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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Nouveaux modes dans l'instrument de mesure combiné. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Technique de mesure Pendant le fonctionnement de l'instrument combiné [1], le programme de son microcontrôleur a été considérablement amélioré. La nouvelle version 2.03 de ce programme offre à l'utilisateur, en plus des modes déjà disponibles, la mesure de la fréquence du signal d'entrée et le balayage unique dans l'analyseur logique. Les nouvelles fonctions sont implémentées de manière purement logicielle, aucune modification n'a dû être apportée au matériel de l'appareil. Le mode de balayage unique a été fourni dès le début dans l'oscilloscope de l'instrument, mais l'auteur ne l'a pas implémenté dans l'analyseur logique, bien qu'il n'en soit pas moins utile. Dans la nouvelle version du programme du microcontrôleur, cette omission est corrigée. Maintenant, nous pouvons dire que l'analyseur logique, comme l'oscilloscope de l'instrument, a deux modes de balayage : régulier et simple. Ils sont presque identiques à deux exceptions près. Premièrement, l'analyseur logique ne mesure pas la tension du signal d'entrée. Cette opération n'a pas de sens ici, puisque l'on examine les signaux de niveaux logiques standards. Deuxièmement, les informations supplémentaires affichées à l'écran concernant la position de la trame d'informations sur l'axe des temps en mode analyseur logique ne se superposent pas à la zone des oscillogrammes et n'interfèrent pas avec leur observation. Par conséquent, son arrêt n'est pas mis en œuvre comme inutile. Un exemple d'image sur l'écran de l'indicateur en mode de balayage unique de l'analyseur logique est illustré à la fig. 1.
A partir du mode de balayage régulier de l'analyseur, ce mode est entré en appuyant sur la touche "5". Il dispose des touches de contrôle suivantes : "4" - déplacer le cadre vers la gauche (au début du tampon); "5" - arrêtez de vous déplacer le long du nombre de signaux ; "6" - déplace le cadre vers la droite (jusqu'à la fin du tampon); "0" - sélection du pas de mouvement (compte ou cadre); "D" - sortie du mode de balayage unique. Une description complète du mode de balayage unique n'est pas donnée, car il est assez complètement décrit dans [2] en relation avec un oscilloscope. Quant au mode de mesure de fréquence, le microcontrôleur de la famille ATxmega permet de mettre en œuvre plusieurs de ses options. Parallèlement au calcul classique du nombre de périodes du signal mesuré par unité de temps, les temporisateurs-compteurs de ce microcontrôleur sont capables de mesurer directement la période de répétition des impulsions du signal d'entrée, ce qui facilite le calcul de leur fréquence de répétition. L'avantage de cette méthode est le temps de mesure court, cependant une précision acceptable n'est maintenue que jusqu'à une fréquence n'excédant pas quelques dizaines de kilohertz. A cet égard, la mesure de la fréquence du signal dans le dispositif est effectuée par la méthode classique mentionnée ci-dessus. Son principe est simple. Un compteur-temporisateur génère un intervalle de temps de mesure, le second compte les impulsions du signal d'entrée pendant cet intervalle. Si la durée de l'intervalle de mesure est de 1 s, alors le nombre accumulé pendant ce temps dans le deuxième compteur est la fréquence du signal en hertz. Cependant, il existe des difficultés dans la mise en œuvre de cette méthode. Tout d'abord, tous les temporisateurs-compteurs du microcontrôleur de la famille ATxmega [3] sont en 16 bits. Cela signifie que la fréquence maximale correctement mesurée par un tel compteur est limitée par le débordement de son registre de comptage et est égale à 216 - 1 = 65535 Hz. Ce n'est clairement pas suffisant, étant donné que les éléments du microcontrôleur sont opérationnels jusqu'à une fréquence de 32 MHz. Le moyen le plus simple d'augmenter la fréquence maximale mesurable consiste à réduire l'intervalle de mesure. Par exemple, la réduire d'un facteur quatre entraînera une multiplication par quatre de la valeur maximale de la fréquence mesurée. Dans le même temps, la discrétion de sa mesure augmentera du même facteur, car chaque impulsion "pesera" quatre fois plus. Par conséquent, ce chemin est inapproprié. Il est possible d'obtenir une augmentation de la fréquence maximale mesurée sans augmenter la discrétion de mesure uniquement en augmentant la capacité du compteur d'impulsions du signal d'entrée. L'architecture du microcontrôleur ATxmega rend cela possible en permettant de connecter plusieurs temporisateurs/compteurs en série. Pour obtenir un compteur 32 bits, il suffit de combiner deux temporisateurs 16 bits. Le débordement d'un compteur 32 bits par seconde ne peut se produire qu'à une fréquence de 2 - 1 = 4294967295 Hz, de sorte que la limite supérieure de la fréquence mesurée dans ce cas n'est limitée que par les propriétés de fréquence