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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Neue Modi im kombinierten Messgerät. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Während des Betriebs des kombinierten Geräts [1] wurde dessen Mikrocontrollerprogramm erheblich verbessert. Die neue Version 2.03 dieses Programms stellt dem Benutzer zusätzlich zu den bereits vorhandenen Modi zur Messung der Frequenz des Eingangssignals und eines einzelnen Sweeps im Logikanalysator zur Verfügung. Neue Funktionen wurden rein softwaremäßig umgesetzt, an der Hardware des Geräts mussten keine Änderungen vorgenommen werden. Der Single-Sweep-Modus war von Anfang an im Oszilloskop des Instruments vorgesehen, der Autor hat ihn jedoch nicht im Logikanalysator implementiert, obwohl er dort nicht weniger nützlich ist. Dieses Versäumnis wurde in der neuen Version des Mikrocontroller-Programms korrigiert. Jetzt können wir sagen, dass der Logikanalysator wie das Oszilloskop des Geräts über zwei Scanmodi verfügt: normal und einzeln. Sie sind bis auf zwei Ausnahmen nahezu identisch. Erstens misst der Logikanalysator nicht die Spannung des Eingangssignals. Diese Operation ist hier nicht sinnvoll, da die Signale von Standard-Logikpegeln untersucht werden. Zweitens überlappen die auf dem Bildschirm angezeigten Zusatzinformationen über die Position des Informationsrahmens auf der Zeitachse im Logikanalysatormodus nicht den Bereich der Oszillogramme und beeinträchtigen deren Beobachtung nicht. Daher wurde das Ausschalten nicht als unnötig implementiert. Ein Beispiel für ein Bild auf dem Anzeigebildschirm im Einzelscanmodus des Logikanalysators ist in Abb. dargestellt. 1.
Aus dem regulären Scanmodus des Analysators gelangt man durch Drücken der Taste „5“ in diesen Modus. Darin funktionieren die folgenden Steuertasten: "4" - Bewegen Sie den Rahmen nach links (an den Anfang des Puffers); "5" - Stoppen Sie die Bewegung entlang der Signalzählungen; "6" - Bewegen Sie den Rahmen nach rechts (bis zum Ende des Puffers); "0" - Auswahl des Bewegungsschritts (Count oder Frame); "D" - Verlassen des Single-Sweep-Modus. Eine vollständige Beschreibung des Single-Sweep-Modus wird nicht gegeben, da er in [2] in Bezug auf ein Oszilloskop recht ausführlich beschrieben wird. Was den Frequenzmessmodus betrifft, können Sie mit dem Mikrocontroller der ATxmega-Familie mehrere seiner Optionen implementieren. Neben der klassischen Berechnung der Anzahl der Perioden des gemessenen Signals pro Zeiteinheit sind die Timer-Zähler dieses Mikrocontrollers in der Lage, die Impulswiederholungsperiode des Eingangssignals direkt zu messen, was eine einfache Berechnung ihrer Wiederholfrequenz ermöglicht. Der Vorteil dieser Methode ist die kurze Messzeit, eine akzeptable Genauigkeit bleibt jedoch nur bis zu einer Frequenz erhalten, die mehrere zehn Kilohertz nicht überschreitet. Dabei wird die Signalfrequenz im Gerät mit der oben genannten klassischen Methode gemessen. Sein Prinzip ist einfach. Ein Timer-Zähler bildet ein Messzeitintervall, der zweite zählt die Eingangssignalimpulse während dieses Intervalls. Beträgt die Dauer des Messintervalls 1 s, so ist der während dieser Zeit im Sekundenzähler akkumulierte Wert die Signalfrequenz in Hertz. Allerdings gibt es Schwierigkeiten bei der Umsetzung dieser Methode. Erstens sind alle Timer-Zähler des Mikrocontrollers der ATxmega-Familie [3] 16-Bit. Dies bedeutet, dass die von einem solchen Zähler korrekt gemessene maximale Frequenz durch den Überlauf seines Zählregisters begrenzt ist und 216 - 1 = 65535 Hz beträgt. Dies reicht