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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 오실로스코프, 스펙트럼 분석기 및 주파수 응답 미터 기능을 갖춘 USB 전압 기록기. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
이 레코더의 하드웨어 부분은 프로그래머블 로직 칩(FPGA)을 사용하여 구현된 USB 버스를 통한 컴퓨터와의 고속 통신 채널을 갖춘 ADC입니다. 그리고 저자가 개발한 컴퓨터 프로그램을 사용하면 디지털화된 신호를 파일에 기록할 수 있을 뿐만 아니라 해당 신호의 오실로그램, 스펙트럼을 표시하고 필터나 기타 선형 장치의 진폭-주파수 응답(AFC)을 측정할 수도 있습니다. 레코더에 내장된 생성기에서 테스트 신호가 인가되는 입력. 고려중인 레코더에서 ADC가 960kHz의 주파수에서 취하는 연구중인 신호 샘플은 ADC의 병렬 코드를 직렬로 변환하는 FPGA의 입력으로 공급됩니다. UART-USB 변환기로 추가로 전송되는 XNUMX개의 XNUMX비트 바이트의 각 그룹에서 FPGA는 XNUMX개의 XNUMX비트 ADC 코드를 배치합니다. 또한 정보는 처리 및 저장을 위해 USB를 통해 컴퓨터로 전송됩니다. 컴퓨터와의 통신 프로토콜 및 레코더의 기타 기능은 마이크로컨트롤러를 사용하여 구현됩니다. FPGA와 마이크로컨트롤러는 정보 전송에 사용되는 동일한 UART-USB 변환기를 통해 프로그래밍됩니다. 레코더를 사용하기 위해 정보 수신, 표시 및 저장을 구현하는 프로그램이 LabVIEW 환경에서 개발되었습니다. 또한 0,1Hz~480kHz의 주파수에서 레코더에 연결된 외부 회로의 주파수 응답을 제거하는 알고리즘을 구현합니다. 이 알고리즘의 특징은 연구 중인 회로의 진폭-주파수 특성을 추정하기 위해 레코더의 마이크로컨트롤러에서 생성된 직사각형 펄스의 반복 주파수 고조파를 사용한다는 것입니다. 원칙적으로 15kHz의 샘플링 주파수와 15진수 분해능으로 960~+2232V 범위의 순간 전압 값을 실시간으로 판독하여 컴퓨터에 연속적으로 전송하는 장치를 개발하는 작업 설정은 다음과 같습니다. 가상 COM 포트로 작동하는 USB 포트가 내장된 마이크로 컨트롤러와 ADC를 사용하여 FPGA 없이도 문제를 해결할 수 있습니다. 그러나 이 경우 정보 전송 속도는 충분히 높지 않습니다. 12Mbps의 속도로 정보 전송을 제공하는 FTXNUMXH UART-USB 인터페이스 변환기 마이크로 회로인 ADC 및 마이크로 컨트롤러와 함께 사용하면 UART가 이러한 속도로 작동할 수 있는 마이크로 컨트롤러를 찾는 문제가 있습니다. 이에 ADC에서 생성된 정보를 병렬코드로 읽어 UART의 직렬포맷 특성으로 변환하는 FPGA를 이용하여 기존과 다른 방식을 선택하였다. 이 장치는 병렬 출력과 최대 샘플링 속도가 10030MHz인 30비트 ADC3064 ADC를 사용합니다. 그의 작업 결과는 44개의 프로그래밍 가능한 논리 매크로 셀과 10개의 I/O 라인을 포함하는 EPM64ALC44-XNUMXN FPGA에 의해 수신되고 처리됩니다. ADC에 의해 생성된 각 입력 신호 샘플은 2232비트 바이너리 코드이며, FT12H UART-USB 변환기는 2232비트 바이트로 정보를 수신합니다. 이러한 이유로 FPGA는 매 XNUMX개의 샘플을 XNUMX바이트로 압축하는 장치를 구현합니다. 다음으로 각 바이트에 시작 및 정지 비트를 공급하고 이를 XNUMXMbaud의 직렬 코드로 FTXNUMXH 칩에 전송하여 USB를 통해 컴퓨터로 전송합니다. 레코더의 다이어그램이 그림에 나와 있습니다. 1. XP7 커넥터에서 통합 안정 장치 DA9 3로 공급되는 6 ... 7805 V의 정전압으로 전원이 공급되며, 이로부터 위치 4-1의 탈착식 점퍼 S2를 사용하여 3,3 V의 전압 조정기로 전원이 공급됩니다. LM1117-3.3(DA7). 디버깅 중에 장치 작업의 편의를 위해 USB 포트에서 전원을 공급할 수 있습니다. 이렇게 하려면 제거 가능한 점퍼 S4를 위치 2-3으로 재배열해야 합니다. 그러나 정상 작동 중에는 USB 포트에서 가져온 전압이 5V와 눈에 띄게 다르기 때문에 이러한 전원 공급 장치는 허용되지 않습니다. 이로 인해 ADC에서 연구 중인 신호의 변환 규모가 변경됩니다.
