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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK USB-Spannungsrekorder mit Oszilloskop-, Spektrumanalysator- und Frequenzgang-Messfunktionen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Der Hardwareteil dieses Rekorders ist ein ADC, der über einen Hochgeschwindigkeitskommunikationskanal mit einem Computer über den USB-Bus ausgestattet ist und mithilfe eines programmierbaren Logikchips (FPGA) implementiert ist. Und das vom Autor entwickelte Computerprogramm ermöglicht nicht nur die Aufzeichnung des digitalisierten Signals in einer Datei, sondern auch die Anzeige seines Oszillogramms und Spektrums und sogar die Messung des Amplitudenfrequenzgangs (AFC) eines Filters oder eines anderen linearen Geräts Eingang, an dessen Eingang ein Testsignal vom im Rekorder eingebauten Generator angelegt wird. Im betrachteten Recorder werden die Abtastwerte des untersuchten Signals, die der ADC mit einer Frequenz von 960 kHz aufnimmt, dem Eingang des FPGA zugeführt, der den parallelen Code des ADC in seriell umwandelt. In jeder Gruppe von fünf Acht-Bit-Bytes, die weiter an den UART-USB-Konverter übertragen werden, platziert der FPGA vier Zehn-Bit-ADC-Codes. Darüber hinaus werden die Informationen zur Verarbeitung und Speicherung über USB an einen Computer übertragen. Das Kommunikationsprotokoll mit einem Computer und andere Funktionen im Rekorder werden mithilfe eines Mikrocontrollers implementiert. Das FPGA und der Mikrocontroller werden über denselben UART-USB-Konverter programmiert, der auch für die Informationsübertragung verwendet wird. Für die Arbeit mit dem Rekorder wurde in der LabVIEW-Umgebung ein Programm entwickelt, das den Empfang von Informationen, deren Anzeige und Speicherung umsetzt. Darüber hinaus implementiert es einen Algorithmus zum Entfernen des Frequenzgangs eines externen Schaltkreises, der an den Rekorder angeschlossen ist, bei Frequenzen von 0,1 Hz bis 480 kHz. Eine Besonderheit dieses Algorithmus besteht darin, dass zur Schätzung der Amplituden-Frequenz-Charakteristik der untersuchten Schaltung die Harmonischen der Wiederholungsfrequenz von Rechteckimpulsen verwendet werden, die vom Mikrocontroller des Rekorders erzeugt werden. Die Aufgabe bestand darin, ein Gerät zur kontinuierlichen Übertragung von Messwerten des momentanen Spannungswerts im Bereich von 15 bis +15 V an einen Computer in Echtzeit mit einer Abtastfrequenz von 960 kHz und einer Auflösung von grundsätzlich zehn Binärziffern zu entwickeln. konnte ohne FPGA mithilfe eines ADC und eines Mikrocontrollers mit integriertem USB-Anschluss gelöst werden, der als virtueller COM-Anschluss fungiert. Allerdings wäre die Geschwindigkeit der Informationsübertragung in diesem Fall nicht hoch genug. Bei Verwendung zusammen mit dem ADC und dem Mikrocontroller, der Mikroschaltung des UART-USB-Schnittstellenkonverters FT2232H, die eine Informationsübertragung mit einer Geschwindigkeit von 12 Mbit/s ermöglicht, besteht das Problem, einen Mikrocontroller zu finden, dessen UART mit einer solchen Geschwindigkeit arbeiten kann. Daher wurde eine Methode gewählt, die sich von der vorherigen durch die Verwendung eines FPGA unterscheidet, das die vom ADC generierten Informationen im Parallelcode liest und in ein für UART charakteristisches serielles Format umwandelt. Das Gerät verwendet einen Zehn-Bit-ADC10030-ADC mit parallelem Ausgang und einer maximalen Abtastrate von 30 MHz. Die Ergebnisse seiner Arbeit werden vom FPGA EPM3064ALC44-10N empfangen und verarbeitet, der 64 programmierbare logische Makrozellen und 44 I/O-Leitungen enthält. Jeder vom ADC erzeugte Eingangssignalabtastwert ist ein Zehn-Bit-Binärcode, und der FT2232H UART-USB-Konverter empfängt Informationen in Acht-Bit-Bytes. Aus diesem Grund implementiert das FPGA ein Gerät, das alle vier Samples in fünf Bytes packt. Anschließend versorgt er jedes Byte mit Start- und Stoppbits und überträgt sie seriell mit 12 MBaud an den FT2232H-Chip zur Übertragung an einen Computer über USB. Das Diagramm des Rekorders ist in Abb. dargestellt. 1. Es wird mit einer konstanten Spannung von 7 ... 9 V gespeist, die vom XP3-Anschluss zum integrierten Stabilisator DA6 7805 und von diesem mit einer abnehmbaren Brücke S4 in Position 1-2 zu einem 3,3-V-Spannungsregler geliefert wird LM1117-3.3 (DA7). Um das Arbeiten mit dem Gerät während des Debuggens zu erleichtern, ist es möglich, es über den USB-Anschluss mit Strom zu versorgen. Dazu muss die Steckbrücke S4 auf Position 2-3 umgesteckt werden. Im Normalbetrieb ist eine solche Stromversorgung jedoch nicht akzeptabel, da die vom USB-Anschluss entnommene Spannung oft merklich von 5 V abweicht, was zu einer Änderung der Umwandlungsskala des untersuchten Signals im ADC führt.
