скачать рефераты

скачать рефераты

 
 
скачать рефераты скачать рефераты

Меню

Программно управляемый частотомер скачать рефераты

Программно управляемый частотомер

Введение

В современном обществе по мере познания им природы все более возрастает роль измерений. Соответственно непрерывно увеличивается объем измерительной информации - информации о значениях измеряемых физических величин, повышаются требования к качеству и способам ее обработки и использования.

Наибольшее распространение в современной науке и технике получают цифровые измерительные приборы и преобразователи, используемые для измерений, дистанционной передачи измерительной информации, в качестве промежуточных преобразователей для ввода информации в цифровые вычислительные машины и др.

Основные требования, предъявляемые к средствам измерений - это высокая точность; быстродействие; возможность автоматизации процесса измерений; представление результатов измерений в форме, удобной для обработки, в том числе с помощью ЭВМ; малые габариты и вес; высокая надежность.

Разрешить проблему сочетания точности и быстродействия позволили цифровые приборы. Цифровыми измерительными приборами называются приборы, осуществляющие автоматически в процессе измерения операции квантования измеряемой величины, ее цифровое кодирование и представление результатов измерения в цифровой форме непосредственно в виде числа или кода.

Отсутствие подвижных частей в приборах позволило резко увеличить их надежность и долговечность. Представление измерительной информации в цифровой форме дает возможность обработки ее в ЭВМ. Сравнительно легко осуществляется автоматизация процесса измерений.

Несмотря на схемные и конструктивные особенности, принцип построения цифровых приборов одинаков (рис.1).

Рис.1: «Обобщенная структурная схема цифрового прибора»

Измеряемая величина поступает на входное устройство прибора ВУ, где происходит масштабное преобразование. С входного устройства сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь АЦП, где аналоговый сигнал преобразуется в соответствующий код, который отображается в виде числового значения на цифровом отсчётном устройстве ЦОУ. Для получения всех управляющих сигналов в цифровом приборе предусмотрено устройство управления (УУ) (на рис. 1 не показано).

Входное устройство цифрового прибора устроено аналогично электронному прибору, а в некоторых конструкциях на его входе используется фильтр для исключения помех.

В зависимости от принципа аналого-цифрового преобразования (АЦП) цифровые измерительные приборы разделяют на устройства прямого преобразования и компенсационные (с уравновешивающим преобразованием).

Современный инженер, работающий в любой отрасли промышленности, должен уметь выбрать и назначить соответствующие устройства измерений для управления технологическим процессом, контроля качества продукции, должен знать об основных метрологических характеристиках средств измерения.

1.Назначение прибора

Цифровой частотомер с программным управлением применяется на промышленных предприятиях и электротехнических лабораториях и предназначен для измерения частот в широком диапазоне.

Данный прибор может использоваться для настройки, испытаний и калибровки различного рода приемо-передающих трактов, фильтров для настройки систем связи и других устройств.

1.1.Технические данные

· Диапазон частот 1Гц?1МГц;

· Входное напряжение 0,5?10В;

· Класс точности 0,1%;

· Статическая индикация, количество разрядов не менее 3-х.

· Минимальная длительность импульса входного сигнала - 5нсек.

· Рабочие условия эксплуатации:

· -Температура окружающей среды -30°С ? +50°С;

· -Относительная влажность воздуха 95% при температуре до 35°С;

· -Атмосферное давление 61?103 кПа.

· Среднее время наработки прибора на отказ не менее 10000 часов.

2.Принцип действия прибора

Описываемый метод измерения позволяет измерять частоты с малой и постоянной погрешностью в широком диапазоне. Измеряемый сигнал поступает на вход прибора и преобразуется в периодическую последовательность импульсов, период следования которых Тх равен периоду исследуемого сигнала. Независимо от этой последовательности формируются первые временные ворота длительностью ?t1. Они заполняются n импульсами периодической последовательности. Затем число n фиксируется. Отношение ?t1/n соответствует значению T?x измеряемой частоты, а величина n/?t1 - значению f?x частоты. Его отклонение от значения fx определяется погрешностью дискретности, уменьшение которой и является целью применения данного метода.