ADC 및 FPGA용 24MHz 클록 발생기는 DD2 74HC04D 칩 요소를 기반으로 구축되었으며 ZQ2 석영 공진기에 의해 안정화됩니다. 컴퓨터와의 통신, 이산 신호 형성 및 직사각형 펄스 생성을 위한 프로토콜을 구현하기 위해 ZQ1 석영 공진기에 의해 지정된 8MHz의 클록 주파수에서 작동하는 DD16 ATMega1A 마이크로 컨트롤러가 레코더에 도입되었습니다. 컴퓨터와 마이크로 컨트롤러 간의 정보 교환은 FT2232H(DD4) 칩을 사용하여 이루어지지만 다른 채널을 통해 이루어집니다. FPGA 및 마이크로컨트롤러와 통신하려면 레코더와 함께 작동하는 컴퓨터의 운영 체제에 두 개의 가상 COM 포트가 구성되어야 합니다. 연구 중인 신호는 XP1 커넥터를 통해 2배 반전 신호 감쇠기인 DA825 AD15ARZ 연산 증폭기 스테이지의 입력으로 공급됩니다. 연산 증폭기 DA2 출력의 1 레벨은 트리머 저항 RXNUMX을 사용하여 바이어스될 수 있습니다. 따라서 연구중인 신호는 ADC 입력 전압 변화의 허용 범위에 도달합니다. 연산 증폭기 DA2는 +15V DC 단극 전압 변환기에서 양극 AM5D-1DH0515Z(U30)로 형성되는 +/-1V 전압으로 구동됩니다. 저항 R19 및 R20은 올바른 작동에 필요한 최소 변환기 부하입니다. 착탈식 점퍼 S1 및 S2를 위치 2-3에서 위치 1-2로 재배치하면 XP2 커넥터에 적용된 +/- 15V의 외부 전압을 사용하여 DA4 마이크로 회로에 전원을 공급하도록 전환할 수 있습니다. 원하는 경우 변환기 U1에서 35mA 이하의 전류 소비로 외부 장치에 전원을 공급할 수 있습니다. ADC DA5의 기준 전압은 ADC 설명에서 권장되는 방식에 따라 연산 증폭기 DA3.1 및 DA3.2에 의해 형성됩니다. ADC 출력의 병렬 코드는 DD3 FPGA로 이동하여 직렬 UART 코드로 변환됩니다. 그런 다음 DD4 FT2232H 칩으로 이동합니다. XP2 커넥터는 3,3개 채널에 걸쳐 3,3V 로직 레벨 신호로 외부 장치를 제어하도록 설계되었으며, 5V DC 전압과 공통 와이어가 이 커넥터에 연결되어 외부 장치에 전원을 공급합니다. 커넥터 XP6 및 XP3,3은 XNUMXV의 공급 전압으로 연결된 장치를 프로그래밍하도록 설계되었습니다. 7V, 3,3V의 전압과 외부 장치에 전원을 공급하기 위한 공통 와이어, 5MHz 주파수(ADC 및 FPGA의 클록 주파수)의 펄스 신호가 XP24 커넥터로 출력됩니다. 이 커넥터의 핀 4는 설명된 버전의 장치에서는 사용되지 않는 DD14 FPGA의 핀 3에 연결됩니다. LED는 XP8 커넥터에 연결되어 변환기의 작동 모드를 나타냅니다. HL1 - 공급 전압의 존재; HL2 - 마이크로 컨트롤러에서 컴퓨터로 정보 전송. HL3 - 컴퓨터에서 마이크로 컨트롤러로 정보 전송. HL4 - FPGA에서 컴퓨터로 정보 전송; HL5 - 컴퓨터에서 FPGA로 정보 전송; HL6 - 직사각형 펄스 생성기가 포함되어 있습니다. HL7 - FPGA로부터의 정보 전송은 마이크로컨트롤러에 의해 허용됩니다. HL8 - FPGA가 정보를 전송합니다. PCB 도체의 도면이 그림에 나와 있습니다. 2(측면 1) 및 그림. 3 (2면). 보드 측면의 요소 위치 - 각각 그림. 4 및 그림. 5. 보드는 다이어그램에 표시되지 않은 요소를 위한 공간을 제공하며, 여기에서 XP1 커넥터와 R4 저항 사이에 U자형 입력 감쇠기 또는 필터를 조립하고 연산 증폭기의 DA2 출력 사이에 L자형 필터를 조립할 수 있습니다. 및 DA5 ADC 입력. 감쇠기와 필터 없이 신호를 전달하기 위해 직렬 요소 대신 표면 장착용 점퍼가 설치됩니다. ADC 기준 전압을 정확하게 선택해야 하는 경우 두 개의 추가 점퍼가 저항 R5 및 R8과 직렬로 연결된 저항을 대체합니다.