Der 24-MHz-Taktgenerator für ADC und FPGA basiert auf den Elementen des DD2 74HC04D-Chips und wird durch den ZQ2-Quarzresonator stabilisiert. Um das Protokoll für die Kommunikation mit einem Computer, die Bildung diskreter Signale und die Erzeugung von Rechteckimpulsen zu implementieren, wurde ein DD1 ATMega8A-Mikrocontroller in den Rekorder eingebaut, der mit einer Taktfrequenz von 16 MHz arbeitet, spezifiziert durch einen ZQ1-Quarzresonator. Der Informationsaustausch zwischen Computer und Mikrocontroller erfolgt ebenfalls über den FT2232H (DD4)-Chip, allerdings über einen anderen Kanal. Um mit dem FPGA und dem Mikrocontroller zu kommunizieren, müssen im Betriebssystem des Computers, der mit dem Rekorder arbeitet, zwei virtuelle COM-Ports organisiert werden. Das zu untersuchende Signal wird über den XP1-Anschluss dem Eingang der Operationsverstärkerstufe DA2 AD825ARZ zugeführt, bei der es sich um einen 15-fach invertierenden Signaldämpfer handelt. Der Nullpegel am Ausgang des Operationsverstärkers DA2 kann mit dem Trimmerwiderstand R1 voreingestellt werden. Dadurch wird das untersuchte Signal in den zulässigen Bereich der ADC-Eingangsspannungsänderung gebracht. Der Operationsverstärker DA2 wird mit einer Spannung von +/-15 V betrieben, die von +5 V einen unipolaren Gleichspannungswandler in einen bipolaren AM1D-0515DH30Z (U1) umwandelt. Die Widerstände R19 und R20 stellen die für den ordnungsgemäßen Betrieb erforderliche Mindestlast des Wandlers dar. Durch Neuanordnen der abnehmbaren Jumper S1 und S2 von Position 2-3 auf Position 1-2 können Sie auf die Stromversorgung des DA2-Mikroschaltkreises mit einer externen Spannung von +/- 15 V umschalten, die an den XP4-Anschluss angelegt wird. Auf Wunsch können Sie über den Konverter U1 externe Geräte mit einer Stromaufnahme von maximal 35 mA versorgen. Referenzspannungen für den ADC DA5 werden von den Operationsverstärkern DA3.1 und DA3.2 gemäß dem in der Beschreibung des ADC empfohlenen Schema gebildet. Der parallele Code von den ADC-Ausgängen gelangt zum DD3-FPGA, wo er in einen seriellen UART-Code umgewandelt wird. Dann geht es an den DD4 FT2232H Chip. Der XP2-Anschluss dient zur Steuerung externer Geräte mit 3,3-V-Logikpegelsignalen über acht Kanäle. Darüber hinaus werden an diesen Anschluss eine 3,3-V-Gleichspannung und ein gemeinsamer Draht angeschlossen, um externe Geräte mit Strom zu versorgen. Die Anschlüsse XP5 und XP6 sind für die Programmierung von daran angeschlossenen Geräten mit einer Versorgungsspannung von 3,3 V vorgesehen. Am XP7-Anschluss werden Spannungen von 3,3 V, 5 V und ein gemeinsames Kabel zur Stromversorgung externer Geräte sowie ein Impulssignal mit einer Frequenz von 24 MHz (Taktfrequenz des ADC und FPGA) ausgegeben. Pin 4 dieses Steckers ist mit Pin 14 des DD3 FPGA verbunden, der in der beschriebenen Version des Geräts nicht verwendet wird. An den XP8-Anschluss sind LEDs angeschlossen, die den Betriebsmodus des Konverters signalisieren: HL1 - Vorhandensein der Versorgungsspannung; HL2 - Übertragung von Informationen vom Mikrocontroller zum Computer; HL3 - Übertragung von Informationen von einem Computer zu einem Mikrocontroller; HL4 - Übertragung von Informationen vom FPGA zum Computer; HL5 - Übertragung von Informationen vom Computer zum FPGA; HL6 - der Generator der Rechteckimpulse ist enthalten; HL7 - Die Übertragung von Informationen vom FPGA wird vom Mikrocontroller zugelassen; HL8 - FPGA überträgt Informationen. Eine Zeichnung der Leiterplattenleiter ist in Abb. dargestellt. 2 (Seite 1) und Abb. 3 (Seite 2). Die Position der Elemente auf diesen Seiten der Platine - jeweils in Abb. 4 und Abb. 5. Die Platine bietet Platz für Elemente, die nicht im Diagramm dargestellt sind. Aus ihnen können Sie einen U-förmigen Eingangsdämpfer oder Filter zwischen dem XP1-Anschluss und dem R4-Widerstand und einen L-förmigen Filter zwischen dem DA2-Ausgang des Operationsverstärkers zusammenbauen und der DA5 ADC-Eingang. Um das Signal ohne Dämpfungsglied und Filter durchzulassen, werden anstelle ihrer seriellen Elemente Steckbrücken für die Oberflächenmontage installiert. Zwei weitere Jumper ersetzen die mit den Widerständen R5 und R8 in Reihe geschalteten Widerstände, wenn eine genaue Auswahl der ADC-Referenzspannung erforderlich ist.