eindeutig nicht aus, da die Mikrocontroller-Elemente bis zu einer Frequenz von 32 MHz betriebsfähig sind. Der einfachste Weg, die maximal gemessene Frequenz zu erhöhen, besteht darin, das Messintervall zu verkürzen. Eine Reduzierung um das Vierfache führt beispielsweise zu einer Vervierfachung des Maximalwerts der gemessenen Frequenz. Gleichzeitig erhöht sich die Diskretion seiner Messung um den gleichen Betrag, da jeder Impuls viermal mehr „wiegt“. Daher ist dieser Weg unpraktisch. Es ist möglich, eine Erhöhung der maximal gemessenen Frequenz zu erreichen, ohne die Messauflösung zu erhöhen, indem nur die Bittiefe des Eingangssignalimpulszählers erhöht wird. Die ATxmega-Mikrocontroller-Architektur bietet diese Möglichkeit, indem sie die Reihenschaltung mehrerer Timer-Zähler ermöglicht. Um einen 32-Bit-Zähler zu erhalten, kombinieren Sie einfach zwei 16-Bit-Timer-Zähler. Ein Überlauf eines 32-Bit-Zählers pro Sekunde kann nur bei einer Frequenz von 2 - 1 = 4294967295 Hz auftreten, daher ist die Obergrenze der gemessenen Frequenz in diesem Fall nur durch die Frequenzeigenschaften der Mikrocontroller-Elemente begrenzt und beträgt 32 MHz. Zweitens ist es notwendig, das Eingangssignal von der Portleitung zum Timer-Zähler zu „bringen“ und diesen zu zwingen, Impulse in einem weiten Bereich ihrer Wiederholungsraten zu zählen. Drittens ist es notwendig, einen strikt synchronen Betrieb aller am Zählvorgang beteiligten Mikrocontroller-Elemente sicherzustellen, unabhängig vom Betrieb seiner anderen Komponenten, um verschiedene Arten unvorhersehbarer Zählfehler zu vermeiden. Ein wunderbares Werkzeug, das in der ATxmega-Mikrocontroller-Familie verfügbar ist, wird dabei helfen, diese Schwierigkeiten zu überwinden – das Ereignissystem [4]. Mit seiner Hilfe können Sie alle für den Betrieb notwendigen Signale erzeugen und mit möglichst geringer und vor allem stabiler Verzögerung von der Quelle zum Empfänger transportieren. Das Funktionsdiagramm des im betrachteten Gerät implementierten Frequenzmessers ist in Abb. dargestellt. 2. Mit der I/O-Port-Hardware können Sie den Status jeder seiner Leitungen analysieren und bei Änderungen Ereignisse generieren. Generieren Sie beispielsweise Ereignisse für jede steigende oder fallende Flanke des Eingangssignals. Timer-Zähler sind in der Lage, nicht nur die internen Taktimpulse des Mikrocontrollers, sondern auch Ereignissignale zu zählen. Daraus wird deutlich, wie die Zählung der Eingangssignalimpulse organisiert ist.
Das Signal wird der Leitung PF3 zugeführt, die als Eingang konfiguriert ist und Ereignisse basierend auf zunehmenden Signalunterschieden generiert (ein Ereignis für jede Periode). Der Timer-Zähler TCC1 arbeitet im Zählermodus für Ereignisse, die über Kanal 3 des Ereignisrouters übermittelt werden. Außerdem generiert und sendet er Überlaufereignisse (OVF) seines 4-Bit-Zählregisters an Kanal 16 des Routers. Sie werden vom Timer-Zähler TCD1 gezählt, der für den Betrieb im Modus eines 16-Bit-Zählers der über Kanal 4 übermittelten Ereignisse konfiguriert ist. Einmal pro Sekunde, am Ende des Zählintervallsignals, das vom Timer-Zähler TCF0 erzeugt wird, der zum Zählen der Synchronisationsimpulse des Mikrocontrollers konfiguriert ist, „klebt“ das Programm die Ergebnisse der TCC1- und TCD1-Zähler-Timer in ein 32-Bit-Wort und weist es zu Wert zu einer Variablen. Anschließend werden alle Timer-Zähler neu gestartet und ein neuer Frequenzmesszyklus gestartet. Hauptmerkmale im Frequenzmessmodus