PLCC-3 패키지의 DD44 FPGA의 경우 보드에 패널을 설치해야 합니다. 일체형 안정 장치 DA6은 22x20x15mm 크기의 골이 있는 방열판에 장착됩니다. 레코더는 Gainta G715 케이스에 조립되어 있으며 그 외관은 그림에 나와 있습니다. 6. 전면 패널에는 LED가 고정되어 있으며 XP1, XP2, XP4, XP7 커넥터용 홀이 만들어져 있습니다. 후면 패널에서는 스위치 블록 SA1, 커넥터 XS1, XP5, XP6에 접근할 수 있습니다.
FPGA에 구현된 소자의 구조는 VDHL 언어로 기술된다. 번역 및 디버깅은 Quartus 11 버전 10.1 개발 환경에서 수행되었습니다. 입력 신호: clk - 클럭 신호; P - 마이크로 컨트롤러에서 오는 신호 배열. ADC_data - ADC에서 오는 신호 배열. rx - FT2232H에서 오는 신호. 출력 신호: P1 - 마이크로 컨트롤러용 신호. tx - FT2232H용 신호; PHL - LED HL8을 제어하는 신호; PPD - ADC 전원 끄기 신호; POE - ADC 출력 활성화 신호; POUT - XP7 커넥터에 대한 신호 출력입니다. 변수: count - 전송된 바이트 수의 카운터. start_bit - 바이트 전송 시작 표시. stop_bit - 데이터 전송 완료 신호. ADC_data_buf - ADC 정보 저장 버퍼. rx_bit - 정보 수신 시작의 표시. 클럭 신호가 로우 레벨에서 하이 레벨로 전환되면 시작 방전 수신이 확인됩니다(표 1). 그런 다음 전송이 진행 중이면 전송된 바이트의 카운터 내용이 2만큼 증가합니다(표 100). 카운터의 내용이 값 3에 도달하면 표에 따라 발생합니다. 도 6에서는 0으로 설정하고 전송완료 명령(P(XNUMX)=XNUMX)이 있는지 확인한다. 표 1
표 2
표 3
클럭 신호가 High에서 Low로 천이할 때, 전송 시작 전에 ADC의 정보 버퍼링이 수행되어 전송 중 정보 변경을 방지합니다(표 4). 표 4
나머지 단계는 마이크로컨트롤러의 정보 전송에 대한 허가 또는 금지를 확인하는 것입니다. 활성화된 상태에서 요청 바이트가 수신되면 HL8 LED가 켜지고 전송 완료 표시가 제거됩니다(표 5). 시작 및 정지 비트의 전송은 표에 따라 수행됩니다. 6, ADC 버퍼의 정보 - 표. 7(각 비트는 두 개의 카운트 사이클로 전송됩니다). 표 5
표 6
표 7
마이크로컨트롤러용 프로그램은 ImageCraft 개발 환경에서 C 언어로 작성되었습니다. 장치의 전원을 켠 후 마이크로컨트롤러 주변 장치를 초기화한 다음 마이크로컨트롤러 UART가 수신 대기 모드인 상태에서 메인 루프로 들어갑니다. 바이트를 수신하면 인터럽트 핸들러가 시작됩니다(표 8). 이 바이트는 rx_count 인덱스의 rx_arr 배열에 기록되며(패킷의 첫 번째 바이트가 수신된 경우 rx_count=0), 그 후 rx_count가 0씩 증가됩니다. 그 후 타이머 XNUMX이 다시 시작되며, 타이머 XNUMX이 만료되면 패킷 종료 신호로 사용됩니다. 표 8
지정된 시간 내에 다음 바이트가 수신되지 않으면 타이머 0의 요청에 따라 인터럽트가 발생합니다. 이 인터럽트 핸들러(표 9)에서는 타이머가 중지되고 수신 종료 플래그 f_rx가 설정됩니다. 표 9
