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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Enregistreur de tension USB avec fonctions oscilloscope, analyseur de spectre et mesureur de réponse en fréquence. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Technique de mesure La partie matérielle de cet enregistreur est un ADC équipé d'un canal de communication haut débit avec un ordinateur via le bus USB, mis en œuvre à l'aide d'une puce logique programmable (FPGA). Et le programme informatique développé par l'auteur permet non seulement d'enregistrer le signal numérisé dans un fichier, mais également d'afficher son oscillogramme, son spectre et même de mesurer la réponse amplitude-fréquence (AFC) d'un filtre ou d'un autre dispositif linéaire, à l'entrée duquel un signal de test est appliqué à partir du générateur intégré à l'enregistreur. Dans l'enregistreur considéré, les échantillons du signal à l'étude, que le CAN prend à une fréquence de 960 kHz, sont envoyés à l'entrée du FPGA, qui convertit le code parallèle du CAN en série. Dans chaque groupe de cinq octets de huit bits transmis ultérieurement au convertisseur UART-USB, le FPGA place quatre codes ADC de dix bits. De plus, les informations sont transmises via USB à un ordinateur pour traitement et stockage. Le protocole de communication avec un ordinateur et d'autres fonctions de l'enregistreur sont mis en œuvre à l'aide d'un microcontrôleur. Le FPGA et le microcontrôleur sont programmés via le même convertisseur UART-USB qui est utilisé pour transférer des informations. Pour travailler avec l'enregistreur, un programme a été développé dans l'environnement LabVIEW qui implémente la réception des informations, leur affichage et leur stockage. De plus, il implémente un algorithme pour supprimer la réponse en fréquence d'un circuit externe connecté à l'enregistreur à des fréquences de 0,1 Hz à 480 kHz. Une particularité de cet algorithme est que pour estimer la caractéristique amplitude-fréquence du circuit étudié, on utilise les harmoniques de la fréquence de répétition des impulsions rectangulaires générées par le microcontrôleur de l'enregistreur. La tâche consistant à développer un dispositif de transmission continue en temps réel à un ordinateur de lectures de tension instantanées dans la plage de 15 à +15 V avec un taux d'échantillonnage de 960 kHz et une résolution de dix chiffres binaires, en principe, pourrait être résolue sans FPGA à l'aide d'un ADC et d'un microcontrôleur avec un port USB intégré fonctionnant en mode de port COM virtuel. Cependant, la vitesse de transfert d'informations dans ce cas ne serait pas assez élevée. Lorsqu'il est utilisé avec l'ADC et le microcontrôleur, le microcircuit convertisseur d'interface FT2232H UART-USB, qui assure le transfert d'informations à une vitesse de 12 Mbps, il est difficile de trouver un microcontrôleur dont l'UART est capable de fonctionner à une telle vitesse. En conséquence, une méthode a été choisie qui diffère de la précédente en utilisant un FPGA qui lit les informations générées par l'ADC en code parallèle et les convertit en un format série caractéristique de l'UART. L'appareil utilise un CAN ADC10030 à dix bits avec une sortie parallèle et une fréquence d'échantillonnage maximale de 30 MHz. Les résultats de ses travaux sont reçus et traités par le FPGA EPM3064ALC44-10N, qui contient 64 macrocellules logiques programmables et 44 lignes d'E/S. Chaque échantillon de signal d'entrée généré par l'ADC est un code binaire à dix bits, et le convertisseur FT2232H UART-USB reçoit des informations en octets de huit bits. Pour cette raison, le FPGA implémente un dispositif qui regroupe tous les quatre échantillons en cinq octets. Ensuite, il fournit à chaque octet des bits de démarrage et d'arrêt et les transfère en code série à 12 Mbaud vers la puce FT2232H pour transfert vers un ordinateur via USB. Le schéma de l'enregistreur est illustré à la fig. 1. Il est alimenté par une tension constante de 7 ... 9 V fournie par le connecteur XP3 au stabilisateur intégré DA6 7805, et de celui-ci, avec un cavalier amovible S4 en position 1-2, à un régulateur de tension de 3,3 V LM1117-3.3 (DA7). Pour la commodité de travailler avec l'appareil pendant le débogage, il est possible de l'alimenter à partir du port USB. Pour ce faire, le cavalier amovible S4 doit être réarrangé en position 2-3. Cependant, en fonctionnement normal, une telle alimentation est inacceptable, car la tension prélevée sur le port USB diffère souvent sensiblement de 5 V, ce qui entraîne une modification de l'échelle de conversion du signal étudié dans l'ADC.