Die Hauptquellen für Frequenzmessfehler sollten berücksichtigt werden: 1. Ungenauigkeit bei der Einstellung der Taktfrequenz des Mikrocontrollers, wodurch die tatsächliche Dauer des Messintervalls von einer Sekunde abweicht. Dieser Fehler besteht aus zwei Komponenten: systematisch und zufällig. Die systematische Komponente ist das Ergebnis der Ungleichheit zwischen der tatsächlichen durchschnittlichen Taktfrequenz und dem Nennwert. Es ist dauerhaft und kann kompensiert werden. Wie das geht, wird weiter unten besprochen. Der Zufallsanteil des Fehlers entsteht durch Schwankungen in der Frequenz des Taktgenerators. Es gibt eine ganze Reihe von Faktoren, die dazu führen. Dies sind Instabilität und Pulsationen der Versorgungsspannung, Eigenrauschen der Generatorelemente, Temperatureinfluss etc. Um die schädlichen Auswirkungen solcher Faktoren zu minimieren, kommen in hochwertigen Geräten eine ganze Reihe von Maßnahmen zum Einsatz, auch thermische Stabilisierung und Vibrationsschutz des Taktgenerators. Diese Art von Fehlern kann jedoch nur reduziert, aber nicht vollständig beseitigt werden. Im Originalexemplar des Gerätes überschreitet er ± 0,001 % nicht. Dies bedeutet, dass eine Frequenz von 5 MHz mit einem Fehler von ±50 Hz gemessen wird. 2. Stichprobenfehler des Messergebnisses. Es ist jedem bekannt, der sich schon einmal mit einem digitalen Messgerät beschäftigt hat. Der Ursprung dieses Fehlers wird durch die Diagramme in Abb. erklärt. 3. Abhängig von der relativen Lage der Grenzen des Messintervalls auf der Zeitachse und den vom Zähler erfassten Änderungen des Messsignals kann das Zählergebnis um eins abweichen. Beispielsweise können im in der Abbildung gezeigten Fall 6 oder 7 Impulse mit einer tatsächlichen Wiederholrate von etwa 6,6 Hz (bei einem Zählintervall von 1 s) gezählt werden. Dieser Effekt bleibt bei jedem Verhältnis zwischen der gemessenen Frequenz und dem Zählintervall bestehen. Wenn eine Messung viele Male wiederholt wird, „springt“ die niedrigstwertige Ziffer ihres Ergebnisses von Zyklus zu Zyklus um eins. Die relative Größe dieses Fehlers nimmt umgekehrt proportional zur gemessenen Frequenz zu. Beispielsweise wird eine Frequenz um 100 Hz mit einem durchschnittlichen relativen Fehler von ±0,5 % gemessen. Bei Frequenzen von mehreren Megahertz und höher kann der Abtastfehler vernachlässigt werden. Hier überwiegt der Zufallsanteil der Dauer des Messintervalls.
Der Programmblock, der Frequenzmessungen durchführt, wurde wie das gesamte Programm im Programmentwicklungssystem BASCOM AVR entwickelt. Beim Aufrufen des Frequenzmessermodus konfiguriert das Programm die Elemente der internen Struktur des Mikrocontrollers, die an der Frequenzmessung beteiligt sind, entsprechend: - Leitung PF3, an der das Eingangssignal empfangen wird, ist als Eingang konfiguriert, der Ereignisse basierend auf zunehmenden Signalabfällen generiert, und Kanal 3 des Ereignisrouters ist für die Übertragung von Signalen über diese Ereignisse konfiguriert: Portf_pin3ctrl=1 Evsys_ch3mux=&B01111011 - konfiguriert den Timer-Zähler TCF0 so, dass er ein Messintervall von 1 s Dauer generiert: config Tcf0=Normal,Prescale=7 Tcf0_per=31249 - konfiguriert den TCC1-Timer-Zähler, um Ereignisse zu zählen, die über Kanal 3 des Routers von Leitung PF3 eintreffen: config Tcc1=Normal Tcc1_ctrla=&B00001011 Tcc1_ctrld=&B00001011 und Kanal 4 des Routers – zur Übertragung von Signalen über den Überlauf des Timer-Zählers TCC1: Evsys_ch4mux=&B11001000 - konfiguriert den Timer-Zähler, um Ereignisse zu zählen, die von Kanal 4 des Routers kommen: config Tcd1=Normal Tcd1_ctrla=&w00001100 Tcd1_ctrld=&w00011100 Dadurch bilden die Timer-Zähler TCC1 und TCD1 einen einzigen 32-Bit-Zähler. Jetzt