Разработка системы частотной индикации генератора когерентных сигналов

Электрические характеристики:

Рабочее напряжение питания: 4,5 - 5,5 В

Максимально допустимое напряжение питания: 6 В

Диапазон частот опорного генератора: 0 - 16 МГц

Максимально допустимый ток на один вывод порта: 40 мА

Напряжение уровня логического нуля: не более 0,7 В

Напряжение уровня логической единицы: не менее 4,2 В (при напряжении питания 5 В)

Функциональные характеристики:

Объём программируемой памяти: 32 кБ

Объём оперативной памяти: 2 кБ

Объём энергонезависимой памяти EEPROM: 1 кБ

Количество таймеров - счётчиков: 3

Количество функциональных программируемых выводов: 32

Количество каналов АЦП: 8

Схема блока представлена на рисунке 15:

Рисунок 15 - Схема блока микропроцессора

В данную схему входят: шины для управления катодами индикаторов, для управления анодами индикаторов, для подключения программатора и программирования микропроцессора, опорный кварцевый генератор, цепь стабилизации питания, а так же сам микропроцессор.

Опорный генератор состоит из кварцевого резонатора ZQ1 номиналом 16 МГц, конденсаторов С4, С5 и внутренних периферийных узлов микропроцессора. Для подключения кварцевого резонатора в ATmega32 имеются специальные выводы: XTAL1 и XTAL2. Применение кварцевого резонатора обеспечивает высокую стабильность опорного генератора, что крайне важно для проведения высокоточных частотных измерений.

Функциональные программируемые выводы микропроцессора подразделяются на группы выводов (порты), способные выполнять сходные операции. ATmega32 имеет 4 порта по 8 выводов, каждый порт условно обозначен заглавной буквой латинского алфавита: А, В, С и D. Для системы частотной индикации задействованы выводы трёх портов: В, С и D.

Порт «С» (выводы РС0 - РС7) подключен к шине управления катодами блока индикации. С помощью этого порта микропроцессор выставляет логические уровни напряжения на линиях шины, которые соответствуют определённому символу, отображаемому одним из пяти индикаторов.

Порт «D» (выводы PD0 - PD4) подключен к шине управления анодами блока индикации. С помощью этого порта микропроцессор управляет коммутацией общих анодов индикаторов к питающему проводу, обеспечивая поочерёдное включение и отключение каждого индикатора.

Порт «В» (выводы РВ0 - РВ7) имеет выводы для программирования микропроцессора (MOSI, MISO и SCK), а так же вход (Т1) для сигнала измеряемой частоты, который поступает с выхода делителя частоты блока высокочастотного. Для программирования ATmega32 был использован «USBasp» простой и современный программатор для программирования микропроцессоров семейства AVR.

Программатор - устройство для записи и чтения памяти и настроек микропроцессора, и управляется с помощью компьютера. В программаторе имеется порт для подключения к компьютеру и порт для подключения к программируемому микропроцессору. «USBasp» подключается к USB - порту компьютера и управляется простой, но многофункциональной консольной программой «avrdude». Данная программа позволяет производить операции чтения и записи информации в памяти микропроцессора, а также операцию сравнения записанных данных с исходными данными (верификация). В консольной программе указывается действие (чтение или запись), файл с исходными данными или данные настроек, а так же скорость обмена данными.

Вывод «MOSI» (Master Output - Slave Input) - подключается к линии передачи последовательных данных от программатора к микропроцессору. Эта линия используется для записи программы алгоритма работы и других настроек в память ATmega32.

Вывод «MISO» (Master Input - Slave Output) - подключается к линии передачи ответных данных от микропроцессора к программатору. Данная линия используется для подтверждения микропроцессором принятых данных от программатора, а так же для чтения содержимого памяти и настроек микропроцессора.

Вывод «SCK» (Synchronous Clock) - подключается к линии тактовой синхронизации работы программатора и микропроцессора. Частота тактовых импульсов, вырабатываемых программатором, регулирует скорость обмена данными. При низкой скорости обмена данными процесс программирования ATmega32 займёт несколько минут, но обеспечит безошибочную передачу программного кода. Высокая скорость позволяет обеспечить быстрый обмен данными в течение нескольких секунд, но при этом увеличивается риск возникновения ошибок в передаваемом программном коде. Частота тактовых синхронизирующих импульсов регулируется пользователем компьютера в консольной программе «avrdude».

