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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 결합된 측정기의 새로운 모드. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
결합된 기기[1]를 작동하는 동안 마이크로컨트롤러의 프로그램이 크게 개선되었습니다. 이 프로그램의 새 버전 2.03은 로직 분석기에서 입력 신호 및 단일 스위프의 주파수를 측정하기 위해 이미 사용 가능한 모드 외에도 사용자에게 제공합니다. 새로운 기능은 순전히 소프트웨어 방식으로 구현되며 장치의 하드웨어를 변경할 필요가 없습니다. 단일 스위프 모드는 장비의 오실로스코프에서 처음부터 제공되었지만 작성자는 그다지 유용하지는 않지만 로직 분석기에서 구현하지 않았습니다. 새 버전의 마이크로컨트롤러 프로그램에서는 이 누락이 수정되었습니다. 이제 계측기의 오실로스코프와 같은 로직 분석기에는 일반 및 단일의 두 가지 스위프 모드가 있다고 말할 수 있습니다. 두 가지 예외를 제외하면 거의 동일합니다. 첫째, 로직 애널라이저는 입력 신호의 전압을 측정하지 않습니다. 표준 로직 레벨의 신호가 검사되기 때문에 이 작업은 여기서 의미가 없습니다. 둘째, 로직 분석기 모드에서 시간 축의 정보 프레임 위치에 대해 화면에 표시되는 추가 정보는 오실로그램 영역에 중첩되지 않으며 관찰을 방해하지 않습니다. 따라서 종료가 불필요하게 구현되지 않습니다. 로직 애널라이저의 단일 스위프 모드에서 표시기 화면의 이미지 예가 그림 1에 나와 있습니다. XNUMX.
분석기의 일반 스위프 모드에서 "5" 키를 누르면 이 모드로 들어갑니다. 다음 제어 키가 있습니다. "4" - 프레임을 왼쪽(버퍼의 시작 부분)으로 이동합니다. "5" - 신호 카운트를 따라 이동을 중지합니다. "6" - 프레임을 오른쪽으로 이동합니다(버퍼 끝으로). "0" - 이동 단계 선택(카운트 또는 프레임). "D" - 단일 스위프 모드를 종료합니다. 단일 스위프 모드에 대한 완전한 설명은 오실로스코프와 관련하여 [2]에 완전히 설명되어 있으므로 제공되지 않습니다. 주파수 측정 모드의 경우 ATxmega 제품군의 마이크로 컨트롤러를 사용하면 여러 옵션을 구현할 수 있습니다. 단위 시간당 측정된 신호의 주기 수에 대한 고전적인 계산과 함께 이 마이크로컨트롤러의 타이머 카운터는 입력 신호 펄스의 반복 주기를 직접 측정할 수 있으므로 반복 주파수를 쉽게 계산할 수 있습니다. 이 방법의 장점은 측정 시간이 짧다는 점이지만 허용 가능한 정확도는 수십 kHz를 초과하지 않는 주파수까지만 유지됩니다. 이와 관련하여 장치의 신호 주파수 측정은 위에서 언급한 고전적인 방법으로 수행됩니다. 그 원리는 간단합니다. 하나의 타이머 카운터는 측정 시간 간격을 생성하고 두 번째 타이머 카운터는 이 간격 동안 입력 신호 펄스를 계산합니다. 측정 간격의 지속 시간이 1초인 경우 이 시간 동안 두 번째 카운터에 누적된 숫자는 헤르츠 단위의 신호 주파수입니다. 그러나 이 방법을 시행하는데 어려움이 있다. 첫째, ATxmega[3] 제품군 마이크로컨트롤러의 모든 타이머 카운터는 16비트입니다. 즉, 이러한 카운터에서 올바르게 측정된 최대 주파수는 카운팅 레지스터의 오버플로에 의해 제한되며 216 - 1 = 65535Hz와 같습니다. 