des éléments du microcontrôleur et est égale à 32 MHz. Deuxièmement, il est nécessaire "d'amener" le signal d'entrée de la ligne de port au compteur de temps et de forcer ce dernier à compter les impulsions dans un large intervalle de leur fréquence de répétition. Troisièmement, il est nécessaire d'assurer un fonctionnement strictement synchrone de tous les éléments du microcontrôleur impliqués dans le processus de comptage, quel que soit le fonctionnement de ses autres nœuds, afin d'éviter toutes sortes d'échecs de comptage imprévisibles. Un merveilleux outil disponible dans la famille de microcontrôleurs ATxmega - le système d'événements [4] - aidera à surmonter ces difficultés. Avec son aide, vous pouvez générer tous les signaux nécessaires au fonctionnement et les transporter de la source au récepteur avec le retard le plus faible possible et, surtout, stable. Le schéma fonctionnel du fréquencemètre implémenté dans l'appareil considéré est illustré à la fig. 2. L'équipement du port d'entrée-sortie vous permet d'analyser l'état de chacune de ses lignes et de générer des événements s'ils changent. Par exemple, pour générer des événements pour chaque front montant ou descendant du signal d'entrée. Les minuteurs-compteurs sont capables de compter non seulement les impulsions d'horloge interne du microcontrôleur, mais également les signaux d'événement. À partir de là, il devient clair comment le comptage des impulsions du signal d'entrée est organisé.
Le signal est appliqué sur la ligne PF3 qui est configurée en entrée et génère des événements sur les fronts montants du signal (un événement pour chaque période). Le temporisateur TCC1 fonctionne en mode compteur d'événements délivré sur la voie 3 du routeur d'événements. Il génère et envoie également des événements de débordement (OVF) de son registre de comptage 4 bits au canal 16 du routeur. Ils sont comptés par le temporisateur-compteur TCD1, qui est configuré pour fonctionner comme un compteur 16 bits d'événements délivrés sur la voie 4. Une fois par seconde, à la fin de l'intervalle de comptage généré par le temporisateur-compteur TCF0, configuré pour compter les impulsions du synchroniseur du microcontrôleur, le programme "colle" les résultats des temporisateurs des compteurs TCC1 et TCD1 en un mot de 32 bits et affecte sa valeur à une variable. Il redémarre ensuite tous les temporisateurs/compteurs, démarrant un nouveau cycle de mesure de fréquence. Principales caractéristiques du mode de mesure de fréquence
Les principales sources d'erreur de mesure de fréquence doivent être prises en compte : 1. Réglage inexact de la fréquence d'horloge du microcontrôleur, à la suite de quoi la durée réelle de l'intervalle de mesure diffère d'une seconde. Cette erreur a deux composantes : systématique et aléatoire. La composante systématique est le résultat de l'inégalité de la valeur moyenne réelle de la fréquence d'horloge à la valeur nominale. Elle est permanente et peut être compensée. Comment faire cela sera discuté ci-dessous. La composante aléatoire de l'erreur est due aux fluctuations de la fréquence du générateur d'horloge. Il y a pas mal de facteurs qui en sont la cause. Il s'agit de l'instabilité et de l'ondulation de la tension d'alimentation, du bruit intrinsèque des éléments générateurs, de l'influence de la température, etc. Dans les appareils haut de gamme, toute une gamme de mesures est utilisée pour minimiser les effets néfastes de tels facteurs, jusqu'à la stabilisation thermique et la protection contre les vibrations du générateur d'horloge. Cependant, ce type d'erreur ne peut être que réduit, il ne peut pas être complètement éliminé. Dans la copie de l'appareil de l'auteur, il ne dépasse pas ± 0,001%. Cela signifie que la fréquence de 5 MHz est mesurée avec une erreur de ±50 Hz. 2. Erreur de discrétisation du résultat de mesure. Il est familier à tous ceux qui ont déjà utilisé un instrument de mesure numérique. L'origine de cette erreur est expliquée par les graphiques de la Fig. 3. En fonction de la position relative sur l'axe du temps des limites de l'intervalle de mesure et des chutes de signal mesurées enregistrées par le compteur, le résultat du comptage peut différer de un. Par exemple, dans le cas représenté sur la figure, 6 ou 7 impulsions peuvent être comptées à une fréquence de répétition réelle d'environ 6,6 Hz (avec un intervalle de comptage de 1 s). Cet effet est préservé quel que soit le rapport entre la fréquence mesurée et l'intervalle de comptage. Lorsqu'une mesure est répétée plusieurs fois, le chiffre le moins significatif de son résultat « saute » d'un cycle à l'autre. La valeur relative de cette erreur croît en sens inverse de la fréquence mesurée. Par exemple, une fréquence autour de 100 Hz sera mesurée avec une erreur relative moyenne de ±0,5 %. A une fréquence de plusieurs mégahertz et plus, l'erreur d'échantillonnage peut être négligée. Ici, la composante aléatoire de la durée de l'intervalle de mesure prévaut.