Für das DD3 FPGA im PLCC-44-Paket muss ein Panel auf der Platine installiert werden. Der integrierte Stabilisator DA6 ist auf einem Rippenkühlkörper mit den Maßen 22x20x15 mm montiert. Der Rekorder ist in einem Gainta G715-Gehäuse montiert; sein Aussehen ist in Abb. dargestellt. 6. An der Frontplatte sind LEDs befestigt und Löcher für die Anschlüsse XP1, XP2, XP4, XP7 sind angebracht. Von der Rückseite aus besteht Zugang zum Schalterblock SA1, Anschlüsse XS1, XP5, XP6.
Die Struktur des im FPGA implementierten Geräts wird in der VDHL-Sprache beschrieben. Übersetzung und Debugging wurden in der Entwicklungsumgebung Quartus 11 Version 10.1 durchgeführt. Eingangssignale: clk - Taktsignal; P - Array von Signalen, die vom Mikrocontroller kommen; ADC_data – Array von Signalen, die vom ADC kommen; rx - Signal kommt von FT2232H. Ausgangssignale: P1 - Signal für den Mikrocontroller; tx - Signal für FT2232H bestimmt; PHL - Signal, das die LED HL8 steuert; PPD - ADC-Ausschaltsignal; POE - ADC-Ausgangsaktivierungssignal; POUT - Signalausgabe an den XP7-Anschluss. Variablen: count - Zähler der Anzahl der übertragenen Bytes; start_bit – Anzeige des Beginns der Byteübertragung; stop_bit - Zeichen des Abschlusses der Datenübertragung; ADC_data_buf – ADC-Informationsspeicherpuffer; rx_bit - ein Zeichen für den Beginn des Informationsempfangs. Beim Übergang des Taktsignals von einem niedrigen auf einen hohen Pegel wird der Empfang der Startentladung überprüft (Tabelle 1). Wenn die Übertragung dann läuft, wird der Inhalt des Zählers der übertragenen Bytes um eins erhöht (Tabelle 2). Wenn der Inhalt des Zählers den Wert 100 erreicht, erfolgt dies gemäß der Tabelle. In 3 wird es auf Null gesetzt und es wird geprüft, ob ein Übertragungsabschlussbefehl vorliegt (P(6)=0). Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3
Beim Übergang des Taktsignals von High nach Low vor Beginn der Übertragung wird eine Pufferung der Informationen vom ADC durchgeführt (Tabelle 4), um deren Änderung während der Übertragung zu verhindern. Tabelle 4
Die restlichen Schritte bestehen darin, die Erlaubnis oder das Verbot der Übertragung von Informationen vom Mikrocontroller zu prüfen. Im aktivierten Zustand leuchtet die HL8-LED und das Zeichen für den Abschluss der Übertragung wird entfernt, wenn das Anforderungsbyte empfangen wurde (Tabelle 5). Die Übertragung der Start- und Stoppbits erfolgt gemäß Tabelle. 6 und Informationen aus dem ADC-Puffer – Tabelle. 7 (jedes Bit wird in zwei Zählzyklen übertragen). Tabelle 5
Tabelle 6
Tabelle 7
Das Programm für den Mikrocontroller ist in der Entwicklungsumgebung ImageCraft in C-Sprache geschrieben. Nach dem Einschalten des Geräts initialisiert es die Mikrocontroller-Peripheriegeräte und tritt dann in die Hauptschleife ein, wobei sich der Mikrocontroller-UART im Empfangs-Standby-Modus befindet. Beim Empfang eines Bytes wird ein Interrupt-Handler gestartet (Tabelle 8). Dieses Byte wird in das rx_arr-Array am rx_count-Index geschrieben (wenn das erste Byte des Pakets empfangen wurde, dann ist rx_count=0), woraufhin rx_count um eins erhöht wird. Anschließend erfolgt ein Neustart des Timers 0, dessen Ablauf als Zeichen für das Ende des Pakets dient. Tabelle 8
Wenn das nächste Byte nicht innerhalb der angegebenen Zeit empfangen wird, erfolgt auf Anforderung von Timer 0 ein Interrupt. Im Handler dieses Interrupts (Tabelle 9) wird der Timer gestoppt und das Empfangsende-Flag f_rx gesetzt. Tabelle 9
