sygnał pod kątem momentów przekroczenia zadanego progu (ustawionego za pomocą pokrętła „Próg, B”), z czego tworzona jest tablica, następnie w tej tablicy program znajduje element położony możliwie najbliżej do 1/3 czasu trwania sygnału, będzie to punkt początkowy przebiegu wyświetlanego na ekranie.

Ryż. 9. Zakładka Oscyloskop

Za pomocą pokrętła „Offset, %” można przesuwać przebieg. Przyciski „Zapisz aktualny sygnał” i „Odczyt” zapisują aktualnie wyświetlany sygnał i odczytują sygnał zapisany wcześniej.

Zakładka „Usunięcie pasma przenoszenia” pokazany na ryc. 10. Odpowiedź częstotliwościową obwodu liniowego [7] można wyznaczyć, oddziałując jednocześnie lub naprzemiennie na jego wejście sygnałami harmonicznymi o różnych częstotliwościach, a następnie mierząc amplitudę tych sygnałów na wyjściu obwodu. W rozważanym urządzeniu zamiast sygnałów harmonicznych do pomiaru odpowiedzi częstotliwościowej wykorzystywane są prostokątne impulsy generowane przez mikrokontroler. Sygnał w postaci impulsów prostokątnych o współczynniku wypełnienia 2 jest sumą nieskończonej liczby sygnałów harmonicznych (harmonicznych), których częstotliwości są nieparzystą liczbę razy większą niż częstotliwość powtarzania impulsów. Amplitudy jego harmonicznych są w przybliżeniu równe amplitudzie impulsu 0,9 (pierwsza), 0,3 (trzecia), 0,18 (piąta), 0,129 (siódma), 0,1 (dziewiąta). Znając stosunek harmoniczny (widmo) sygnału na wejściu badanego obwodu i po ustaleniu go na wyjściu, można obliczyć wartości odpowiedzi częstotliwościowej tego obwodu przy częstotliwościach harmonicznych.

Ryż. 10. Zakładka „Usunięcie pasma przenoszenia”

Rejestrator rejestruje charakterystykę częstotliwościową za pomocą prostokątnych impulsów o współczynniku wypełnienia 2 i częstotliwości powtarzania 0,1; 0,5; 30,5, 60,1, 120,2, 240, 480,8, 961,5, 1923, 3846, 7692,3, 15384,6, 31250 i 61538,5 Hz.

Po naciśnięciu jednego z przycisków ekranowych „START 0,1 Hz” lub „START 0,5 Hz” następuje uruchomienie ACPPLISUC_AFR_L VI z okresem odpowiednio 10 s i 2 s. Ten VI działa w następujący sposób:

- za pomocą ACPPLISUC_GEN2SS VI wysyła polecenie uruchomienia generatora impulsów prostokątnych o zadanym okresie;

- odbiera informację z przetwornika ADC w czasie 1,5 okresu powtarzania impulsu;

- przepuszcza odebrany sygnał przez cyfrowy filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości odcięcia 2000 Hz w celu pozbycia się składowych o wysokiej częstotliwości przed zdziesiątkowaniem sygnału. Jeśli nie zostanie to zrobione, nastąpi aliasing [8];

- rozrzedza sygnał, odrzucając 47 z każdych 48 jego próbek, w celu uproszczenia dalszych obliczeń;

- wyodrębnia z sygnału fragment o czasie trwania dokładnie jednego okresu powtarzania impulsu;

- oblicza widmo amplitudowe tego fragmentu;

- wyodrębnia z powstałego widma składowe odpowiadające harmonicznym nieparzystym sygnału testowego, dzieli je na znane wartości amplitud tych samych harmonicznych sygnału pierwotnego. Wynikiem jest odpowiedź częstotliwościowa badanego obwodu przy częstotliwościach harmonicznych.