Рис.2: «Диаграммы работы частотомера»

Одновременно формируются вторые временные ворота, такие, что их фронт соответствует импульсу последовательности, появившемуся сразу после начала первых ворот, а срез - импульсу, возникающему сразу после окончания первых ворот. Таким образом, длительность вторых временных ворот целому числу периодов исследуемого сигнала, т. е. ?t2=nTx.

Фронт и срез образованных ворот синхронизированы с моментами появления импульсов периодической последовательности, сформированной из исследуемого сигнала, поэтому погрешность округления исключается. Вторые временные ворота заполняются счетными импульсами, число N которых фиксируется.

Формула для нахождения значения измеряемой частоты получают следующим образом. Число импульсов, попавшие во вторые временные ворота определяется отношением N=nTx/Tсч=nFсч/fx, откуда

, (1)

где Fсч - частота следования счетных импульсов, значение которой известно.

Точность измерения частоты определяется погрешностью дискретности измерения интервала времени nTx.

Можно определить значение относительной погрешности дискретности измерения частоты ?f. Максимальное значение относительной погрешности дискретности измерения интервала времени ?t2=nTx определяется через абсолютную погрешность. Так как этот интервал заполняется счетными импульсами с периодом следования Тсч, то максимальная абсолютная погрешность ?2=±Тсч. Тогда максимальная относительная погрешность

?2=±Тсч/?t2=±Tсч/nTx (2)

Равенство ?t2=nTx можно представить в виде fx=n/?t2. Тогда в соответствии с правилами вычисления погрешностей косвенных измерений погрешность измерения функции fx связана с погрешностью измерения аргумента ?t2 соотношением (с точностью до второго порядка малости)

?f=?2

После подстановки ?2 из (1)

?f=±Тсч/nTx=±(fx/n)Тсч (3)

При подстановке в (3) вместо fx/n отношения f'x/n=1/?t1 получается

?f=±Тсч/?t1=±1/Fсч?t1 (4)

Формула (4) приводит к выводу, что максимальное значение относительной погрешности дискретности измерения частоты изложенным вариантом метода дискретного счета не зависит от значения измеряемой частоты и, следовательно, постоянно во всем диапазоне измерения.

Необходимая при этом частота дискретизации

Fсч=1/(?f?t1), (5)

где ?f - заданная погрешность дискретности измерения.

К примеру, при частоте следования счетных импульсов 10 МГц и длительности временных ворот 1 с (как это имеет место в некоторых частотомерах) максимальное значение погрешности дискретности равно ±10-

Таким образом, примененный в данном проекте метод измерения позволяет проводить измерения частоты от 1 Гц до 1МГц без изменения пределов и метода измерения. Исключаются дополнительные операции контроля значения измеряемой частоты.

2.1. Функционирование основных блоков цифрового частотомера

Рис.3: «Схема электрическая функциональнаяя»:

Электрическая функциональная схема прибора состоит из следующих основных узлов: микроконтроллера, входного устройства, генератора счетных импульсов, двух счетчиков, блока формирования вторых временных ворот и устройства вывода информации.

Исследуемый сигнал частотой fx (а) передается через входной блок в формирователь импульсов, где преобразуется в периодическую импульсную последовательность (б). Она поступает на первый вход временного селектора 1, ко входу 2 которого подводится вырабатываемый внутри микроконтроллера стробирующий импульс, представляющий собой первые временные ворота длительностью ?t1=1 с (в). Входные импульсы заполняют эти временные ворота, их количество n подсчитывается счетчиком 1 и фиксируется. Стробирующий импульс, играющий роль первых временных ворот, подается с микроконтроллера также на вход 2 логического элемента «И» и на вход инвертора. Вследствие этого импульсы периодической последовательности, подводимые с выхода формирователя к входам 1 логических элементов «И1», «И2», могут пройти на вход 1 блока формирования вторых временных ворот, когда на входе 2 элемента «И1» имеется стробирующий импульс. На вход 2 блока формирования они проходят, когда на входе инвертора отсутствует стробирующий импульс.