정보 패킷이 수신되면(f_rx= 1), 메인 루프는 이를 구문 분석하고, 포함된 명령을 실행하고, 응답을 생성하기 시작합니다. 먼저 패킷의 헤더와 끝을 확인한 다음 명령 코드를 확인합니다. 검사가 성공적으로 완료되면 패키지에 포함된 명령 실행이 시작됩니다. 오류가 감지되면 마이너스 영수증이 생성됩니다. 다음 명령은 프로그램에서 구현됩니다. - "테스트" - 연결을 확인하는 데 사용됩니다. - "Set IO states" - XP2 커넥터에 연결된 마이크로컨트롤러 핀에 지정된 논리 수준을 설정합니다. 커넥터 핀 2(IO1 회로)는 명령 데이터 바이트의 LSB에 해당하고 핀 9(IO8 회로)는 MSB에 해당합니다. - "FPGA 관련 IO 상태 설정" - FPGA와 연결된 마이크로컨트롤러 출력 PD4-PD7, PB1, PC2, PC3에서 지정된 논리 레벨을 설정합니다. 출력은 3부터 XNUMX까지 해당 명령 데이터 바이트 비트 순서로 나열됩니다. PDXNUMX 출력 상태는 이 명령으로 변경할 수 없으므로 바이트의 최하위(XNUMX) 바이트 값은 임의적일 수 있습니다. FPGA로부터 인터럽트 요청을 수신하는 데 사용됩니다. - "직사각형 펄스 생성기 시작(주기가 2초의 배수임)" - 지정된 직사각형 펄스 생성기를 시작합니다(레코더에서 생성된 모든 펄스의 듀티 사이클은 2임). 명령 데이터 바이트에는 펄스 반복 주기 값이 포함되어야 하며, 2초 간격으로 254~3초 간격이 될 수 있습니다. 타이머 1에서 인터럽트 처리기의 상태를 전환하는 소프트웨어에 의해 마이크로컨트롤러 PB5의 출력에서 펄스가 생성됩니다. 펄스는 XP2 커넥터의 핀 XNUMX로 출력됩니다. - "ADC 시작 후 직사각형 펄스 생성기 시작(2초의 배수)" - FPGA에서 컴퓨터로의 정보 전송 시작과 동시에 생성기를 시작한다는 점에서 이전 명령과 다릅니다. ; - "구형파 발생기 시작" - 30Hz ~ 8MHz의 주파수로 구형파 발생기를 시작합니다. 1바이트의 데이터에는 헤르츠 단위의 주파수 값이 포함되어야 합니다. 주파수를 5으로 설정하면 발전기가 꺼집니다. 생성된 펄스의 반복 주기는 항상 마이크로컨트롤러 기계 주기의 배수이기 때문에 실제 반복 빈도는 지정된 것과 다를 수 있습니다. 정확한 값(2Hz 분해능)은 명령에 대한 응답에 포함됩니다. 펄스는 마이크로컨트롤러의 PB3 출력에 연결된 XPXNUMX 커넥터의 핀 XNUMX로 출력됩니다. FPGA에서 정보 전송을 시작하려면 FPGA의 입력 16에서 높은 로직 레벨을 설정하여 이를 활성화한 다음 COM 포트를 통해 16바이트를 FPGA로 전송해야 합니다. 이 권한은 FPGA의 입력 1을 논리 2232으로 설정하여 전송 종료의 편의를 위해 도입되었습니다. 전송은 마이크로 컨트롤러에 의해 허용되므로 FPGA의 전송 시작과 컴퓨터의 정보 수신 시작을 동기화하려면 후자는 임의의 요청 바이트를 마이크로 컨트롤러에 보내야 합니다. 마이크로컨트롤러는 패리티가 없는 1비트와 정지 비트 XNUMX개로 XNUMXMbaud의 속도로 컴퓨터와 통신합니다. 컴퓨터 운영체제에 있는 레코더의 FTXNUMXH 칩을 통해 USB를 통해 정보를 교환하려면 인터넷 페이지[XNUMX]에서 찾을 수 있는 드라이버를 설치해야 합니다. FPGA 및 마이크로컨트롤러에 프로그램 로드. FPGA 프로그래밍은 [2]에 설명된 방법에 따라 수행됩니다. 시작하기 전에 DIP 스위치 SA1을 설정해야 합니다. SA3을 그림에 표시된 위치로 이동합니다. 7a. 마이크로컨트롤러는 인터넷 페이지[3]의 링크에서 다운로드한 AVRDude 프로그램과 SinaProg 그래픽 셸을 사용하여 프로그래밍되었습니다. SinaProg를 사용하려면 LabView RunTime Library[4]가 컴퓨터에 설치되어 있어야 합니다.