Wenn ein Informationspaket empfangen wird (f_rx= 1), beginnt die Hauptschleife mit der Analyse, der Ausführung der darin enthaltenen Befehle und der Generierung von Antworten. Zuerst werden der Header und das Ende des Pakets überprüft, dann der Befehlscode. Nach erfolgreicher Prüfung beginnt die Ausführung des im Paket enthaltenen Befehls. Wird ein Fehler festgestellt, wird ein Negativbeleg generiert. Folgende Befehle sind im Programm implementiert: - "Test" - wird verwendet, um die Verbindung zu überprüfen; - „E/A-Zustände festlegen“ – legt die angegebenen logischen Pegel an den Mikrocontroller-Pins fest, die mit dem XP2-Anschluss verbunden sind. Anschlusspin 2 (IO1-Schaltkreis) entspricht dem LSB des Befehlsdatenbytes und Pin 9 (IO8-Schaltkreis) entspricht dem MSB; - „FPGA-bezogene E/A-Zustände festlegen“ – legt die angegebenen logischen Pegel an den Mikrocontroller-Ausgängen PD4-PD7, PB1, PC2, PC3 fest, die dem FPGA zugeordnet sind. Die Ausgänge werden in der Reihenfolge ihrer jeweiligen Befehlsdatenbyte-Bits von eins bis sieben aufgelistet. Der Wert des niedrigstwertigen Bytes (Null) des Bytes kann beliebig sein, da der Zustand des PD3-Ausgangs durch diesen Befehl nicht geändert werden kann. Es wird verwendet, um eine Interrupt-Anfrage vom FPGA zu empfangen; - „Starten Sie den Generator von Rechteckimpulsen (mit einer Periode, die ein Vielfaches von 2 s ist)“ – startet den angegebenen Generator von Rechteckimpulsen (das Tastverhältnis aller vom Rekorder erzeugten Impulse ist gleich zwei). Das Befehlsdatenbyte muss den Wert der Impulswiederholungsperiode enthalten, die im Intervall von 2-2 s in Schritten von 254 s liegen kann. Am Ausgang des Mikrocontrollers PB3 werden Impulse erzeugt, indem der Zustand im Interrupt-Handler von Timer 1 per Software umgeschaltet wird. Sie werden an Pin 5 des XP2-Steckers ausgegeben; - „Starten Sie den Generator von Rechteckimpulsen (mit einer Periode, die ein Vielfaches von 2 s ist) nach dem Starten des ADC“ – unterscheidet sich vom vorherigen Befehl dadurch, dass er den Generator synchron mit dem Beginn der Informationsübertragung vom FPGA zum Computer startet ; - „Rechteckgenerator starten“ – startet den Rechteckgenerator mit einer Frequenz von 30 Hz bis 8 MHz. Die vier Datenbytes müssen den Frequenzwert in Hertz enthalten. Der Generator wird ausgeschaltet, indem die Frequenz auf Null gesetzt wird. Da die Wiederholungsperiode der erzeugten Impulse immer ein Vielfaches der Dauer des Mikrocontroller-Maschinenzyklus beträgt, kann die tatsächliche Häufigkeit ihrer Wiederholung von der angegebenen abweichen. Sein genauer Wert (mit einer Auflösung von 1 Hz) ist in der Antwort auf den Befehl enthalten. Die Impulse werden an Pin 5 des XP2-Steckers ausgegeben, der mit dem PB3-Ausgang des Mikrocontrollers verbunden ist. Um die Übertragung von Informationen vom FPGA zu starten, muss diese aktiviert werden, indem am Eingang 16 des FPGA ein hoher Logikpegel eingestellt und dann ein Byte über den COM-Port an den FPGA übertragen wird. Die Erlaubnis wurde eingeführt, um die Übertragung bequem beenden zu können, indem der Eingang 16 des FPGA auf eine logische Null gesetzt wird. Da die Übertragung vom Mikrocontroller zugelassen wird, muss dieser ein beliebiges Anforderungsbyte an den Mikrocontroller senden, um den Beginn der Übertragung vom FPGA mit dem Beginn des Informationsempfangs durch den Computer zu synchronisieren. Der Mikrocontroller kommuniziert mit dem Computer mit einer Rate von 1 MBaud mit acht Bits ohne Parität und einem Stoppbit. Um Informationen über USB über den FT2232H-Chip des Rekorders auszutauschen, ist es notwendig, die Treiber im Betriebssystem des Computers zu installieren, die auf der Internetseite [1] zu finden sind. Laden von Programmen in das FPGA und den Mikrocontroller. Die FPGA-Programmierung erfolgt nach der in [2] beschriebenen Methode. Vor dem Start ist es notwendig, die DIP-Schalter SA1 - SA3 in die in Abb. gezeigten Positionen bringen. 7a. Der Mikrocontroller wurde mit dem Programm AVRDude und der grafischen Shell SinaProg programmiert, die über die Links auf der Internetseite [3] heruntergeladen werden konnte. SinaProg erfordert die Installation der LabView RunTime Library [4] auf dem Computer.