Le générateur d'horloge 24 MHz pour ADC et FPGA est construit sur les éléments de la puce DD2 74HC04D et stabilisé par le résonateur à quartz ZQ2. Pour mettre en œuvre le protocole de communication avec un ordinateur, la formation de signaux discrets et la génération d'impulsions rectangulaires, un microcontrôleur DD1 ATMega8A a été introduit dans l'enregistreur, fonctionnant à une fréquence d'horloge de 16 MHz, spécifiée par un résonateur à quartz ZQ1. L'échange d'informations entre l'ordinateur et le microcontrôleur se fait également à l'aide de la puce FT2232H (DD4), mais via un canal différent. Pour communiquer avec le FPGA et avec le microcontrôleur, deux ports COM virtuels doivent être organisés dans le système d'exploitation de l'ordinateur travaillant avec l'enregistreur. Le signal à l'étude est acheminé via le connecteur XP1 à l'entrée de l'étage d'amplification opérationnelle DA2 AD825ARZ, qui est un atténuateur de signal inverseur 15 fois. Le niveau zéro à la sortie de l'ampli-op DA2 peut être polarisé à l'aide de la résistance ajustable R1. Ainsi, le signal à l'étude est amené dans la plage admissible du changement de tension d'entrée du CAN. L'ampli-op DA2 est alimenté par une tension de +/-15 V, qui forme à partir de +5 V un convertisseur de tension unipolaire CC en un AM1D-0515DH30Z bipolaire (U1). Les résistances R19 et R20 sont la charge minimale du convertisseur nécessaire à son bon fonctionnement. En réarrangeant les cavaliers amovibles S1 et S2 de la position 2-3 à la position 1-2, vous pouvez passer à l'alimentation du microcircuit DA2 avec une tension externe de +/- 15 V appliquée sur le connecteur XP4. Si vous le souhaitez, vous pouvez alimenter des appareils externes avec une consommation de courant ne dépassant pas 1 mA à partir du convertisseur U35. Les tensions de référence pour l'ADC DA5 sont formées par les amplis op DA3.1 et DA3.2 selon le schéma recommandé dans la description de l'ADC. Le code parallèle des sorties ADC va au DD3 FPGA, où il est converti en un code UART série. Ensuite, il passe à la puce DD4 FT2232H. Le connecteur XP2 est conçu pour contrôler des appareils externes avec des signaux de niveau logique de 3,3 V sur huit canaux. De plus, une tension continue de 3,3 V et un fil commun sont connectés à ce connecteur pour alimenter des appareils externes. Les connecteurs XP5 et XP6 sont conçus pour les appareils de programmation qui leur sont connectés avec une tension d'alimentation de 3,3 V. Des tensions de 7 V, 3,3 V et un fil commun pour alimenter des appareils externes, un signal d'impulsion avec une fréquence de 5 MHz (fréquence d'horloge de l'ADC et du FPGA) sont émis vers le connecteur XP24. La broche 4 de ce connecteur est connectée à la broche 14 du FPGA DD3, qui n'est pas utilisée dans la version décrite de l'appareil. Des LED sont connectées au connecteur XP8, signalant le mode de fonctionnement du convertisseur : HL1 - présence de tension d'alimentation ; HL2 - transfert d'informations du microcontrôleur à l'ordinateur; HL3 - transfert d'informations d'un ordinateur vers un microcontrôleur; HL4 - transfert d'informations du FPGA vers l'ordinateur; HL5 - transfert d'informations de l'ordinateur au FPGA; HL6 - le générateur d'impulsions rectangulaires est inclus ; HL7 - le transfert d'informations du FPGA est autorisé par le microcontrôleur ; HL8 - FPGA transmet des informations. Un dessin des conducteurs PCB est illustré à la fig. 2 (côté 1) et fig. 3 (côté 2). L'emplacement des éléments sur ces côtés du plateau - respectivement sur la fig. 4 et fig. 5. La carte offre un espace pour les éléments non représentés sur le schéma, à partir duquel vous pouvez assembler un atténuateur ou un filtre d'entrée en forme de U entre le connecteur XP1 et la résistance R4 et un filtre en forme de L entre la sortie DA2 de l'ampli-op et l'entrée DA5 ADC. Pour faire passer le signal en l'absence d'atténuateur et de filtre, des cavaliers pour montage en surface sont installés à la place de leurs éléments série. Deux autres cavaliers remplacent les résistances connectées en série avec les résistances R5 et R8 s'il est nécessaire de sélectionner avec précision la tension de référence ADC.