avrdude.conf 파일에서는 2ftbb 프로그래머의 핀을 다시 할당하고 표에 표시된 섹션으로 파일 텍스트를 보완해야 합니다. 10. 표 10
이 기사의 부록에는 필요한 모든 매개 변수가 이미 설정된 AVRDude 및 SinaProg 프로그램이 포함되어 있습니다. 마이크로 컨트롤러 프로그래밍을 시작하려면 레지스트라의 스위치 SA1-SA3을 그림에 표시된 위치로 설정해야 합니다. 7b 그런 다음 레코더의 XS1 커넥터를 컴퓨터의 USB 포트에 연결하고 SinaProg 프로그램을 실행하십시오. 해당 창의 "프로그래머" 필드에서 매개변수 2ftbb, FTDI, 9600을 설정해야 합니다. 그런 다음 화면 버튼 "<" 및 "검색"을 누르면 표에 표시된 것과 유사한 텍스트가 표시됩니다. 11가 메시지 창에 나타나야 합니다. 열하나 . "퓨즈" 필드의 "고급" 화면 버튼을 눌러 호출되는 메뉴를 사용하여 마이크로컨트롤러 구성을 설정합니다(높음 - 0xC9, 낮음 - 0xFF). "Hex 파일" 필드에서 마이크로컨트롤러 프로그램 코드가 포함된 HEX 파일 이름을 지정하고 플래시 필드에서 프로그램 버튼을 클릭합니다. 프로그래밍이 성공적으로 완료되면 표 12에 표시된 줄로 끝나는 텍스트가 메시지 필드에 나타나야 합니다. XNUMX. 표 11
표 12
XP6 또는 XP7 커넥터에 연결된 프로그래밍 장치에 레코더를 사용하는 경우 SA1-SA3 스위치를 그림에 표시된 위치로 설정해야 합니다. 7, 다. 레코더의 정상 작동 중 스위치 위치는 그림에 나와 있습니다. 7, 지. 컴퓨터 프로그램 USB-960 LabVIEW 2011 환경에서 개발되었으며, 컴퓨터에서 이 환경을 사용할 수 없는 경우 [5] 및 [6] 패키지를 설치해야 합니다. 이 프로그램에는 XNUMX개의 가상 하위 장치(VP)가 포함되어 있습니다. - ACPPLISUC_IOUC는 외부 커넥터로 출력되는 마이크로컨트롤러 출력 포트의 상태를 설정합니다. - ACPPLISUC_FREQ는 생성된 주파수의 후속 측정으로 생성기를 시작합니다. - ACPPLISUC_TEST는 마이크로컨트롤러와의 연결을 확인합니다. - ACPPLISUC_AFR_H는 30,5가지 주파수 값(XNUMXHz 이상)에서 외부 회로의 주파수 응답을 측정합니다. - ACPPLISUC_AFR_L은 분수에서 수십 헤르츠까지의 주파수에서 외부 회로의 주파수 응답을 측정합니다. - ACPPLISUC_GEN2S는 2초의 배수인 반복 주기로 직사각형 펄스 발생기를 시작합니다. - ACPPLISUC_UNPACKDATA는 등록자로부터 받은 정보를 ADC 코드 값 배열로 변환합니다. - ACPPLISUC_ADCDATA는 지정된 시간 동안 등록자로부터 받은 정보를 읽습니다. - ACPPLISUC_IOPLIS는 FPGA와 연결된 마이크로컨트롤러 출력 포트의 상태를 설정합니다. - ACPPLISUC_GEN은 30,5Hz 이상의 반복률로 직사각형 펄스 발생기를 시작합니다. - ACPPLISUC_GEN2Ss는 등록자로부터 정보 읽기 시작과 동시에 XNUMX초의 배수 주기로 직사각형 펄스 생성기를 시작합니다. - ACPPLISUC_COM은 마이크로 컨트롤러와 연결된 가상 COM 포트를 통해 정보를 수신하고 전송합니다. 메인 프로그램은 무한 while 루프에서 실행되며 그 내부에는 케이스 구조가 있으며 현재 페이지는 메인 프로그램 창에서 탭을 선택하여 결정됩니다. 신호 녹음 탭 그림에 표시됩니다. 8. "START" 버튼을 누르면 "측정 시간, s" 필드에 지정된 시간 동안 연구 중인 신호 판독값 수신이 시작됩니다. 이를 위해 FPGA에서 정보 전송이 허용됩니다. 값 128이 ACPPLI-SUC_IOPLIS VI에 기록됩니다. 실제 판독은 매개변수가 측정 시간인 ACPPLISUC_ADCDATA VI를 사용하여 수행됩니다. 이 VI는 널 바이트를 전달하여 정보를 요청하고 지정된 시간 동안 이를 읽습니다. 만료된 후 ACPPLISUCJOPLIS VI에 XNUMX 값을 쓰면 전송이 비활성화됩니다.