In der Datei avrdude.conf ist es notwendig, die Pins des 2ftbb-Programmierers neu zuzuweisen und den Text der Datei um den in der Tabelle gezeigten Abschnitt zu ergänzen. 10. Tabelle 10
Im Anhang zum Artikel finden Sie die Programme AVRDude und SinaProg, in denen alle notwendigen Parameter bereits eingestellt sind. Wenn Sie mit der Programmierung des Mikrocontrollers beginnen, sollten Sie die Schalter SA1-SA3 des Registrars auf die in Abb. gezeigten Positionen stellen. 7b, verbinden Sie dann den XS1-Stecker des Rekorders mit dem USB-Anschluss des Computers und führen Sie das Programm SinaProg aus. Im Feld „Programmierer“ seines Fensters sollten Sie die Parameter 2ftbb, FTDI, 9600 einstellen. Drücken Sie dann nacheinander die Bildschirmtasten „<“ und „Suchen“, woraufhin ein Text ähnlich dem in der Tabelle gezeigten erscheint 11 sollte im Nachrichtenfenster erscheinen. elf . Stellen Sie über das Menü, das durch Drücken der Bildschirmschaltfläche „Erweitert“ im Feld „Sicherungen“ aufgerufen wird, die Mikrocontroller-Konfiguration ein: hoch – 0xC9, niedrig – 0xFF. Geben Sie im Feld „Hex-Datei“ den Namen der HEX-Datei mit den Mikrocontroller-Programmcodes an und klicken Sie im Flash-Feld auf die Schaltfläche „Programm“. Nach erfolgreichem Abschluss der Programmierung sollte im Meldungsfeld ein Text erscheinen, der mit den in Tabelle 12 gezeigten Zeilen endet. XNUMX. Tabelle 11
Tabelle 12
Wenn der Rekorder zum Programmieren von Geräten verwendet wird, die an den Anschluss XP6 oder XP7 angeschlossen sind, müssen die Schalter SA1-SA3 auf die in Abb. gezeigten Positionen eingestellt werden. 7, c. Die Positionen der Schalter während des normalen Betriebs des Rekorders sind in Abb. 7 dargestellt. XNUMX, g. Computerprogramm USB-960 wurde in der LabVIEW 2011-Umgebung entwickelt. Wenn diese Umgebung auf dem Computer nicht verfügbar ist, müssen die Pakete [5] und [6] installiert werden. Das Programm enthält elf virtuelle Untergeräte (VP): - ACPPLISUC_IOUC legt die Zustände der Ausgangsports des Mikrocontrollers fest, die an einen externen Anschluss ausgegeben werden; - ACPPLISUC_FREQ startet den Generator mit anschließender Messung der erzeugten Frequenz; - ACPPLISUC_TEST prüft die Verbindung zum Mikrocontroller; - ACPPLISUC_AFR_H misst den Frequenzgang des externen Schaltkreises bei fünf Frequenzwerten (nicht niedriger als 30,5 Hz); - ACPPLISUC_AFR_L misst den Frequenzgang des externen Schaltkreises bei einer Frequenz von Bruchteilen bis zu mehreren zehn Hertz; - ACPPLISUC_GEN2S startet einen Rechteckimpulsgenerator mit einer Wiederholungsperiode, die ein Vielfaches von 2 s ist; - ACPPLISUC_UNPACKDATA konvertiert vom Registrar empfangene Informationen in ein Array von ADC-Codewerten; - ACPPLISUC_ADCDATA liest Informationen, die während der angegebenen Zeit vom Registrar empfangen wurden; - ACPPLISUC_IOPLIS legt die Zustände der mit dem FPGA verbundenen Mikrocontroller-Ausgangsports fest; - ACPPLISUC_GEN startet einen Rechteckimpulsgenerator mit einer Wiederholfrequenz von 30,5 Hz und höher; - ACPPLISUC_GEN2Ss startet den Generator von Rechteckimpulsen mit einer Periode, die ein Vielfaches von zwei Sekunden ist, synchron mit dem Beginn des Lesens von Informationen vom Registrar; - ACPPLISUC_COM empfängt und überträgt Informationen über den virtuellen COM-Port, der dem Mikrocontroller zugeordnet ist. Das Hauptprogramm läuft in einer Endlosschleife, in der sich eine Fallstruktur befindet. Die aktuelle Seite wird durch die Auswahl einer Registerkarte im Hauptprogrammfenster bestimmt. Registerkarte „Signalaufzeichnung“. in Abb. dargestellt. 8. Durch Drücken der Taste „START“ wird der Empfang von Messwerten des untersuchten Signals für die im Feld „Messzeit, s“ angegebene Zeit gestartet. Dazu ist die Übertragung von Informationen vom FPGA erlaubt – in das VI ACPPLI-SUC_IOPLIS wird der Wert 128 geschrieben. Das eigentliche Auslesen erfolgt über das VI ACPPLISUC_ADCDATA, dessen Parameter die Messzeit ist. Dieses VI fordert Informationen durch Übergabe eines Nullbytes an und liest diese für die angegebene Zeit. Nach Ablauf wird die Übertragung deaktiviert, indem ein Nullwert in das VI ACPPLISUCJOPLIS geschrieben wird.