Вывод «RESET» - это специальный вывод для управления микропроцессором. Пока на этом выводе действует уровень напряжения логической единицы, ATmega32 работает в обычном режиме - выполняет алгоритм, записанный в памяти. Если на этом выводе установить уровень напряжения логического нуля, то выполнение алгоритма программы останавливается, а память микропроцессора становится доступной для перепрограммирования. Данный вывод необходим для сброса работы программы, а так же для перезаписи памяти микропроцессора с помощью программатора.

Цепь стабилизации питания состоит из стабилизатора постоянного напряжения VR1 7805 и конденсаторов С1, С3, С6 и С7. Стабилизатор 7805 имеет напряжение стабилизации 5 В, а максимальный выходной ток составляет 1 А. Подробные характеристики стабилизатора описаны в источнике [5].

Вывод «РВ1/Т1» соединён с выходом делителя частоты и является входом для сигнала измеряемой частоты, прошедшего через блок высокочастотный. Данный вывод внутри микропроцессора подключен к счётному устройству, обеспечивающему дискретный счёт полных периодов входного сигнала согласно алгоритму записанной программы.

5.1 Алгоритм работы микропроцессора

При измерении частоты исследуемого сигнала используются таймерысчётчики, которые имеются в составе микропроцессора. У ATmega32 имеется 3 счётчикатаймера, но для измерения частоты сигнала используются два из них.

Таймерсчётчик - это внутреннее периферийное устройство микропроцессора, выполняющее последовательный счёт импульсов различных сигналов (внутренних и внешних), а так же способное отмерять равные промежутки времени. У таймерасчётчика имеются регистры (области памяти), где хранится значение насчитанных импульсов в виде двоичного числа. Кроме того, имеются регистры, в которых содержится настроечная информация с выбором режимов работы, канала для входного сигнала и другие настройки.

Для определения частоты сигнала необходимо и достаточно два таймерасчётчика. Один из них настроен таким образом, чтобы отмерять равные промежутки времени путём подсчёта импульсов собственной тактовой частоты, задаваемой опорным кварцевым генератором микропроцессора. Таким образом задаётся известный точный временной промежуток.

Первый таймерсчётчик (Т0) производит 256 отсчётов импульсов опорного кварцевого генератора с частотой 16 МГц. Временной промежуток при этом составляет: 16 мкс. При переполнении таймера, он сигнализирует об этом так называемым сигналом прерывания по переполнению, после чего регистр с результатом обнуляется и таймерсчётчик начинает счёт заново.

Второй таймерсчётчик (Т1) настроен на подсчёт периодов сигнала поданного на вывод «РВ1/Т1» и способен производить до 65536 отсчётов.

Оба таймерасчётчика запускаются одновременно. Пока таймерсчётчик (Т0) занят измерением точного промежутка времени, таймерсчётчик (Т1) считает полные периоды сигнала измеряемой частоты. Как только первый таймерсчётчик отмерил промежуток времени и выдал сигнал прерывания по переполнению, значение второго таймерасчётчика считывается в специальную переменную, после чего он также обнуляется и запускается заново.

Временные диаграммы работы таймеровсчётчиков представлены на рисунке 16:

Рисунок 16 - Временные диаграммы работы таймеровсчетчиков

Сам алгоритм работы микропроцессора можно разбить на две части: основная программа и подпрограмма прерывания.

Прерывание в микропроцессоре - это такое событие, генерируемое какимлибо периферийным устройством (таймерсчетчик, АЦП и др.), при котором основная программа приостанавливается, запоминается шаг, на котором остановилась работа алгоритма, затем выполняется подпрограмма прерывания, после чего ход выполнения алгоритма возвращается в основную программу на приостановленном шаге.

Основную часть программы можно разбить на несколько этапов: объявление и инициализация переменных, необходимых для расчёта частоты и обработки полученных результатов, далее происходит настройка конфигурации портов для управления индикаторами, потом объявляются (разрешаются) прерывания, после чего настраиваются оба таймерасчётчика и запускаются. После этого следует так называемый основной цикл - часть основной программы, который будет циклически повторяться, пока микропроцессор запитан от источника питания. В основном цикле происходит расчёт частоты, обработка результата для индикации, а так же непосредственное управление индикаторами с целью отображения результата. В обработку результата измерение так же входит операция умножения на 32 (учёт предварительного делителя частоты на 32).