이전에 "파일에 쓰기" 버튼을 누른 경우 연구 중인 신호는 "신호를 저장할 파일" 필드에 이름이 지정된 이진 파일에 저장됩니다. 기본적으로 저장은 C 드라이브의 루트 폴더에 이루어지며, 컴퓨터 운영 체제에서 관리자 권한으로 프로그램을 실행해야 할 수도 있습니다. 직사각형 펄스 생성기의 시작은 "발전기 시작" 및 "2초의 배수인 주기로 생성기 시작" 필드에서 수행됩니다. 수신이 완료되면 수신된 신호의 오실로그램이 "신호" 필드에 표시되고 해당 스펙트럼은 "진폭 스펙트럼" 필드에 표시됩니다. "RMS, V" 및 "평균값, V" 필드에는 신호의 rms 및 평균값이 각각 표시됩니다. 오실로스코프 탭 그림에 표시됩니다. 9. 화면 버튼 "START"를 누르면 while 루프가 시작됩니다. 여기서 "STOP" 버튼을 누를 때까지 위에서 설명한 것과 유사한 알고리즘에 따라 등록자로부터 정보가 반복적으로 수신됩니다. 동기화 및 수동 오프셋 중에 신호 클리핑을 방지하기 위해 실제 녹화 시간은 지정된 시간의 두 배입니다. 신호가 완료되면 신호는 지정된 임계값("Threshold, B" 컨트롤러를 사용하여 설정)을 초과하는 순간을 검색하여 배열이 형성되고, 이 배열에서 프로그램은 가능한 한 가깝게 위치한 요소를 찾습니다. 신호 지속 시간의 1/3로 화면에 표시되는 파형의 시작점으로 사용됩니다.
"오프셋, %" 슬라이더를 사용하여 파형을 이동할 수 있습니다. "현재 신호 저장" 및 "읽기" 버튼은 현재 표시된 신호를 저장하고 이전에 저장된 신호를 읽습니다. "주파수 응답 제거" 탭 그림에 표시됩니다. 10. 입력을 다양한 주파수의 고조파 신호에 동시에 또는 순차적으로 노출시킨 후 회로 출력에서 이러한 신호의 진폭을 측정하여 선형 회로[7]의 주파수 응답을 결정하는 것이 가능합니다. 주파수 응답을 측정하기 위해 고려중인 장치에서는 고조파 신호 대신 마이크로 컨트롤러에서 생성된 직사각형 펄스가 사용됩니다. 듀티 사이클이 2인 직사각형 펄스 형태의 신호는 주파수가 펄스 반복률보다 홀수 배 더 높은 무한 수의 고조파 신호(고조파)의 합입니다. 고조파의 진폭은 대략 0,9(첫 번째), 0,3(세 번째), 0,18(0,129번째), 0,1(XNUMX번째), XNUMX(XNUMX번째) 펄스 진폭과 같습니다. 연구 중인 회로의 입력에서 신호의 고조파(스펙트럼) 비율을 알고 이를 출력에서 결정하면 고조파 주파수에서 이 회로의 주파수 응답을 계산할 수 있습니다.