Схема формирования вторых временных ворот выполнена на RS_триггере. Первый импульс, подводимый через логический элемент «И1» к входу установки S схемы перебрасывает триггер в состояние логической «1», в результате на выходе схемы формируется фронт вторых временных ворот. После этого импульсы, подаваемые на вход 1 схемы формирования, состояния ее не меняют.

Пока имеется стробирующий импульс на входе инвертора, импульсы периодической последовательности не могут пройти через логический элемент «И2». Сразу после окончания действия стробирующего импульса первый импульс последовательности поступает через логический элемент «И2» на вход сброса R триггера и возвращает его в исходное состояние. На выходе схемы формирования образуется срез вторых временных ворот (д, е).

Таким образом, на входе 2 временного селектора 2 получаются вторые временные ворота длительностью ?t2=nTx, через которые проходят счетные импульсы (ж). Попавшие в ворота импульсы подсчитываются счетчиком 2, на нем фиксируется их число N.

Количество импульсов подсчитанных импульсов n и N передается микроконтроллеру. В его памяти в виде константы хранится значение частоты счетных импульсов. На основе полученных данных микроконтроллер рассчитывает значение частоты измеряемого сигнала fx в соответствии с формулой (1). Далее микроконтроллер производит соответствующие преобразования с полученным результатом, приводя его значение к виду, доступному для восприятия семисегментным индикатором. Полученный результат выводится на экран.

Получили структуру устройства и выявили ее основные составные блоки. На основании полученных результатов необходимо разработать принципиальную электрическую схему устройства, содержащую реальные электронные компоненты.

3. Описание и расчёт основных элементов схемы электрической принципиальной цифрового частотомера

Рис.3: «Схема электрическая принципиальная»:

Главной частью прибора является микроконтроллер, без которого крайне сложно осуществить вычисления, диктуемые алгоритмом вычисления, и управление блоками прибора, а также режимами его работы.

Правильным выбором микроконтроллера во многом определяется функциональные возможности устройства, его цена, удобство и стоимость настройки и программирования.

В данной разработке предложен для использования микроконтроллер зарубежной фирмы “Atmel Corporation” - АТ89С2051. Он обладает рядом важных достоинств, что и обусловило его выбор.

Во-первых, - это его функциональные возможности. В его состав входит два 16_разрядных таймера_счетчика, что позволяет отказаться от использования отдельных многоразрядных счетчиков. Присутствует и канал последовательного ввода_вывода данных (UART), который позволяет организовать интерфейс с индикатором. У него отсутствуют два порта Р0 и Р2, что позволяет уменьшить функциональную избыточность микроконтроллера.

Во-вторых, изделия этой фирмы широко распространены как на российском, так и на мировом рынке микроконтроллеров, что уменьшает стоимость маркетинговых операций.

В-третьих - это его низкая стоимость (на сегодняшний день порядка 2 долларов), что также позволяет уменьшить общую стоимость изделия.

Все указанное выше позволяет утверждать о целесообразности его применения в данной разработке.

АТ89С2051 - низковольтная, быстродействующая КМОП (CMOS) 8_разрядная микроЭВМ. Этот контроллер, полностью программно совместимый с семейством MCS_51. Он выпускается в 20_выводном корпусе, что стало возможным вследствие отказа от использования линий портов Р0 и Р2, а также Р3.6. Буква Р во второй части наименования контроллера обозначает 20_выводный корпус PDIP.

Контроллер АТ89С2051 содержит электрически перепрограммируемое ПЗУ объемом 2 Кбайт, внутреннее ОЗУ объемом 128 байт, 15 линий ввода_вывода, два таймера_счетчика (16 бит), шесть векторов прерываний и аналоговый компаратор. Таймеры_счетчики полностью идентичны соответствующим узлам MCS51, АТ89С2051 имеет также стандартный для MCS51 последовательный порт. Поддерживаются режимы Idle и Power Down. Выводы портов - сильноточные, допускающие прохождение через них тока до 20 мА (суммарный ток через все линии порта - не более 80 мА).