Логическая схема алгоритма программы представлена на рисунке 17:

Другая часть алгоритма - это подпрограмма прерывания, которая выполняется микропроцессором только в случае факта переполнения таймерасчётчика Т0, отмеряющего точный промежуток времени. Условно подпрограммы прерывания в литературе [6] называют «векторами прерывания».

Подпрограмма прерывания содержит всего несколько простых действий: обнуление предыдущего значения переменной, в которой хранился результат счёта таймерасчётчика Т1, затем запись в эту переменную нового значения результата счёта таймерасчётчика Т1 (чтение нового результата), после чего таймерсчётчик Т1 сбрасывается и перезапускается для нового измерения. После завершения подпрограммы прерывания, ход выполнения алгоритма возвращается в основную программу, где происходит новый расчёт значения частоты и индикация результата.

Рисунок 17 - Логическая схема алгоритма программы

Непосредственный расчёт значения частоты прост и основан на применении формулы (1), которая описана в самом начале данной работы и которая отражает суть определения понятия частоты сигнала:

, (9)

где: fx - искомая частота сигнала (Гц),

N1 - количество отсчётов таймерасчётчика Т1,

K = 32 - коэффициент деления предварительного делителя частоты,

t - промежуток времени, отмерянный таймеромсчётчиком Т0, в течение которого произошло N1 отсчётов таймерасчётчика Т1.

А промежуток времени t может быть найден из соотношения:

, (10)

где: Fg = 16000000 Гц - частота опорного кварцевого генератора,

N0 = 256 - количество отсчётов таймерасчётчика Т0.

С учётом всего вышеизложенного и выражений (9) и (10), можно вывести общую формулу расчёта, реализующую данный метод измерения частоты:

(11)

6. Блок высокочастотный

Данный блок является входным блоком для измеряемых высокочастотных сигналов трехчастотного генератора. Блок высокочастотный состоит из предварительного делителя частоты и полосового фильтра. Сигнал от перестраиваемого по частоте генератора 20 - 100 МГц поступает на вход делителя, где частота сигнала делится на 32, а затем поступает в блок микропроцессора на его измерительный вход. Сигнал разностной частоты 278 кГц поступает на вход полосового фильтра, после чего детектируется и идет на светодиод блока индикации.

6.1 Разработка предварительного делителя частоты

Микропроцессор ATmega32 может обеспечить измерение частот в диапазоне 0 - 10 МГц. Для расширения диапазона измерения, необходим предварительный делитель частоты. Для этой цели подходит отечественная микросхема КС193ИЕ4, которая представляет собой делитель частоты с коэффициентом деления 32. Данная микросхема работает на частотах вплоть до 200 МГц. Таким образом, применив делитель частоты, диапазон измеряемых частот можно увеличить до 200 МГц, что перекрывает с запасом требуемый диапазон измеряемых частот 20 - 100 МГц. Характеристики микросхемы КС193ИЕ4 подробно описаны в источнике [7]. Схема блока представлена на рисунке 18:

Рисунок 18 - Схема предварительного делителя частоты

В данной схеме помимо микросхемы делителя имеется предварительный масштабирующий буферный усилитель на транзисторе КТ372, который доводит значение напряжения сигнала до нужного уровня. Так же имеется входная цепь ограничения амплитуды измеряемого сигнала, состоящая из конденсаторов С1, С4 и диодов КД522Б.

Выход делителя частоты соединён с входом PB1/Т1 микропроцессора ATmega32, который измеряет частоту измеряемого сигнала, поделённую на 32. В алгоритме программы заведомо заложен коэффициент деления предварительного делителя, поэтому после получения значения частоты, микропроцессор производит программное умножение результата на значение коэффициента деления и определяет истинное значение частоты измеряемого сигнала, после чего выводит истинное значение частоты на индикаторы.

6.2 Разработка полосового фильтра

Так как сигнал разностной частоты 278 кГц при исправной работе системы трёхчастотного генератора не должен изменять своё значение частоты, то не обязательно для определения этого сигнала изготавливать отдельный частотомер. Для определения сигнала разностной частоты трёхчастотного генератора достаточно изготовить полосовой фильтр с узкой полосой пропускания и центральной частотой 278 кГц. Присутствие сигнала на выходе полосового фильтра будет свидетельствовать о нормальном значении частоты контролируемого сигнала. После детектирования сигнала, полученным напряжением на выходе детектора можно запитать светодиод в блоке индикации. Свечение светодиода будет оповещать пользователя системы частотной индикации о наличии сигнала разностной частоты 278 кГц.