마이크로컨트롤러의 요소가 최대 32MHz의 주파수에서 작동한다는 점을 감안하면 이것은 분명히 충분하지 않습니다. 측정 가능한 최대 주파수를 높이는 가장 쉬운 방법은 측정 간격을 줄이는 것입니다. 예를 들어 XNUMX배로 줄이면 측정된 주파수의 최대값이 XNUMX배로 증가합니다. 동시에 각 펄스가 XNUMX배 더 "무게"되기 때문에 측정의 불연속성은 동일한 요소만큼 증가합니다. 따라서 이 경로는 적합하지 않습니다. 입력 신호 펄스 카운터의 용량을 늘리는 것만으로 측정 불연속성을 높이지 않고도 최대 측정 주파수를 높일 수 있습니다. ATxmega 마이크로컨트롤러의 아키텍처는 여러 타이머/카운터를 직렬로 연결하여 이를 가능하게 합니다. 32비트 카운터를 얻으려면 두 개의 16비트 타이머 카운터를 결합하는 것으로 충분합니다. 초당 32비트 카운터의 오버플로는 2 - 1 = 4294967295Hz의 주파수에서만 발생할 수 있으므로 이 경우 측정된 주파수의 상한은 마이크로 컨트롤러 요소의 주파수 속성에 의해서만 제한되며 32MHz와 같습니다. 둘째, 입력 신호를 포트 라인에서 타이머 카운터로 "가져와서" 넓은 반복 속도 간격으로 펄스를 카운트하도록 강제해야 합니다. 셋째, 예측할 수 없는 모든 종류의 카운트 오류를 방지하기 위해 다른 노드의 작동에 관계없이 카운팅 프로세스에 관련된 모든 마이크로 컨트롤러 요소의 엄격한 동기식 작동을 보장해야 합니다. ATxmega 마이크로컨트롤러 제품군에서 사용할 수 있는 훌륭한 도구인 이벤트 시스템[4]은 이러한 어려움을 극복하는 데 도움이 될 것입니다. 그것의 도움으로 작동에 필요한 모든 신호를 생성하고 가능한 가장 낮고 가장 중요한 안정적인 지연으로 소스에서 수신기로 전송할 수 있습니다. 고려중인 장치에 구현 된 주파수 측정기의 기능 다이어그램이 그림 2에 나와 있습니다. XNUMX. 입력-출력 포트의 장비를 통해 각 라인의 상태를 분석하고 변경될 경우 이벤트를 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 입력 신호의 각 상승 또는 하강 에지에 대한 이벤트를 생성합니다. 타이머 카운터는 마이크로 컨트롤러의 내부 클럭 펄스뿐만 아니라 이벤트 신호도 계산할 수 있습니다. 이것으로부터 입력 신호 펄스의 계산이 어떻게 구성되는지 명확해집니다.
신호는 입력으로 구성되어 신호의 상승 에지에서 이벤트를 생성하는 PF3 라인에 적용됩니다(각 주기당 하나의 이벤트). 타이머 카운터 TCC1은 이벤트 라우터의 채널 3에서 전달되는 이벤트 카운터 모드에서 작동합니다. 또한 4비트 카운팅 레지스터의 오버플로 이벤트(OVF)를 생성하여 라우터 채널 16로 보냅니다. 채널 1에서 전달되는 이벤트의 16비트 카운터로 작동하도록 구성된 TCD4 타이머 카운터에 의해 계산됩니다. 0초에 한 번 마이크로컨트롤러 동기화 펄스를 카운트하도록 구성된 TCF1 타이머 카운터에 의해 생성된 카운팅 간격의 끝에서 프로그램은 TCC1 및 TCD32 카운터 타이머의 결과를 하나의 XNUMX비트 워드로 "접착"하고 그 값을 변수에 할당합니다. 그런 다음 모든 타이머/카운터를 다시 시작하여 새로운 주파수 측정 주기를 시작합니다. 주파수 측정 모드의 주요 기능