Pour le DD3 FPGA dans le boîtier PLCC-44, un panneau doit être installé sur la carte. Le stabilisateur intégral DA6 est monté sur un dissipateur nervuré mesurant 22x20x15 mm. L'enregistreur est monté dans un boîtier Gainta G715 ; son apparence est illustrée à la fig. 6. Les LED sont fixées sur le panneau avant et des trous pour les connecteurs XP1, XP2, XP4, XP7 sont faits. Depuis le panneau arrière, on accède au bloc de commutation SA1, connecteurs XS1, XP5, XP6.
La structure du dispositif implémenté dans le FPGA est décrite en langage VDHL. La traduction et le débogage ont été effectués dans l'environnement de développement Quartus 11 Version 10.1. Signaux d'entrée : clk - signal d'horloge ; P - tableau de signaux provenant du microcontrôleur ; ADC_data - tableau de signaux provenant de l'ADC ; rx - signal provenant du FT2232H. Signaux de sortie : P1 - signal destiné au microcontrôleur ; tx - signal destiné au FT2232H ; PHL - signal qui contrôle la LED HL8 ; PPD - signal de mise hors tension ADC ; POE - signal d'activation de sortie ADC ; POUT - sortie du signal vers le connecteur XP7. Variable : count - compteur du nombre d'octets transférés ; start_bit - indication du début du transfert d'octets ; stop_bit - signe d'achèvement du transfert de données ; ADC_data_buf - Tampon de stockage d'informations ADC ; rx_bit - un signe du début de la réception d'informations. Lors du passage du signal d'horloge d'un niveau bas à un niveau haut, la réception de la décharge de démarrage est vérifiée (tableau 1). Ensuite, si la transmission est en cours, le contenu du compteur d'octets transmis est incrémenté de un (tableau 2). Lorsque le contenu du compteur atteint la valeur 100, cela se produit conformément au tableau. 3, il est mis à zéro, et on vérifie la présence d'une commande de fin de transmission (P(6)=0). Tableau 1
Tableau 2
Tableau 3
Lors de la transition du signal d'horloge de haut en bas, avant le début de la transmission, une mise en mémoire tampon des informations provenant du CAN est effectuée (tableau 4) afin d'empêcher leur modification pendant la transmission. Tableau 4
Le reste des étapes consiste à vérifier l'autorisation ou l'interdiction du transfert d'informations depuis le microcontrôleur. Dans l'état activé, la LED HL8 s'allume et le signe de la fin du transfert est supprimé si l'octet de requête a été reçu (tableau 5). Le transfert des bits de démarrage et d'arrêt s'effectue conformément au tableau. 6, et les informations de la mémoire tampon ADC - Table. 7 (chaque bit est transmis en deux cycles de comptage). Tableau 5
Tableau 6
Tableau 7
Le programme du microcontrôleur est écrit en langage C dans l'environnement de développement ImageCraft. Après la mise sous tension de l'appareil, il initialise les périphériques du microcontrôleur, puis entre dans la boucle principale, avec le microcontrôleur UART en mode veille de réception. A la réception d'un octet, un gestionnaire d'interruption est lancé (tableau 8). Cet octet est écrit dans le tableau rx_arr à l'index rx_count (si le premier octet du paquet a été reçu, alors rx_count=0), après quoi rx_count est incrémenté de un. Ceci est suivi d'un redémarrage du temporisateur 0, dont l'expiration sert de signe de la fin du paquet. Tableau 8
Si l'octet suivant n'est pas reçu dans le délai spécifié, une interruption se produit à la demande du temporisateur 0. Dans le gestionnaire de cette interruption (tableau 9), le temporisateur est arrêté et le drapeau de fin de réception f_rx est défini. Tableau 9