Wenn zuvor die Schaltfläche „In Datei schreiben“ gedrückt wurde, wird das untersuchte Signal in einer Binärdatei gespeichert, deren Name im Feld „Datei zum Speichern des Signals“ angegeben wird. Standardmäßig erfolgt das Speichern im Stammordner von Laufwerk C, was möglicherweise erfordert, dass das Betriebssystem des Computers das Programm mit Administratorrechten ausführt. Der Start des Generators für Rechteckimpulse erfolgt in den Feldern „Generatorstart“ und „Generatorstart mit einer Periode, die ein Vielfaches von 2 Sekunden ist“. Nach Abschluss des Empfangs wird im Feld „Signal“ das Oszillogramm des empfangenen Signals und im Feld „Amplitudenspektrum“ dessen Spektrum angezeigt. In den Feldern „RMS, V“ und „Durchschnittswert, V“ werden jeweils der Effektivwert und der Durchschnittswert des Signals angezeigt. Registerkarte „Oszilloskop“. in Abb. dargestellt. 9. Durch Drücken der Schaltfläche „START“ auf dem Bildschirm wird die While-Schleife gestartet, in der wiederholt (bis zum Drücken der Schaltfläche „STOP“) Informationen vom Registrar nach einem ähnlichen Algorithmus wie oben beschrieben empfangen werden. Um Signalclipping bei der Synchronisation und manuellem Offset zu vermeiden, ist die tatsächliche Aufnahmedauer doppelt so lang wie die angegebene. Nach Abschluss sucht das Signal nach den Zeitpunkten des Überschreitens des angegebenen Schwellenwerts (eingestellt mit dem „Threshold, B“-Regler), aus dem ein Array gebildet wird. Anschließend findet das Programm in diesem Array ein Element, das so nah wie möglich liegt auf 1/3 der Signaldauer. Er wird als Startpunkt der auf dem Bildschirm angezeigten Wellenform verwendet.
Mit dem Schieberegler „Offset, %“ können Sie die Wellenform verschieben. Die Schaltflächen „Aktuelles Signal speichern“ und „Lesen“ speichern das aktuell angezeigte Signal und lesen das zuvor gespeicherte Signal aus. Reiter „Frequenzgang entfernen“ in Abb. dargestellt. 10. Es ist möglich, den Frequenzgang einer linearen Schaltung [7] zu bestimmen, indem man ihren Eingang gleichzeitig oder nacheinander harmonischen Signalen verschiedener Frequenzen aussetzt und anschließend die Amplitude dieser Signale am Ausgang der Schaltung misst. Bei dem betrachteten Gerät zur Messung des Frequenzgangs werden anstelle harmonischer Signale vom Mikrocontroller erzeugte Rechteckimpulse verwendet. Ein Signal in Form von Rechteckimpulsen mit einem Tastverhältnis von 2 ist die Summe unendlich vieler harmonischer Signale (Harmonische), deren Frequenzen um ein ungerades Vielfaches höher sind als die Impulswiederholungsrate. Die Amplituden seiner Harmonischen betragen ungefähr 0,9 (erste), 0,3 (dritte), 0,18 (fünfte), 0,129 (siebte) und 0,1 (neunte) Impulsamplituden. Wenn man das Verhältnis der Harmonischen (Spektrum) des Signals am Eingang der untersuchten Schaltung kennt und es am Ausgang bestimmt, ist es möglich, den Frequenzgang dieser Schaltung bei harmonischen Frequenzen zu berechnen.