주파수 측정 오류의 주요 원인을 고려해야 합니다. 1. 마이크로컨트롤러의 클록 주파수 설정이 부정확하여 측정 간격의 실제 지속 시간이 XNUMX초와 다릅니다. 이 오류에는 체계적 및 무작위의 두 가지 구성 요소가 있습니다. 체계적인 구성 요소는 클록 주파수의 실제 평균값과 공칭 주파수의 불평등의 결과입니다. 영구적이며 보상받을 수 있습니다. 이를 수행하는 방법은 아래에서 설명합니다. 오류의 임의 구성 요소는 클록 생성기 주파수의 변동으로 인해 발생합니다. 그것을 일으키는 몇 가지 요인이 있습니다. 이들은 공급 전압의 불안정성 및 리플, 발전기 요소의 고유 노이즈, 온도의 영향 등입니다. 고급 장치에서는 클럭 발생기의 열 안정화 및 진동 보호까지 이러한 요인의 유해한 영향을 최소화하기 위해 모든 조치가 사용됩니다. 그러나 이러한 유형의 오류는 줄일 수만 있을 뿐 완전히 제거할 수는 없습니다. 저자의 장치 사본에서 ± 0,001%를 초과하지 않습니다. 이는 5MHz의 주파수가 ±50Hz의 오차로 측정됨을 의미합니다. 2. 측정 결과의 이산화 오차. 어떤 디지털 측정기를 다루어 본 사람이라면 누구나 익숙할 것입니다. 이 오류의 원인은 그림의 그래프로 설명됩니다. 3. 측정 간격 경계의 시간축상 상대 위치와 카운터에 기록된 측정 신호 방울에 따라 카운트 결과가 6씩 다를 수 있습니다. 예를 들어, 그림의 경우 7Hz 정도의 실제 반복률(카운트 간격 6,6s)에서 1개 또는 100개의 펄스를 카운트할 수 있습니다. 이 효과는 측정된 빈도와 계수 간격의 비율에 상관없이 유지됩니다. 측정이 여러 번 반복되면 결과의 최하위 숫자가 주기마다 하나씩 "점프"합니다. 이 오류의 상대적 값은 측정된 주파수와 반비례합니다. 예를 들어, 약 0,5Hz의 주파수는 ±XNUMX%의 평균 상대 오차로 측정됩니다. 수 메가헤르츠 이상의 주파수에서는 샘플링 오류를 무시할 수 있습니다. 여기서는 측정 간격의 임의 구성 요소가 우선합니다.
주파수 측정을 수행하는 프로그램 블록은 전체 프로그램과 마찬가지로 BASCOM AVR 프로그래밍 시스템에서 개발되었습니다. 주파수 카운터 모드에 들어갈 때 프로그램은 주파수 측정과 관련된 마이크로 컨트롤러의 내부 구조 요소를 적절하게 설정합니다. - 입력 신호를 수신하는 PF3 라인은 상승 신호 드롭에 대한 이벤트를 생성하는 입력으로 구성되고 이벤트 라우터의 채널 3은 이러한 이벤트에 대한 신호를 전송하도록 구성됩니다. Portf_pin3ctrl=1 Evsys_ch3mux=&B01111011 - 타이머 카운터 TCF0을 구성하여 1초 동안 측정 간격을 생성합니다. 구성 Tcf0=일반, 프리스케일=7 Tcf0_per=31249 - PF1 라인에서 라우터 채널 3을 통해 들어오는 이벤트를 계산하도록 TCC3 타이머 카운터를 구성합니다. 구성 Tcc1=일반 Tcc1_ctrla=&B00001011 Tcc1_ctrld=&B00001011 라우터의 채널 4 - 타이머 카운터 TCC1의 오버플로 신호를 보냅니다. Evsys_ch4mux=&B11001000 - 라우터의 채널 4에서 오는 이벤트를 계산하도록 타이머 카운터를 구성합니다. 구성 Tcd1=일반 Tcd1_ctrla=&w00001100 Tcd1_ctrld=&w00011100 결과적으로 TCC1 및 TCD1 타이머 카운터는 단일 32비트 카운터를 형성합니다. 이제 시스템은 측정된 신호의 주기를 계산할 준비가 되었습니다. 