Lorsqu'un paquet d'informations est reçu (f_rx = 1), la boucle principale commence à l'analyser, à exécuter les commandes qu'il contient et à générer des réponses. Tout d'abord, l'en-tête et la fin du paquet sont vérifiés, puis le code de commande. Après une vérification réussie, l'exécution de la commande contenue dans le package commence. Si une erreur est détectée, un reçu négatif est généré. Les commandes suivantes sont implémentées dans le programme : - "Test" - est utilisé pour vérifier la connexion ; - "Définir les états IO" - définit les niveaux logiques spécifiés sur les broches du microcontrôleur connectées au connecteur XP2. La broche 2 du connecteur (circuit IO1) correspond au LSB de l'octet de données de commande et la broche 9 (circuit IO8) correspond au MSB ; - "Définir les états IO liés au FPGA" - définit les niveaux logiques spécifiés aux sorties du microcontrôleur PD4-PD7, PB1, PC2, PC3, associées au FPGA. Les sorties sont répertoriées dans l'ordre de leurs bits d'octet de données de commande respectifs de un à sept. La valeur de l'octet le moins significatif (zéro) de l'octet peut être arbitraire, car l'état de la sortie PD3 ne peut pas être modifié par cette commande. Il est utilisé pour recevoir une demande d'interruption du FPGA ; - "Démarrer le générateur d'impulsions rectangulaires (avec une période multiple de 2 s)" - lance le générateur d'impulsions rectangulaires spécifié (le rapport cyclique de toutes les impulsions générées par l'enregistreur est égal à deux). L'octet de données de commande doit contenir la valeur de la période de répétition des impulsions, qui peut être comprise entre 2 et 2 s par pas de 254 s. Des impulsions sont générées à la sortie du microcontrôleur PB3 par un logiciel commutant son état dans le gestionnaire d'interruptions à partir du temporisateur 1. Elles sont émises vers la broche 5 du connecteur XP2 ; - "Démarrer le générateur d'impulsions rectangulaires (avec une période multiple de 2 s) après le démarrage de l'ADC" - diffère de la commande précédente en ce qu'elle démarre le générateur de manière synchrone avec le début du transfert d'informations du FPGA vers l'ordinateur ; - "Démarrer le générateur d'onde carrée" - démarre le générateur d'onde carrée avec une fréquence de 30 Hz à 8 MHz. Les quatre octets de données doivent contenir la valeur de fréquence en hertz. Le générateur est éteint en réglant la fréquence sur zéro. Étant donné que la période de répétition des impulsions générées est toujours un multiple de la durée du cycle de la machine du microcontrôleur, la fréquence réelle de leur répétition peut différer de celle spécifiée. Sa valeur exacte (avec une résolution de 1 Hz) est contenue dans la réponse à la commande. Les impulsions sont émises sur la broche 5 du connecteur XP2, connectée à la sortie PB3 du microcontrôleur. Pour démarrer le transfert d'informations depuis le FPGA, il faut l'activer en fixant un niveau logique haut à l'entrée 16 du FPGA, puis transférer un octet via le port COM vers le FPGA. L'autorisation a été introduite pour la commodité de mettre fin à la transmission en réglant l'entrée 16 du FPGA sur un zéro logique. Le transfert étant autorisé par le microcontrôleur, afin de synchroniser le début de transmission depuis le FPGA avec le début de réception d'informations par le calculateur, ce dernier doit envoyer un octet de requête arbitraire au microcontrôleur. Le microcontrôleur communique avec l'ordinateur à un débit de 1 Mbaud avec huit bits sans parité et un bit d'arrêt. Pour échanger des informations via USB via la puce FT2232H de l'enregistreur, il est nécessaire d'installer les pilotes dans le système d'exploitation de l'ordinateur, qui se trouvent sur la page Internet [1]. Chargement des programmes dans le FPGA et le microcontrôleur. La programmation FPGA est effectuée selon la méthode décrite dans [2]. Avant de le démarrer, il est nécessaire de régler les commutateurs DIP SA1 - SA3 aux positions indiquées sur la fig. 7a. Le microcontrôleur a été programmé à l'aide du programme AVRDude et du shell graphique SinaProg, téléchargé à partir des liens sur la page Internet [3]. SinaProg nécessite que la bibliothèque LabView RunTime [4] soit installée sur l'ordinateur.