Le bloc de programme qui effectue la mesure de fréquence a été développé, comme l'ensemble du programme, dans le système de programmation BASCOM AVR. En entrant dans le mode compteur de fréquence, le programme configure de manière appropriée les éléments de la structure interne du microcontrôleur impliqués dans la mesure de fréquence : - La ligne PF3, qui reçoit le signal d'entrée, est configurée comme une entrée qui génère des événements sur les baisses de signal montantes, et le canal 3 du routeur d'événements est configuré pour transmettre des signaux sur ces événements : Portf_pin3ctrl=1 Evsys_ch3mux=&B01111011 - configure le temporisateur-compteur TCF0 pour générer un intervalle de mesure d'une durée de 1 s : config Tcf0=Normal,Pré-échelle=7 Tcf0_per=31249 - configure le compteur-temporisateur TCC1 pour compter les événements provenant du canal 3 du routeur depuis la ligne PF3 : configuration Tcc1=Normale Tcc1_ctrla=&B00001011 Tcc1_ctrld=&B00001011 et canal 4 du routeur - pour signaler le débordement du temporisateur-compteur TCC1 : Evsys_ch4mux=&B11001000 - configure un timer-counter pour compter les événements provenant du canal 4 du routeur : configuration Tcd1=Normale Tcd1_ctrla=&w00001100 Tcd1_ctrld=&w00011100 Il en résulte que les temporisateurs TCC1 et TCD1 forment un seul compteur 32 bits. Le système est maintenant prêt à compter les périodes du signal mesuré. De plus, il est déjà en cours, puisque chacun des appareils considérés commence à fonctionner immédiatement après l'initialisation. Mais pour obtenir le résultat correct, il est nécessaire de commencer à compter les événements à partir de zéro au début de l'intervalle de mesure. Par conséquent, le cycle de mesure doit commencer par la mise à zéro simultanée des trois temporisateurs-compteurs qui y participent. Il est particulièrement important de lier au début de l'intervalle de mesure (instant de redémarrage du temporisateur TCF0) l'instant de redémarrage du compteur-temporisateur TCC1 fonctionnant à la vitesse la plus élevée. La question de la liaison stricte du moment de redémarrage du compteur-temporisateur TCD1 au début de l'intervalle de mesure n'est pas si aiguë. Le premier événement qu'il devra comptabiliser ne se produira que lorsque le temporisateur-compteur TCC1 débordera. Bien que la possibilité de redémarrer simultanément plusieurs temporisateurs dans le microcontrôleur soit prévue, elle n'est mise en œuvre qu'au travers du système d'événements. Il ne peut pas être utilisé dans le cas considéré car le compteur-temporisateur TCC1 est configuré pour recevoir des signaux d'événement de la voie 3 et ne peut pas recevoir de signaux d'événement d'autres voies sans reconfiguration. Ainsi, seul le processeur peut donner un ordre de redémarrage aux compteurs-temporisateurs, et seulement un par un. Le cycle de mesure de fréquence se compose de deux étapes : la mesure proprement dite et la formation de son résultat. La phase de mesure est décrite par les cinq lignes suivantes du programme : Tcf0_ctrlfset=&B00001000 Tcc1_ctrlfset=&B00001000 Tcd1_ctrlfset=&B00001000 Attente binaire Tcf0_intflags.0, Set Evsys_ch3mux=&B00000000 Les trois premières lignes de ce fragment relancent les temporisateurs dans l'ordre TCF0, TCC1, TCD1. Par conséquent, le compteur-temporisateur TCC1 commence à compter les événements non pas au début de l'intervalle de mesure compté par le compteur-temporisateur TCF0, mais avec un retard Δt1 par rapport à ce moment (Fig. 4). Elle est égale à la durée de l'opération de réinitialisation du processeur du temporisateur-compteur TCC1. Ensuite, avec le même retard, le processeur redémarre le compteur-temporisateur TCD1, après quoi il commence à attendre la fin de l'intervalle de mesure. Lorsque ce moment arrive, le compteur-temporisateur TCF0 positionne le drapeau de demande d'interruption de débordement dans le bit zéro du registre TCF0_JNTFLAGS.