또한 고려되는 각 장치가 초기화 직후에 작동하기 시작하기 때문에 이미 진행 중입니다. 그러나 올바른 결과를 얻으려면 측정 간격이 시작될 때 XNUMX부터 이벤트 카운트를 시작해야 합니다. 따라서 측정 주기는 이에 참여하는 세 개의 타이머-카운터 모두를 동시에 영점 조정하는 것으로 시작해야 합니다. 최고 속도로 작동하는 TCC0 타이머-카운터의 재시작 순간을 측정 간격의 시작(TCF1 타이머를 다시 시작하는 순간)에 바인딩하는 것이 특히 중요합니다. 타이머 카운터 TCD1을 다시 시작하는 순간을 측정 간격의 시작 부분으로 엄격하게 묶는 문제는 그다지 심각하지 않습니다. 계산해야 하는 첫 번째 이벤트는 TCC1 타이머 카운터가 오버플로될 때만 발생합니다. 마이크로컨트롤러에서 여러 타이머 카운터를 동시에 다시 시작할 수 있는 가능성이 제공되지만 이벤트 시스템을 통해서만 구현됩니다. 고려 중인 경우에는 TCC1 타이머 카운터가 채널 3에서 이벤트 신호를 수신하도록 구성되어 있고 재구성하지 않고는 다른 채널에서 이벤트 신호를 수신할 수 없기 때문에 사용할 수 없습니다. 따라서 프로세서만이 타이머 카운터에 다시 시작 명령을 내릴 수 있으며 하나씩만 줄 수 있습니다. 주파수 측정 주기는 실제 측정과 결과 형성의 두 단계로 구성됩니다. 측정 단계는 프로그램의 다음 다섯 줄로 설명됩니다. Tcf0_ctrlfset=&B00001000 Tcc1_ctrlfset=&B00001000 Tcd1_ctrlfset=&B00001000 Bitwait Tcf0_intflags.0, 설정 Evsys_ch3mux=&B00000000 이 조각의 처음 세 줄은 TCF0, TCC1, TCD1 순서로 타이머 카운터를 다시 시작합니다. 따라서 TCC1 타이머 카운터는 TCF0 타이머 카운터에 의해 카운트되는 측정 간격의 시작이 아니라 지연 Δt로 이벤트 카운팅을 시작합니다.1 이 순간에 상대적입니다(그림 4). 이는 타이머 카운터 TCC1의 프로세서 리셋 작동 기간과 동일합니다. 그런 다음 동일한 지연으로 프로세서는 TCD1 타이머 카운터를 다시 시작한 후 측정 간격이 끝날 때까지 기다리기 시작합니다. 이 순간이 되면 TCF0 타이머 카운터는 TCF0_JNTFLAGS 레지스터의 XNUMX비트에 오버플로 인터럽트 요청 플래그를 설정합니다.
이 플래그를 감지하면 프로세서는 타이머 카운터 TCC1이 이벤트(측정된 신호의 기간)를 더 이상 카운트하지 못하도록 금지해야 합니다. 이것은 다른 방법으로 수행될 수 있습니다. 우리의 경우 측정 단계의 마지막 작업에서 프로세서는 이벤트 라우터의 채널 3을 비활성화합니다. 이 작업을 위해 시간 Δt가 필요합니다.2 (그림 4), 기간 계산이 계속됩니다. 만약 Δt2 ≠Δt1, 이벤트 카운팅(주파수 측정)의 실제 기간은 Δt만큼 다릅니다.2 - Δt1 측정 간격의 주어진 지속 시간부터 이것은 측정 오류의 또 다른 구성 요소를 생성합니다. 이를 제거하려면 이러한 지연을 동일하게 만드는 것이 필요합니다. 그러나 고급 언어 프로그램(BASCOM AVR 포함)에서는 프로그래머가 사용된 언어 구성을 기계 명령으로 변환하는 알고리즘을 모르기 때문에 지속 시간의 정확한 값을 결정하기 어렵습니다. 따라서 실제 프로그램에서 타이머 카운터 TCC!를 다시 시작하고 측정 간격의 끝을 고정하고 TCC!