ist das System bereit, die Perioden des gemessenen Signals zu zählen. Darüber hinaus ist es bereits im Gange, da jedes der betrachteten Geräte sofort nach der Initialisierung zu arbeiten beginnt. Um jedoch das richtige Ergebnis zu erhalten, ist es notwendig, zu Beginn des Messintervalls mit der Zählung der Ereignisse bei Null zu beginnen. Daher sollte der Messzyklus mit dem gleichzeitigen Zurücksetzen aller drei daran beteiligten Timer-Zähler beginnen. Besonders wichtig ist es, mit dem Beginn des Messintervalls (dem Zeitpunkt des Neustarts des Timers TCF0) den Zeitpunkt des Neustarts des Timer-Zählers TCC1 zu verknüpfen, der mit der höchsten Geschwindigkeit arbeitet. Die Frage, den Zeitpunkt des Neustarts des TCD1-Timer-Zählers strikt an den Beginn des Messintervalls zu knüpfen, ist nicht so dringlich. Das erste Ereignis, das gezählt werden muss, tritt nur ein, wenn der Timer-Zähler TCC1 überläuft. Obwohl der Mikrocontroller die Möglichkeit hat, mehrere Timer-Zähler gleichzeitig neu zu starten, wird dies nur über das Ereignissystem implementiert. Eine Verwendung ist im vorliegenden Fall nicht möglich, da der Timer-Zähler TCC1 für den Empfang von Ereignissignalen von Kanal 3 konfiguriert ist und ohne Neukonfiguration keine Ereignissignale von anderen Kanälen empfangen kann. Daher kann nur der Prozessor einen Neustartbefehl an die Timer-Zähler erteilen, und zwar jeweils nur einen. Der Frequenzmesszyklus besteht aus zwei Phasen: der eigentlichen Messung und der Ergebnisbildung. Die Messphase wird durch die folgenden fünf Programmzeilen beschrieben: Tcf0_ctrlfset=&B00001000 Tcc1_ctrlfset=&B00001000 Tcd1_ctrlfset=&B00001000 Bitwait Tcf0_intflags.0, Set Evsys_ch3mux=&B00000000 Die ersten drei Zeilen dieses Fragments starten die Timer-Zähler in der Reihenfolge TCF0, TCC1, TCD1 neu. Daher beginnt der Timer-Zähler TCC1 mit der Zählung von Ereignissen nicht zu Beginn des vom Timer-Zähler TCF0 gezählten Messintervalls, sondern mit einer Verzögerung Δt1 relativ zu diesem Moment (Abb. 4). Sie entspricht der Dauer des Prozessor-Neustartvorgangs des TCC1-Timer-Zählers. Anschließend startet der Prozessor mit der gleichen Verzögerung den Timer-Zähler TCD1 neu und beginnt anschließend auf das Ende des Messintervalls zu warten. Wenn dieser Moment kommt, setzt der TCF0-Timer-Zähler das Überlauf-Interrupt-Anforderungsflag im nullten Bit des TCF0_JNTFLAGS-Registers.
Nachdem dieses Flag erkannt wurde, muss der Prozessor verhindern, dass der TCC1-Timer-Zähler weitere Zählereignisse (Perioden des gemessenen Signals) zählt. Dies kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. In unserem Fall besteht der letzte Vorgang der Messphase einfach darin, Kanal 3 des Event-Routers zu deaktivieren. Für diesen Vorgang benötigt er die Zeit Δt2 (Abb. 4), währenddessen die Zählung der Perioden fortgesetzt wird. Wenn Δt2 ≠Δt1, die tatsächliche Dauer von Zählereignissen (Frequenzmessungen) unterscheidet sich um Δt2 - Δt1 Aus der gegebenen Dauer des Messintervalls resultiert daraus eine weitere Komponente des Messfehlers. Um dies zu verhindern, müssen diese Verzögerungen ausgeglichen werden. Allerdings ist es in einem Programm, das in einer Hochsprache (einschließlich BASCOM AVR) geschrieben ist, schwierig, die genauen Werte ihrer Dauer zu bestimmen, da der Programmierer den Algorithmus zur Übersetzung der verwendeten Sprachkonstrukte in Maschinenbefehle nicht kennt. Daher sind in einem realen Programm die Fragmente, die den Timer-Zähler TCC! neu starten sowie das Ende des Messintervalls aufzeichnen und TCC! stoppen, in Assemblersprache geschrieben und es