Der Registrar ermittelt den Frequenzgang mittels Rechteckimpulsen mit einem Tastverhältnis von 2 und einer Wiederholrate von 0,1; 0,5; 30,5, 60,1, 120,2, 240, 480,8, 961,5, 1923, 3846, 7692,3, 15384,6, 31250 und 61538,5 Hz. Durch Drücken einer der Bildschirmschaltflächen „START 0,1 Hz“ oder „START 0,5 Hz“ wird das VI ACPPLISUC_AFR_L mit einer Periode von 10 s bzw. 2 s gestartet. Dieses VI funktioniert folgendermaßen: - Mit dem VI sendet ACPPLISUC_GEN2SS einen Befehl zum Starten des Generators von Rechteckimpulsen mit einer bestimmten Periode; - empfängt während 1,5 Impulswiederholungsperioden Informationen vom ADC; - Leitet das empfangene Signal durch einen digitalen 2000-Hz-Tiefpassfilter, um hochfrequente Komponenten vor der Signaldezimierung zu entfernen. Geschieht dies nicht, kommt es zum Aliasing-Effekt [8]; - verdünnt das Signal und verwirft 47 von 48 seiner Abtastwerte, um weitere Berechnungen zu vereinfachen; - extrahiert aus dem Signal ein Fragment mit einer Dauer von genau einer Pulswiederholungsperiode; - berechnet das Amplitudenspektrum dieses Fragments; - Extrahiert aus dem erhaltenen Spektrum die Komponenten, die den ungeraden Harmonischen des Testsignals entsprechen, und teilt sie in bekannte Amplitudenwerte derselben Harmonischen des Originalsignals auf. Das Ergebnis ist der Frequenzgang der untersuchten Schaltung bei harmonischen Frequenzen. Durch Drücken der Bildschirmschaltfläche „START 30 Hz“ wird die for-Schleife gestartet, in der das VI ACPPLISUC_AFR_H ausgeführt wird, dessen Eingang die Impulsfrequenz- und Messzeitwerte empfängt. Am Ausgang dieses VP werden die Frequenzgangwerte bei fünf Harmonischen des Signals einer bestimmten Frequenz erhalten. Als Ergebnis des Zyklus werden drei Arrays gebildet: Frequenzen, bei denen der Frequenzgang gemessen wurde, Signale, die zur Berechnung des Frequenzgangs verwendet wurden, und Frequenzgangwerte. Als nächstes wird das Array der Frequenzgangwerte sortiert, um sein Diagramm auf dem Bildschirm weiter anzuzeigen. Das VI ACPPLISUC_AFR_H funktioniert wie folgt: - bei Verwendung des VIs ACPPLISUC_GEN wird ein Befehl zum Starten des Generators gesendet; - Informationen vom ADC innerhalb einer bestimmten Zeit erhält; - berechnet das Amplitudenspektrum des aufgezeichneten Signals; - Extrahiert aus dem erhaltenen Spektrum fünf Komponenten, die den Harmonischen des Testsignals entsprechen, dividiert ihre Werte durch die relativen Amplituden der Harmonischen des Signals, das an den Eingang der untersuchten Schaltung angelegt wird. Als Ergebnis werden fünf Messwerte der Frequenzgang erhalten. Es ist zu beachten, dass die Dauer der analysierten Signale unbedingt genau ein Vielfaches der Pulswiederholungsperiode betragen muss, da es sonst bei der Berechnung des Spektrums zu dessen „Ausbreitung“ [9] oder „Leckage“ [7] und der Analyse kommt Ergebnisse werden verfälscht. Durch Drücken der Bildschirmschaltflächen „Ergebnisse speichern“ und „Lesen“ wird der aktuell angezeigte Frequenzgang in die Festplattendatei geschrieben und der zuvor aufgezeichnete Frequenzgang ausgelesen. Um den Betrieb des Rekorders im Frequenzgang-Lesemodus zu testen, wurde ein auf einer Prototyping-Platine montierter Knoten gemäß der in Abb. gezeigten Schaltung daran angeschlossen. 11. Dies sind R1C2-Tiefpassfilter und R2C1-Hochpassfilter. Pufferfolger am Operationsverstärker des DA1-Chips eliminieren den Einfluss einer relativ hohen Ausgangsimpedanz des Generatorausgangs und einer niedrigen (1,5 kOhm) Eingangsimpedanz des Rekorders auf den Frequenzgang der Filter. Die Spannung +15 V und -15 V zur Versorgung der DA1-Mikroschaltung kann vom Xp4-Anschluss des Rekorders entfernt werden, wenn Sie jeweils drei Pins auf der Platine des letzteren miteinander verbinden, die für die Jumper S1 und S2 vorgesehen sind (nicht). (nicht mit den Jumpern S1 und S2 in Abb. 11 verwechselt werden, bei denen es sich um geschaltete Filter handelt).
Um den gemessenen Frequenzgang mit den durch Berechnung erhaltenen zu vergleichen, wurde das Programm „Comparison_AFC_with_calculation“ erstellt, das den Frequenzgang einer gegebenen RC-Schaltung berechnet und in den gleichen Koordinaten wie die gemessene aufzeichnet. Die Ergebnisse sind in Abb. dargestellt. 12 (Tiefpassfilter) und Abb. 13 (Hochpassfilter). Die berechneten Werte werden in Rot dargestellt, die Messwerte in Weiß. Außerdem wurden Kondensatoren mit einer Kapazität von 1 μF parallel zu C2 und C8 geschaltet und die in Abb. 14 und Abb. 15.