레지스트라는 듀티 사이클이 2이고 반복률이 0,1인 직사각형 펄스를 사용하여 주파수 응답을 제거합니다. 0,5; 30,5, 60,1, 120,2, 240, 480,8, 961,5, 1923, 3846, 7692,3, 15384,6, 31250 및 61538,5Hz. "START 0,1 Hz" 또는 "START 0,5 Hz" 화면 버튼 중 하나를 누르면 각각 10초 및 2초 주기로 ACPPLISUC_AFR_L VI가 시작됩니다. 이 VI는 다음과 같이 작동합니다: - VI ACPPLISUC_GEN2SS를 사용하여 주어진 주기로 직사각형 펄스 생성기를 시작하라는 명령을 보냅니다. - 1,5 펄스 반복 기간 동안 ADC로부터 정보를 수신합니다. - 수신된 신호를 2000Hz 디지털 저역 통과 필터를 통해 통과시켜 신호 소멸 전에 고주파 성분을 제거합니다. 이것이 완료되지 않으면 앨리어싱 효과가 발생합니다[8]. - 추가 계산을 단순화하기 위해 신호를 가늘게 하고 샘플 47개 중 48개를 삭제합니다. - 정확히 하나의 펄스 반복 주기의 지속 시간을 갖는 조각을 신호에서 추출합니다. - 이 조각의 진폭 스펙트럼을 계산합니다. - 획득된 스펙트럼에서 테스트 신호의 홀수 고조파에 해당하는 구성 요소를 추출하고 이를 원래 신호의 동일한 고조파에 대한 알려진 진폭 값으로 나눕니다. 결과는 고조파 주파수에서 연구 중인 회로의 주파수 응답입니다. "START 30Hz" 화면 버튼을 누르면 ACPPLISUC_AFR_H VI가 실행되는 for 루프가 시작되고 입력은 펄스 주파수와 측정 시간 값을 수신합니다. 이 VP의 출력에서 특정 주파수 신호의 XNUMX개 고조파에 대한 주파수 응답 값이 얻어집니다. 주기의 결과로 주파수 응답이 측정된 주파수, 주파수 응답을 계산하는 데 사용된 신호 및 주파수 응답 값의 세 가지 배열이 형성됩니다. 다음으로, 그래프를 화면에 추가로 표시하기 위해 주파수 응답 값 배열이 정렬됩니다. ACPPLISUC_AFR_H VI는 다음과 같이 작동합니다: - VI ACPPLISUC_GEN을 사용하여 생성기를 시작하는 명령을 보냅니다. - 지정된 시간 내에 ADC로부터 정보를 수신합니다. - 기록된 신호의 진폭 스펙트럼을 계산합니다. - 얻은 스펙트럼에서 테스트 신호의 고조파에 해당하는 XNUMX개의 구성 요소를 추출하고 해당 값을 연구 중인 회로의 입력에 적용된 신호 고조파의 상대 진폭으로 나눕니다. 결과적으로 XNUMX개의 판독값은 주파수 응답이 얻어집니다. 분석된 신호의 지속 시간은 정확히 펄스 반복 주기의 배수여야 한다는 점에 유의해야 합니다. 그렇지 않으면 스펙트럼을 계산할 때 신호의 "확산"[9] 또는 "누출"[7]이 발생하고 분석이 수행됩니다. 결과가 왜곡됩니다. 화면 버튼 "결과 저장" 및 "읽기"를 누르면 현재 표시된 주파수 응답을 디스크 파일에 쓰고 이전에 기록된 주파수 응답을 읽습니다. 주파수 응답 판독 모드에서 레코더의 작동을 테스트하기 위해 프로토타입 보드에 조립된 노드를 그림 11에 표시된 회로에 따라 연결했습니다. 1. R2C2 저역 통과 필터와 R1C1 고역 통과 필터입니다. DA1,5 칩 연산 증폭기의 버퍼 팔로워는 생성기 출력의 상대적으로 높은 출력 임피던스와 레코더의 낮은(15kOhm) 입력 임피던스로 인해 필터의 주파수 응답에 미치는 영향을 제거합니다. DA15 마이크로 회로에 전원을 공급하는 +1V 및 -4V 전압은 레코더의 Xp1 커넥터에서 제거할 수 있습니다. 단, 후자 보드의 핀 2개를 점퍼 S1 및 S2용으로 서로 연결하면 레코더의 Xp11 커넥터에서 제거할 수 있습니다. 필터가 전환된 그림 XNUMX의 점퍼 SXNUMX 및 SXNUMX와 혼동됩니다.
측정된 주파수 응답을 계산을 통해 얻은 것과 비교하기 위해 주어진 RC 회로의 주파수 응답을 계산하고 측정된 것과 동일한 좌표에 구축하는 "Comparison_AFC_with_calculation" 프로그램이 생성되었습니다. 결과는 그림에 나와 있습니다. 12(저역 통과 필터) 및 그림. 13(고역 통과 필터). 계산된 값은 빨간색으로 표시되고, 측정된 값은 흰색으로 표시됩니다. 또한, 1μF 용량의 커패시터를 C2, C8에 병렬로 연결하였고, 그 특성은 그림 14에 도시되어 있다. 15 및 그림. XNUMX.