Po naciśnięciu przycisku ekranowego „START 30 Hz” uruchamiana jest pętla for, w której wykonywany jest ACPPLISUC_AFR_H VI, którego wejściem jest częstotliwość impulsów i czas pomiaru. Na wyjściu tego VP wartości odpowiedzi częstotliwościowej uzyskuje się przy pięciu harmonicznych sygnału o danej częstotliwości. W wyniku cyklu powstają trzy tablice: częstotliwości, przy których zmierzono charakterystykę częstotliwościową, sygnały, z których obliczono charakterystykę częstotliwościową oraz wartości odpowiedzi częstotliwościowej. Następnie tablica wartości odpowiedzi częstotliwościowej jest sortowana w celu dalszego wyświetlania jej wykresu na ekranie.

ACPPLISUC_AFR_H VI działa w następujący sposób:

- za pomocą VI ACPPLISUC_GEN wysyła polecenie uruchomienia generatora;

- otrzymuje informacje z ADC w określonym czasie;

- oblicza widmo amplitudowe rejestrowanego sygnału;

- z powstałego widma wyodrębnia się pięć składowych odpowiadających harmonicznym sygnału testowego, ich wartości dzieli się przez względne amplitudy harmonicznych sygnału podawanego na wejście badanego obwodu.Wynikiem jest pięć częstotliwości próbki odpowiedzi.

Należy zaznaczyć, że czas trwania analizowanych sygnałów musi być dokładnie wielokrotnością okresu powtarzania impulsu, w przeciwnym razie przy obliczaniu widma nastąpi jego „rozproszenie” [9] lub „wyciek” [7], a wyniki analizy zostanie zniekształcony.

Klikając przyciski ekranowe „Zapisz wyniki” i „Odczytaj”, aktualnie wyświetlana charakterystyka częstotliwościowa zostaje zapisana do pliku dyskowego i odczytana zostaje wcześniej zarejestrowana charakterystyka częstotliwościowa.

Aby sprawdzić działanie rejestratora w trybie odczytu odpowiedzi częstotliwościowej, podłączono do niego zespół zmontowany na płytce stykowej według schematu pokazanego na rys. 11. 1. Są to filtry dolnoprzepustowe R2C2 i filtry górnoprzepustowe R1C1. Podążacze buforowe na wzmacniaczu operacyjnym mikroukładu DA1,5 eliminują wpływ na charakterystykę częstotliwościową filtrów stosunkowo wysokiej impedancji wyjściowej wyjścia generatora i niskiej (15 kOhm) impedancji wejściowej rejestratora. Napięcie +15 V i -1 V do zasilania mikroukładu DA4 można usunąć ze złącza XP1 rejestratora, jeśli połączymy ze sobą trzy piny na płytce tego ostatniego, przeznaczone na zworki S2 i S1 (nie mylić za pomocą zworek S2 i S11 na rys. XNUMX, które służą do przełączania filtrów).

Ryż. 11. Schemat płyty chlebowej

Aby porównać zmierzoną charakterystykę częstotliwościową z otrzymaną w drodze obliczeń, stworzono program „Porównanie odpowiedzi częstotliwościowej z_obliczeniem”, który oblicza charakterystykę częstotliwościową danego obwodu RC i wykreśla ją w tych samych współrzędnych, co zmierzona. Wyniki przedstawiono na ryc. 12 (filtr dolnoprzepustowy) i rys. 13 (filtr górnoprzepustowy). Obliczone wartości są pokazane na czerwono, zmierzone wartości są pokazane na biało. Następnie kondensatory o pojemności 1 μF połączono równolegle do C2 i C8 i uzyskano charakterystyki pokazane na rys. 14 i rys. 15.