werden Maßnahmen ergriffen, um die gleiche Ausführungsdauer sicherzustellen dieser Fragmente. Dadurch wird die Gleichheit Δt erreicht2 = ∆t1 und damit die Gleichheit der tatsächlichen Dauer des Messintervalls mit der gegebenen. Als nächstes betrachten wir die im Gerät implementierte Methode zur Beseitigung des systematischen Fehlers, der mit der Ungleichheit der Taktfrequenz des Mikrocontrollers vom Nennwert verbunden ist. Wie oben erwähnt, ist die Folge einer solchen Diskrepanz die Abweichung der Dauer des Messintervalls vom geforderten Wert von 1 s und die proportionale Abweichung des gemessenen Frequenzwerts vom tatsächlichen Wert. Zunächst muss diese Abweichung gemessen werden. Dazu benötigen Sie einen Standardsignalgenerator mit einer Frequenz von mehreren Megahertz oder einen Satz eines ausreichend stabilen Generators und einen Standardfrequenzmesser. Das Generatorsignal wird an den Buchsen 8 und 3 (gemeinsam) des Steckers X5 des Geräts eingespeist. Die Codes aus der dem Artikel beigefügten Datei Osc-Volt-2_03.hex werden in den Programmspeicher des Geräte-Mikrocontrollers geladen. Nach dem Einschalten wird das Gerät in den Frequenzmessermodus geschaltet und die Frequenz des Referenzgenerators gemessen. Die Messung muss 10-20 Mal wiederholt werden, danach muss der durchschnittliche gemessene Frequenzwert F berechnet werdengeändert. Der Korrekturfaktor wird anhand der Formel berechnet K=Farr/Fgeändert, wobei Farr - Frequenz des Referenzgenerators. Um den K-Koeffizienten in das Programm einzugeben, müssen Sie die auskommentierte Zeile in der Datei Osc-Volt-2_03.bas (dem Quelltext des Programms) finden. Kompensation: 'Temp2=Temp2*1.000004 Um das Auffinden zu erleichtern, trägt es die Bezeichnung „Entschädigung:“. Es sollte auskommentiert werden und der Multiplikator 1.000004 (dieser Wert gilt für die Kopie des Geräts des Autors) durch den gefundenen Wert des Korrekturfaktors K ersetzt werden. Danach ist es notwendig, das korrigierte Programm zu kompilieren und die Codes zu laden aus der resultierenden HEX-Datei in den Programmspeicher des Mikrocontrollers. Wie bereits erwähnt, wird das Signal, dessen Frequenz gemessen werden soll, der Buchse 8 des Steckers X5 des Geräts zugeführt, von wo aus es dem PF3-Eingang des Mikrocontrollers zugeführt wird. Es ist klar, dass der Mikrocontroller nur ein solches Signal korrekt wahrnehmen kann, dessen Pegel denen der Drei- oder Fünf-Volt-Logik entsprechen. Um die Frequenz von Signalen anderer Formen (z. B. Sinusform) zu messen, ist ein zusätzlicher Shaper erforderlich. Gute Ergebnisse werden mit der in [5] beschriebenen Komparatorsonde erzielt. Es kann an den Anschluss X5 des Geräts angeschlossen werden. Sie müssen nur von Tafel A aus einreichen! Gerät, um Steckplatz 2 dieses Anschlusses mit einer Spannung von +5 oder +3,3 V zu belegen, um die Sonde mit Strom zu versorgen (sie ist bei jedem der angegebenen Spannungswerte betriebsbereit). Schließen Sie die Sonde gemäß dem Diagramm in Abb. an. 5.
Die Bildschirmansicht der Instrumentenanzeige im Frequenzzählermodus ist in Abb. 6 dargestellt. XNUMX.
In diesen Modus gelangt man vom regulären Modus des Logikanalysators aus durch Drücken der Taste „LA“. Schalten Sie das Gerät vom Frequenzmessermodus in einen anderen Modus um, indem Sie die folgenden Tasten drücken: "OS" - zum Oszilloskopmodus; "LA" - zum Logikanalysatormodus; "GN" - im Signalgeneratormodus. Das Mikrocontroller-Programm kann von ftp://ftp.radio.ru/pub/2015/09/combi2-03.zip heruntergeladen werden. Literatur
Autor: A. Savchenko
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