Registerkarte „Kalibrierung“. in Abb. dargestellt. 16. Bei der Durchführung dieses Vorgangs muss das Verhältnis zwischen der Spannung am Eingang des Rekorders und dem Wert des Codes am Ausgang des ADC eingestellt werden. Da diese Abhängigkeit linear ist, reicht es aus, die Koordinaten ihrer beiden Punkte einzugeben. Dazu wird an den Eingang des Rekorders eine konstante Spannung nahe dem Maximum angelegt. Sein Wert wird im Feld „Umax, V“ erfasst. Im Feld „ADC-avg.“ Der vom Programm gemittelte Wert des ADC-Ausgabecodes wird angezeigt. Er kann manuell in das Feld „ADC-max“ eingegeben werden oder über die Schaltfläche „Aktuellen ADC-Durchschnittswert als ADC-max schreiben“ auf dem Bildschirm verwendet werden.
Nachdem Sie eine konstante Spannung nahe dem Minimum an den Eingang des Geräts angelegt haben, geben Sie auf ähnliche Weise die Werte in die Felder „Umin, V“ und „ADC-min“ ein. Wie bereits erwähnt, können die tatsächlichen Frequenzen der bei der Entfernung des Frequenzgangs der Signale erzeugten Signale geringfügig von den angegebenen Werten abweichen, weshalb es unmöglich ist, die genaue Dauer der zu analysierenden Proben im Voraus zu kennen muss ein Vielfaches einer ganzzahligen Anzahl von Signalperioden sein. Zunächst müssen die tatsächlichen Frequenzwerte gemessen und die Abtastdauern berechnet werden. Diese Aktionen werden in einer Fallstruktur ausgeführt, die über die Schaltfläche „Zeiträume zum Auslesen des Frequenzgangs definieren“ aufgerufen wird. Die Ergebnisse werden in einer Textdatei gespeichert. Die Kalibrierung wird wie folgt durchgeführt: - Verbinden Sie den Eingang des Geräts mit einem gemeinsamen Kabel, indem Sie die Kontakte des XP1-Steckers verbinden; - Trimmwiderstand R1 im Fenster „ADC-average“ eingestellt. Werte von 511 bis 513 (durch Klicken auf die Bildschirmschaltfläche „Lesen“ zum Aktualisieren); - Schließen Sie eine Gleichspannungsquelle +1...13 V an den XP15-Anschluss an, geben Sie den genauen Wert dieser Spannung in das Feld „Umax, V“ ein; - Klicken Sie auf die Bildschirmschaltfläche „Lesen“, um das Signal zu digitalisieren und den Durchschnittswert des ADC-Codes zu bestimmen, und klicken Sie dann auf die Bildschirmschaltfläche „Den aktuellen Wert des ADC-Durchschnitts als ADC-max schreiben“; - Kehren Sie die Polarität der an den XP1-Anschluss angelegten Spannung um, geben Sie ihren Wert in das Feld „Umin, V“ ein, klicken Sie auf die Bildschirmschaltflächen „Lesen“ und dann auf „Schreiben Sie den aktuellen Wert des ADC-Durchschnitts als ADC-min“. ; - Nachdem Sie die Spannungsquelle vom Stecker XP1 getrennt haben, verbinden Sie Pin 1 dieses Steckers mit Pin 5 des Steckers XP2 und drücken Sie die Schaltfläche „Logikpegelspannung (IL1) bestimmen“ auf dem Bildschirm. Dieser Wert wird zur Berechnung des Frequenzgangs benötigt; - Drücken Sie auf dem Bildschirm die Schaltfläche „Zeiträume für die Messung des Frequenzgangs definieren“ und warten Sie auf das Ende der Messungen (der Vorgang dauert mehr als zwei Minuten). Die Messergebnisse werden in einer Textdatei auf der Festplatte des Computers gespeichert. Der Name dieser Datei und der Pfad dazu sind im Feld „Datei mit Kalibrierungskoeffizienten“ enthalten; - Durch Drücken der Bildschirmtaste „TEST“ wird ein Testbefehl an den Mikrocontroller gesendet. Wenn die richtige Antwort eingeht, leuchtet die Anzeige „TEST OK“. Im Feld „IO“ können Sie die Zustände der an den XP2-Anschluss angeschlossenen Mikrocontroller-Ausgänge manuell einstellen, im Feld „IO-PLIS“ die mit dem FPGA verbundenen. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass beim Aufbau eines Rekorders auf Basis des Xilinx Spartan-3 FPGA mit einem MicroBlaze-Prozessorkern kein Mikrocontroller erforderlich ist. PCB-Datei im Sprint Layout 5.0-Format und Programme für FPGA, Mikrocontroller und Computer können von ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/11/usb-reg.zip heruntergeladen werden. Literatur
Autor: V. Tschaikowsky
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