Ryż. 12. Filtr dolnoprzepustowy

Ryż. 13. Filtr górnoprzepustowy

Ryż. 14. Charakterystyka z podłączonym kondensatorem

Ryż. 15. Charakterystyka z podłączonym kondensatorem

Zakładka Kalibracja pokazany na ryc. 16. Podczas wykonywania tej operacji należy ustawić zależność pomiędzy napięciem na wejściu rejestratora a wartością kodu na wyjściu ADC. Ponieważ zależność ta jest liniowa, wystarczy podać współrzędne jej dwóch punktów. W tym celu na wejście rejestratora podawane jest stałe napięcie bliskie wartości maksymalnej. Jego wartość zapisana jest w polu „Umax, B”. W polu „Średnia wartość ADC”. na wyjściu zostanie wyprowadzona wartość kodu wyjściowego ADC uśredniona przez program. Można go wpisać ręcznie w polu „ADC-max” lub skorzystać z przycisku ekranowego „Wpisz aktualną wartość średnią ADC jako ADC-max”.

Ryż. 16. Zakładka „Kalibracja”

Po przyłożeniu stałego napięcia bliskiego minimum do wejścia urządzenia, w podobny sposób wprowadź wartości w polach „Umin, V” i „ADC-min”.

Jak już wspomniano, rzeczywiste częstotliwości sygnałów generowanych podczas badania odpowiedzi częstotliwościowej mogą nieznacznie różnić się od podanych wartości, dlatego nie można z góry poznać dokładnego czasu trwania analizowanych próbek, który musi być wielokrotnością całkowita liczba okresów sygnału. Najpierw należy zmierzyć rzeczywiste wartości częstotliwości i obliczyć czas trwania próbki. Działania te wykonywane są w strukturze przypadków wywoływanej przyciskiem „Określ okresy pomiaru odpowiedzi częstotliwościowej”, a wyniki zapisywane są w pliku tekstowym.

Kalibrację przeprowadza się w następujący sposób:

- podłączyć wejście urządzenia do przewodu wspólnego łącząc styki złącza XP1;

- rezystor regulacyjny R1 ustawia się w oknie „Średnia ADC”. wartości od 511 do 513 (po kliknięciu przycisku ekranowego „Odczyt” w celu aktualizacji);

- do złącza XP1 podłączyć źródło napięcia stałego +13...15 V, w polu „Umax, V” wpisać dokładną wartość tego napięcia;

- kliknąć przycisk ekranowy „Odczyt”, aby dokonać digitalizacji sygnału i określić średnią wartość kodu ADC, a następnie kliknąć przycisk ekranowy „Zapisz aktualną wartość średnią ADC jako ADC-max”;

- zmienić polaryzację napięcia podawanego na złącze XP1 na przeciwny, wpisać jego wartość w polu „Umin, V”, kliknąć na przyciskach ekranowych „Odczyt”, a następnie „Zapisać aktualną wartość ADC-średnią jako ADC -min”;

- po odłączeniu źródła napięcia od złącza XP1, pin 1 tego złącza należy połączyć z pinem 5 złącza XP2 i nacisnąć przycisk ekranowy „Określ napięcie poziomu logicznego (IL1)”. Ta wartość jest wymagana do obliczenia odpowiedzi częstotliwościowej;

- kliknąć na przycisk ekranowy „Określ okresy pomiaru charakterystyki częstotliwościowej” i poczekać na zakończenie pomiarów (proces trwa ponad dwie minuty). Wyniki pomiarów zapisywane są w pliku tekstowym na dysku twardym komputera. Nazwa tego pliku oraz ścieżka do niego znajdują się w polu „Plik ze współczynnikami kalibracji”;

- naciśnięcie przycisku ekranowego „TEST” powoduje wysłanie do mikrokontrolera polecenia testowego, w przypadku otrzymania prawidłowej odpowiedzi zaświeci się wskaźnik „TEST OK”. W polu „IO” można ręcznie ustawić stany wyjść mikrokontrolera wyprowadzanych na złącze XP2, a w polu „IO-PLIS” – te związane z układem FPGA.

Podsumowując, można zauważyć, że jeśli zbudujemy rejestrator w oparciu o układ FPGA Xilinx Spartan-3 z rdzeniem procesora MicroBlaze, to nie będzie potrzeby stosowania mikrokontrolera.