보정 탭 그림에 표시됩니다. 16. 이 작업을 수행할 때 레코더 입력 전압과 ADC 출력 코드 값 간의 관계를 설정해야 합니다. 이 의존성은 선형이므로 두 점의 좌표를 입력하는 것으로 충분합니다. 이를 위해 레코더의 입력에 최대값에 가까운 일정한 전압이 적용됩니다. 해당 값은 "Umax, V" 필드에 기록됩니다. "ADC-avg." 필드에서 프로그램에 의해 평균화된 ADC 출력 코드의 값이 표시됩니다. "ADC-max" 필드에 수동으로 입력하거나 화면 버튼 "현재 ADC-평균 값을 ADC-max로 쓰기"를 사용할 수 있습니다.
장치 입력에 최소값에 가까운 일정한 전압을 적용한 후 마찬가지로 "Umin, V" 및 "ADC-min" 필드에 값을 입력합니다. 이미 언급한 바와 같이, 신호의 주파수 응답을 제거하는 동안 생성된 신호의 실제 주파수는 지정된 값과 약간 다를 수 있으며, 이로 인해 분석할 샘플의 정확한 지속 시간을 미리 아는 것이 불가능합니다. 정수 신호 기간의 배수여야 합니다. 실제 주파수 값을 먼저 측정하고 샘플 기간을 계산해야 합니다. 이러한 작업은 "주파수 응답 판독 기간 정의" 버튼을 통해 호출되는 케이스 구조에서 수행되며 결과는 텍스트 파일에 저장됩니다. 보정은 다음과 같이 수행됩니다. - XP1 커넥터의 접점을 연결하여 장치의 입력을 공통 와이어에 연결합니다. - "ADC-평균" 창에 트리밍 저항 R1을 설정합니다. 511에서 513까지의 값(업데이트하려면 "읽기" 화면 버튼을 클릭) - DC 전압 소스 +1...13 V를 XP15 커넥터에 연결하고 "Umax, V" 필드에 이 전압의 정확한 값을 입력합니다. - "읽기" 화면 버튼을 클릭하여 신호를 디지털화하고 ADC 코드의 평균값을 결정한 다음 "ADC 평균의 현재 값을 ADC-max로 쓰기" 화면 버튼을 클릭합니다. - XP1 커넥터에 적용되는 전압의 극성을 반대로 바꾸고 "Umin, V" 필드에 해당 값을 입력하고 "읽기" 화면 버튼을 클릭한 다음 "ADC-평균의 현재 값을 ADC-min으로 쓰기" ; - 커넥터 XP1에서 전압 소스를 분리한 후 이 커넥터의 핀 1을 커넥터 XP5의 핀 2에 연결하고 화면 버튼 "논리 레벨 전압 결정(IL1)"을 누릅니다. 이 값은 주파수 응답을 계산하는 데 필요합니다. - 화면 버튼인 "주파수 응답 기간 정의"를 누르고 측정이 끝날 때까지 기다립니다(프로세스는 XNUMX분 이상 소요됩니다). 측정 결과는 컴퓨터 하드 드라이브에 텍스트 파일로 저장됩니다. 이 파일의 이름과 경로는 "교정 계수가 있는 파일" 필드에 포함되어 있습니다. - 화면에 있는 "TEST" 버튼을 누르면 테스트 명령이 마이크로컨트롤러로 전송되고, 정답이 수신되면 "TEST OK" 표시기가 켜집니다. "IO" 필드에서는 XP2 커넥터에 대한 마이크로 컨트롤러 출력 출력의 상태를 수동으로 설정할 수 있으며 "IO-PLIS" 필드에서는 FPGA와 관련된 상태를 수동으로 설정할 수 있습니다. 결론적으로 MicroBlaze 프로세서 코어를 사용하여 Xilinx Spartan-3 FPGA 기반 레코더를 구축하면 마이크로 컨트롤러를 사용할 필요가 없다는 점을 알 수 있습니다. Sprint Layout 5.0 형식의 PCB 파일과 FPGA, 마이크로컨트롤러 및 컴퓨터용 프로그램은 ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/11/usb-reg.zip에서 다운로드할 수 있습니다. 문학
저자: V. 차이코프스키
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