를 중지하는 프래그먼트는 어셈블리 언어로 작성되며 이러한 프래그먼트의 동일한 실행 기간을 보장하기 위한 조치가 취해집니다. 이것은 평등 Δt를 달성합니다.2 = Δt1 결과적으로 주어진 측정 간격의 실제 지속 시간이 동일합니다. 다음으로 마이크로컨트롤러 클록 주파수와 공칭 값의 불일치와 관련된 체계적 오류를 제거하기 위해 장치에 구현된 방법을 고려하십시오. 위에서 언급한 바와 같이 이러한 불일치의 결과는 측정 간격의 지속 시간이 필요한 값인 1초에서 벗어나고 측정된 주파수 값이 실제 값과 비례하여 편차가 생기는 것입니다. 우선 이 편차를 측정해야 합니다. 이를 위해서는 몇 메가헤르츠의 주파수를 가진 예시적인 신호 생성기 또는 충분히 안정적인 생성기 세트와 예시적인 주파수 측정기가 필요합니다. 생성기 신호는 장치의 커넥터 X8의 슬롯 3 및 5(공통)에 공급됩니다. 기사에 첨부된 Osc-Volt-2_03.hex 파일의 코드는 장치 마이크로 컨트롤러의 프로그램 메모리에 로드됩니다. 전원을 켠 후 장치는 주파수 카운터 모드로 전환되고 예시적인 발전기의 주파수가 측정됩니다. 측정을 10~20회 반복한 후 주파수 F의 평균 측정값을 계산해야 합니다.이즘. 보정 계수는 공식으로 계산됩니다. K=F알/F이즘, 여기서 F알 - 예시적인 생성기의 주파수. 계수 K를 프로그램에 입력하려면 Osc-Volt-2_03.bas 파일(프로그램의 소스 코드)에서 주석 처리된 줄을 찾아야 합니다. 보상: 'Temp2=Temp2*1.000004 쉽게 찾을 수 있도록 Compensation:이라고 표시되어 있습니다. 주석을 제거해야 하며 승수 1.000004(이 값은 장치 작성자의 사본에 유효함)를 발견된 보정 계수 K의 값으로 대체해야 합니다. 그 후 수정된 프로그램을 컴파일하고 결과 HEX 파일의 코드를 마이크로 컨트롤러의 프로그램 메모리로 로드해야 합니다. 이미 언급했듯이 주파수를 측정해야 하는 신호는 장치의 X8 커넥터 소켓 5에 공급되어 마이크로 컨트롤러 입력 PF3에 들어갑니다. 마이크로컨트롤러는 5볼트 또는 5볼트 논리에서 허용되는 레벨에 해당하는 신호만 올바르게 인식할 수 있음이 분명합니다. 다른 형태(예: 정현파)의 신호 주파수를 측정하려면 추가 드라이버가 필요합니다. [2]에 설명된 비교 프로브를 사용하면 좋은 결과를 얻을 수 있습니다. 악기의 X5 소켓에 연결할 수 있습니다. A 수수료부터 제출하면 됩니다! 장치를 이 커넥터 전압 +3,3 또는 +5 V의 빈 슬롯 XNUMX에 연결하여 프로브에 전원을 공급합니다(지정된 전압 값에서 작동 가능). 그림에 표시된 다이어그램에 따라 프로브를 연결하십시오. XNUMX.
주파수 카운터 모드에서 기기 표시기의 화면 보기는 그림 6에 나와 있습니다. XNUMX.
이 모드는 "LA" 키를 눌러 로직 분석기의 일반 모드에서 시작됩니다. 다음 키를 눌러 장치를 주파수 카운터 모드에서 다른 모드로 전환하십시오. "OS" - 오실로스코프 모드로; "LA" - 로직 분석기 모드로; "GN" - 신호 발생기 모드에서. 마이크로컨트롤러 프로그램은 ftp://ftp.radio.ru/pub/2015/09/combi2-03.zip에서 다운로드할 수 있습니다. 문학
저자: A. 사브첸코
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