Напряжение питания - от 4 до 6 В.

Выводы Р1.2 - Р1.7 и порта Р3 имеют внутренние нагрузочные резисторы. Р1.0 и Р1.1 не имеют их и используются соответственно как неинвертирующий (AIN0) и инвертирующий (AIN1) входы встроенного прецизионного компаратора. Его выход соединен линией Р3.6, не выведенной из микросхемы контроллера. Линии порта Р3.0 - Р3.5 выполняют альтернативные функции: Р3.0 - RxD, P3.1 - TxD, P3.2 - INT0, P3.3 - INT1, P3.4 - T0, P3.5 - T1.

Из стандартного для контроллеров семейства MCS51 набора регистров SFR в АТ89С2051 присутствует аккумулятор, регистры B, PSW, IP, IE, TCON, TMOD, TL0, TH0, SP, PCON, DPTR, P1, P3, SCON, SBUF, TL1 и ТН1.

В принципиальной схеме частотомера можно выделить основные узлы, которые несут определенную функциональную нагрузку. Это входной блок, включающий в себя разделительные конденсаторы С5-С6, токоограничивающий резистор R1, резисторы R2-R5, конденсатор С9 и операционный усилитель DA3. Отдельно можно выделить входную логику прибора, составленную на интегральных микросхемах DD1-DD2. Функции устройства контроля и управления берет на себя микроконтроллер DD3. Источником эталонных счетных импульсов является кварцевый генератор на микросхеме DA2. Регистр сдвига DD4 служит для хранения полученного результата и связи микроконтроллера с устройством отображения информации на четырех семисегментных индикаторах HG1-HG4.

Подробнее о работе схемы.

На вход прибора подается изменяющееся напряжение, значение которого может быть 0,5_10 вольт, а диапазон частот от 1Гц до 1МГц. Оно поступает на разделительные конденсаторы С5 - С6, которые отсекают постоянную составляющую измеряемого сигнала. При этом переменная составляющая остается без изменения. Этот сигнал полается на вход аналогового компаратора, выполненного на операционном усилителе DA3. ОУ включен без цепей обратной связи, что обеспечивает его работу в качестве компаратора. Если уровень сигнала, поступающего на его неинвертирующий вход, превышает величину напряжения, присутствующего на его инвертирующем входе, то напряжение на выходе ОУ скачком увеличится до максимально возможного. Это напряжение ненамного меньше величины его источника питания положительной полярности. И, наоборот, при условии если уровень сигнала, поступающего на его неинвертирующий вход, меньше величины напряжения, присутствующего на его инвертирующем входе, то напряжение на выходе ОУ скачком уменьшится до минимального. Минимальное значение напряжения на выходе определяется величиной его источника питания отрицательной полярности.

В данном проекте используется прецизионный быстродействующий операционный усилитель AD8055 - SOT-23-5 фирмы Analog Devices [10]. Это недорогая микросхема, которая может работать как с двуполярным, так и с однополярным питанием. Его основные характеристики

Граничная частота - 300 МГц.

Скорость нарастания выходного сигнала - 1400 В/мкс.

Шумы - 6 нВ/Гц.

Напряжение смещения нуля (ошибки) - 5 мВ.

Входные токи - 1,2 мкА.

Питание ОУ осуществляется однополярным источником +5 вольт. Исследуемый сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ. Для того, чтобы он мог сравнивать как отрицательную, так и положительную полуволны входного сигнала, необходимо установить на обоих входах микросхемы постоянный потенциал, равный половине напряжения питания. Для этого служит делитель напряжения на резисторах R2 и R5. Это же напряжение подается на анод и катод соответствующего ограничительного диода. Входные токи операционного усилителя протекают через резисторы R3 и R4. Падение напряжения на этих диодах в результате протекания входных токов должно быть меньше напряжения ошибки. Конденсатор С9 уменьшает высокочастотные наводки.

Страницы: 1, 2, 3