Для определения сигнала разностной частоты был спроектирован несложный полосовой фильтр Баттерворта 3 порядка, схема которого представлена на рисунке 19:

Рисунок 19 - Схема полосового фильтра Баттерворта

Симуляция частотного анализа данного фильтра в программной среде «swcad» дала результат в виде АЧХ, представленной на рисунке 20:

Проанализировав АЧХ фильтра, можно определить, что центральная частота рассчитанного фильтра равна 278 кГц, ширина полосы пропускания по уровню минус 3 дБ составляет 18 кГц.

Реальные значения ширины полосы пропускания и центральной частоты могут незначительно отличаться, вследствие погрешности номиналов ёмкостей и индуктивностей компонентов, применённых в сборке данного фильтра.

Рисунок 20 - АЧХ полосового фильтра

7. Конструктивное решение прибора

Конструкция прибора представляет собой три платы, стоящие друг за другом каскадом и скреплённые четырьмя винтами. Первая из плат - плата блока высокочастотного, расположенного ближе к генератору, частота которого измеряется. За ней следует плата блока микропроцессора, затем - плата блока индикации, она обращена индикаторами к пользователю и крепится к лицевой панели прибора. Электрические связи между платами организованы шлейфами многожильных проводов. Особое внимание уделено блоку высокочастотному: элементы схемы на печатной плате, через которые проходят высокочастотные сигналы, экранированы от внешних высокочастотных помех. Входные разъёмы типа 9011436RFX используются в данном блоке и предназначены для подключения коаксиальных кабелей. Все резисторы и конденсаторы, используемые в данной системе - в корпусе smd типоразмера 0805 для поверхностного монтажа. Использование малогабаритных компонентов с компактным размещением их на плате позволило изготовить печатные платы устройства размером 115 на 40 мм.

частотная индикация генератор сигнал

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения дипломной работы была разработана система частотной индикации генератора когерентных сигналов на основе микропроцессора. Рассмотрены методы измерения частоты, проведён сравнительный анализ и выбран наиболее оптимальный метод измерения частоты. Рассмотрены методы индикации и типы индикаторов, выбран наиболее приемлемый тип индикаторов для отображения результатов частотных измерений. Разработана блок схема устройства системы и принципиальные схемы каждого блока. Разработан программный алгоритм измерения частоты и индикации результатов для микропроцессора ATmega32. Изготовлены печатные платы и собрано действующее устройство системы частотной индикации.

Система производит измерение частоты перестраиваемого генератора 20100 МГц, а так же определяет сигнал разностной частоты 278 кГц.

Характеристики системы:

Диапазон измеряемых частот: 20 - 100 МГц

Диапазон питающих напряжений: 7.4 - 15 В

Максимально допустимое напряжение питания: 20 В

Ток потребления устройства: 130 мА

Количество значащих цифр индикатора: 5

Погрешность измерений: 0,01%

Конструктивно прибор выполнен в виде трёх плат, каждая из которых является одним из функциональных блоков системы. Платы каскадно скреплены стойками друг над другом, обеспечивая компактность и удобство монтирования в систему трёхчастотного генератора когерентных сигналов.

Список использованных источников

1 Техническая документация на индикатор SA5611EWA // (Engl.). - URL: http://www.us.kingbright.com/images/catalog/spec/SA5611EWA.pdf [5 ноября 2012]

2 Техническая документация на полевой транзистор IRF7341 // (Engl.). - URL: http://www.irf.com/productinfo/datasheets/data/irf7341.pdf [7 февраля 2013]

3 Техническая документация на микросхему ULN2803A // (Engl.). - URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/uln2803a.pdf [7 февраля 2013]

4 Техническая документация на микропроцессор ATmega32 // (Engl.). - URL: http://www.atmel.com/Images/doc2503.pdf [6 сентября 2012]

5 Техническая документация на стабилизатор напряжения LM7805 // (Engl.). - URL: http://www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM7805.pdf [26 января 2013]

6 Баранов В. Н. Применение микроконтроллеров AVR / В. Н. Баранов. - М.: ДодэкаХХI, 2004. ? 288с.

7 Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры / И. В. Новаченко, В. М. Петухов, И. П. Блудов. - М.: КУбКа, 1996. - 384 с.

Размещено на Allbest.ru