Plik płytki drukowanej w formacie Sprint Layout 5.0 oraz programy dla FPGA, mikrokontrolera i komputera można pobrać z ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/11/usb-reg.zip.

literatura

1. kierowców. - URL: ftdichip. com/FTDrivers.htm.
2. Programista MBFTDI w środowisku Altera Quartus II. - URL: marsohod.org/index.php/ourblog/11/196-qprog10b.
3. SinaProg to graficzna powłoka dla AVRDude. - Adres URL: easyelectronics.ru / sinaprog-graficheskaya-obolochka-dlya-avrdude.html.
4. Biblioteka uruchomieniowa LabView. - Adres URL: ftp.ni.com/support/softlib/labview/labview_runtime/8.6.1/Windows/lvrte861min.exe.
5. LabVIEWRun-TimeEngine 2011 — (32-bitowy standard RTE) — Windows 7 64-bitowy / 732-bitowy / Vista 64-bitowy / Vista 32-bitowy / XP 32-bitowy / Server 2008 R2 64-bitowy / Server2003R232-bitowy / . - Adres URL: joule.ni.com/nidu/cds/view/p/id/2534/lang/ru.
6. NI-VISA Run-Time Engine 5.1.1 - Pocket PC 2003, system operacyjny czasu rzeczywistego, Windows 7 64-bitowy / 7 32-bitowy / Vista 64-bitowy / Vista 32-bitowy / XP / XP Embedded / Server 2008 R2 64 -bit / Server 2003 R2 32-bit / Mobile 5 / . - Adres URL: joule.ni.com/nidu/cds/view/p/id/2662/lang/ru.
7. Marple Jr. C. Cyfrowa analiza widmowa i jej zastosowania. - M.: Mir, 1990.
8. Ayficher E., Jervis B. Cyfrowe przetwarzanie sygnału: podejście praktyczne. Wydanie 2: Tłum. z angielskiego - M.: Wydawnictwo Williams, 2004.
9. Sergienko A. Cyfrowe przetwarzanie sygnału: Podręcznik dla uniwersytetów. wydanie 2. - Petersburg: Piotr, 2006.

Autor: W. Czajkowski

Zobacz inne artykuły Sekcja Technologia pomiarowa.

Czytaj i pisz przydatne komentarze do tego artykułu.

<< Wstecz

Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:

Sztuczna skóra do emulacji dotyku 15.04.2024

W świecie nowoczesnych technologii, w którym dystans staje się coraz bardziej powszechny, ważne jest utrzymywanie kontaktu i poczucia bliskości. Niedawne odkrycia w dziedzinie sztucznej skóry dokonane przez niemieckich naukowców z Uniwersytetu Saary wyznaczają nową erę wirtualnych interakcji. Niemieccy naukowcy z Uniwersytetu Saary opracowali ultracienkie folie, które mogą przenosić wrażenie dotyku na odległość. Ta najnowocześniejsza technologia zapewnia nowe możliwości wirtualnej komunikacji, szczególnie tym, którzy znajdują się daleko od swoich bliskich. Ultracienkie folie opracowane przez naukowców, o grubości zaledwie 50 mikrometrów, można wkomponować w tekstylia i nosić jak drugą skórę. Folie te działają jak czujniki rozpoznające sygnały dotykowe od mamy lub taty oraz jako elementy uruchamiające, które przekazują te ruchy dziecku. Dotyk rodziców do tkaniny aktywuje czujniki, które reagują na nacisk i odkształcają ultracienką warstwę. Ten ... >>