Ayant détecté ce drapeau, le processeur doit interdire au temporisateur-compteur TCC1 de continuer à compter des événements (périodes du signal mesuré). Cela peut se faire de différentes façons. Dans notre cas, dernière opération de l'étape de mesure, le processeur désactive simplement le canal 3 du routeur d'événements. Pour cette opération, il lui faut un temps Δt2 (Fig. 4), pendant laquelle le décompte des périodes se poursuit. Si Δt2 ≠Δt1, la durée réelle du comptage des événements (mesures de fréquence) diffère de Δt2 - Δt1 à partir de la durée donnée de l'intervalle de mesure, cela génère une autre composante de l'erreur de mesure. Pour l'éliminer, il faut rendre ces délais égaux. Cependant, dans un programme de langage de haut niveau (y compris BASCOM AVR), il est difficile de déterminer les valeurs exactes de leur durée, car le programmeur ne connaît pas l'algorithme de traduction des constructions de langage utilisées en commandes machine. Ainsi, dans un programme réel, les fragments qui relancent le temporisateur-compteur TCC!, ainsi que fixent la fin de l'intervalle de mesure et arrêtent TCC!, sont écrits en langage assembleur, et des mesures sont prises pour assurer la même durée d'exécution de ces fragments. Cela permet d'obtenir l'égalité Δt2 = ∆t1 et, par conséquent, l'égalité de la durée réelle de l'intervalle de mesure donné. Considérons ensuite la méthode mise en œuvre dans le dispositif pour éliminer l'erreur systématique associée à l'inégalité de la fréquence d'horloge du microcontrôleur à la valeur nominale. Comme indiqué ci-dessus, la conséquence d'un tel écart est l'écart de la durée de l'intervalle de mesure par rapport à la valeur requise de 1 s et l'écart de la valeur de fréquence mesurée proportionnelle à celle réelle. Tout d'abord, cet écart doit être mesuré. Cela nécessitera un exemple de générateur de signal avec une fréquence de plusieurs mégahertz ou un ensemble de n'importe quel générateur suffisamment stable et un exemple de fréquencemètre. Le signal du générateur est envoyé aux emplacements 8 et 3 (commun) du connecteur X5 de l'appareil. Les codes du fichier Osc-Volt-2_03.hex joint à l'article sont chargés dans la mémoire programme du microcontrôleur de l'appareil. Après la mise sous tension, le dispositif est commuté en mode compteur de fréquence et la fréquence de l'exemple de générateur est mesurée par celui-ci. La mesure doit être répétée 10 à 20 fois, puis calculer la valeur moyenne mesurée de la fréquence Fmodifié. Le facteur de correction est calculé par la formule K=Farr/Fmodifié, où Farr - fréquence de l'exemple de générateur. Pour entrer le coefficient K dans le programme, dans le fichier Osc-Volt-2_03.bas (le code source du programme) vous devez trouver la ligne commentée compensation : 'Temp2=Temp2*1.000004 Il est étiqueté Compensation : pour le rendre plus facile à trouver. Il doit être décommenté et le multiplicateur 1.000004 (cette valeur est valable pour la copie de l'auteur de l'appareil) doit être remplacé par la valeur trouvée du facteur de correction K. Après cela, il est nécessaire de compiler le programme corrigé et de charger les codes du fichier HEX résultant dans la mémoire programme du microcontrôleur. Comme déjà mentionné, le signal dont la fréquence doit être mesurée est envoyé à la prise 8 du connecteur X5 de l'appareil, d'où il entre dans l'entrée PF3 du microcontrôleur. Il est clair que le microcontrôleur n'est capable de percevoir correctement qu'un tel signal dont les niveaux correspondent à ceux admis en logique trois ou cinq volts. Pour mesurer la fréquence de signaux d'une forme différente (par exemple, sinusoïdale), un pilote supplémentaire est nécessaire. De bons résultats sont obtenus en utilisant la sonde comparatrice décrite dans [5]. Il peut être connecté à la prise X5 de l'appareil. Vous n'avez qu'à soumettre à partir des frais A ! appareil à la prise libre 2 de ce connecteur tension +5 ou +3,3 V pour alimenter la sonde (elle est opérationnelle à n'importe laquelle des valeurs de tension spécifiées). Connecter la sonde selon le schéma illustré à la Fig. 5.
La vue à l'écran de l'indicateur de l'instrument en mode compteur de fréquence est illustrée à la fig. 6.
Ce mode est entré à partir du mode régulier de l'analyseur logique en appuyant sur la touche "LA". Basculez l'appareil du mode fréquencemètre vers les autres modes en appuyant sur les touches suivantes : "OS" - au mode oscilloscope ; "LA" - au mode analyseur logique ; "GN" - en mode générateur de signal. Le programme du microcontrôleur peut être téléchargé à partir de ftp://ftp.radio.ru/pub/2015/09/combi2-03.zip. littérature
Auteur : A. Savchenko
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