Żwirek dla kota Petgugu Global 15.04.2024

Opieka nad zwierzętami często może być wyzwaniem, szczególnie jeśli chodzi o utrzymanie domu w czystości. Zaprezentowano nowe, ciekawe rozwiązanie od startupu Petgugu Global, które ułatwi życie właścicielom kotów i pomoże im utrzymać w domu idealną czystość i porządek. Startup Petgugu Global zaprezentował wyjątkową toaletę dla kotów, która automatycznie spłukuje odchody, utrzymując Twój dom w czystości i świeżości. To innowacyjne urządzenie jest wyposażone w różne inteligentne czujniki, które monitorują aktywność Twojego zwierzaka w toalecie i aktywują automatyczne czyszczenie po użyciu. Urządzenie podłącza się do sieci kanalizacyjnej i zapewnia sprawne usuwanie nieczystości bez konieczności ingerencji właściciela. Dodatkowo toaleta ma dużą pojemność do spłukiwania, co czyni ją idealną dla gospodarstw domowych, w których mieszka więcej kotów. Miska na kuwetę Petgugu jest przeznaczona do stosowania z żwirkami rozpuszczalnymi w wodzie i oferuje szereg dodatkowych funkcji ... >>

Atrakcyjność troskliwych mężczyzn 14.04.2024

Od dawna panuje stereotyp, że kobiety wolą „złych chłopców”. Jednak najnowsze badania przeprowadzone przez brytyjskich naukowców z Monash University oferują nowe spojrzenie na tę kwestię. Przyjrzeli się, jak kobiety reagowały na emocjonalną odpowiedzialność mężczyzn i chęć pomagania innym. Wyniki badania mogą zmienić nasze rozumienie tego, co sprawia, że ​​mężczyźni są atrakcyjni dla kobiet. Badanie przeprowadzone przez naukowców z Monash University prowadzi do nowych odkryć na temat atrakcyjności mężczyzn w oczach kobiet. W eksperymencie kobietom pokazywano zdjęcia mężczyzn z krótkimi historiami dotyczącymi ich zachowania w różnych sytuacjach, w tym reakcji na spotkanie z bezdomnym. Część mężczyzn ignorowała bezdomnego, inni natomiast pomagali mu, kupując mu jedzenie. Badanie wykazało, że mężczyźni, którzy okazali empatię i życzliwość, byli bardziej atrakcyjni dla kobiet w porównaniu z mężczyznami, którzy okazali empatię i życzliwość. ... >>

Przypadkowe wiadomości z Archiwum Mikroskop jonowy 07.02.2021 Naukowcy z Uniwersytetu w Stuttgarcie (Niemcy) opracowali potężny mikroskop jonowy do badania gazów kwantowych. W przeciwieństwie do większości mikroskopów przeznaczonych do badania gazów kwantowych, to urządzenie nie ogranicza się do rekonstrukcji układów dwuwymiarowych i pozwala badać z rozdzielczością przestrzenną i czasową zupełnie inne układy, takie jak próbki w stanie podstawowym, zespoły Rydberga, czy zimne jony zanurzone w gazach kwantowych. Naukowcy planują wykorzystać nowe narzędzie do rozszerzenia badań nad hybrydowymi przepływami zimnych jonów i atomów i zamierzają udowodnić energie zderzeń w tych przepływach w trybie ultrazimnym.

Inne ciekawe wiadomości:

▪ Pamięć molekularna działa w temperaturze pokojowej

▪ Medytacja przyspiesza mózg

▪ Ciepła woda zamiast oleju i gazu

▪ Laboratorium orbitalne Space Rider

▪ Czujnik do inteligentnego domu Mi Human Sensor 2

Wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika

Ciekawe materiały z bezpłatnej biblioteki technicznej:

▪ sekcja serwisu Odbiór radia. Wybór artykułów

▪ artykuł Dary Pomony i Flory. Popularne wyrażenie

▪ Jak gąsienica zmienia się w motyla? Szczegółowa odpowiedź

▪ Artykuł o Wielkim Kanionie. Cud natury

▪ artykuł Ułamkowy kwantowy efekt Halla. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki

▪ artykuł Potężny stabilizowany zasilacz impulsowy. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki

Zostaw swój komentarz do tego artykułu:

Wszystkie języki tej strony

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn

www.diagram.com.ua
2000-2024