Dans le fichier avrdude.conf, il est nécessaire de réaffecter les broches du programmeur 2ftbb, en complétant le texte du fichier avec la section indiquée dans le tableau. dix. Tableau 10
L'annexe de l'article contient les programmes AVRDude et SinaProg, dans lesquels tous les paramètres nécessaires sont déjà définis. En commençant à programmer le microcontrôleur, vous devez régler les commutateurs SA1-SA3 du registraire sur les positions indiquées sur la fig. 7b, puis connectez le connecteur XS1 de l'enregistreur au port USB de l'ordinateur et lancez le programme SinaProg. Dans le champ "Programmeur" de sa fenêtre, vous devez définir les paramètres 2ftbb, FTDI, 9600. Ensuite, appuyez successivement sur les boutons à l'écran "<" et "Rechercher", après quoi un texte similaire à celui indiqué dans le tableau 11 doit apparaître dans la fenêtre de message. onze . A l'aide du menu appelé en appuyant sur le bouton écran "Avancé" du champ "Fusibles", définissez la configuration du microcontrôleur : haut - 0xC9, bas - 0xFF. Dans le champ "Fichier Hex", indiquez le nom du fichier HEX avec les codes de programme du microcontrôleur et cliquez sur le bouton Programmer dans le champ Flash. Une fois la programmation terminée avec succès, un texte se terminant par les lignes indiquées dans le tableau 12 doit apparaître dans le champ de message. XNUMX. Tableau 11
Tableau 12
Si l'enregistreur est utilisé pour des dispositifs de programmation connectés au connecteur XP6 ou XP7, les commutateurs SA1-SA3 doivent être réglés sur les positions indiquées sur la fig. 7, ch. Les positions des commutateurs pendant le fonctionnement normal de l'enregistreur sont indiquées à la fig. 7, g. Programme informatique USB-960 a été développé dans l'environnement LabVIEW 2011. Si cet environnement n'est pas disponible sur l'ordinateur, les packages [5] et [6] devront être installés. Le programme contient onze sous-dispositifs virtuels (VP) : - ACPPLISUC_IOUC définit les états des ports de sortie du microcontrôleur en sortie vers un connecteur externe ; - ACPPLISUC_FREQ démarre le générateur avec mesure ultérieure de la fréquence générée ; - ACPPLISUC_TEST vérifie la connexion avec le microcontrôleur ; - ACPPLISUC_AFR_H mesure la réponse en fréquence du circuit externe à cinq valeurs de fréquence (non inférieures à 30,5 Hz) ; - ACPPLISUC_AFR_L mesure la réponse en fréquence du circuit externe à une fréquence comprise entre des fractions et des dizaines de hertz ; - ACPPLISUC_GEN2S démarre un générateur d'impulsions rectangulaires avec une période de répétition multiple de 2 s ; - ACPPLISUC_UNPACKDATA convertit les informations reçues du bureau d'enregistrement en un tableau de valeurs de code ADC ; - ACPPLISUC_ADCDATA lit les informations reçues du bureau d'enregistrement pendant le temps spécifié ; - ACPPLISUC_IOPLIS définit les états des ports de sortie du microcontrôleur associés au FPGA ; - ACPPLISUC_GEN démarre un générateur d'impulsions rectangulaires avec un taux de répétition de 30,5 Hz et plus ; - ACPPLISUC_GEN2Ss démarre le générateur d'impulsions rectangulaires avec une période multiple de deux secondes, de manière synchrone avec le début de la lecture des informations du bureau d'enregistrement ; - ACPPLISUC_COM reçoit et transmet des informations via le port COM virtuel associé au microcontrôleur. Le programme principal s'exécute dans une boucle while infinie, à l'intérieur de laquelle se trouve une structure de cas, sa page actuelle est déterminée par la sélection d'un onglet dans la fenêtre principale du programme. Onglet Enregistrement de signal illustré à la fig. 8. En appuyant sur le bouton "START", la réception des lectures du signal à l'étude démarre pendant le temps spécifié dans le champ "Measurement time, s". Pour ce faire, le transfert d'informations depuis le FPGA est autorisé - la valeur 128 est écrite dans le VI ACPPLI-SUC_IOPLIS La lecture proprement dite est effectuée à l'aide du VI ACPPLISUC_ADCDATA, dont le paramètre est le temps de mesure. Ce VI demande des informations en transmettant un octet nul et les lit pendant le temps spécifié. Après expiration, le transfert est désactivé en écrivant une valeur zéro dans le VI ACPPLISUCJOPLIS.
Si le bouton "Ecrire dans un fichier" a été préalablement appuyé, alors le signal à l'étude est enregistré dans un fichier binaire dont le nom est précisé dans le champ "Fichier pour enregistrer le signal". Par défaut, l'enregistrement est effectué dans le dossier racine du lecteur C, ce qui peut nécessiter que le système d'exploitation de l'ordinateur exécute le programme avec des droits d'administrateur. Le démarrage du générateur d'impulsions rectangulaires s'effectue dans les champs "Démarrage générateur" et "Démarrage générateur avec une période multiple de 2 secondes". A la fin de la réception, l'oscillogramme du signal reçu est affiché dans le champ "Signal", et son spectre est affiché dans le champ "Spectre d'amplitude". Dans les champs "RMS, V" et "Valeur moyenne, V", les valeurs rms et moyenne du signal seront affichées, respectivement. Onglet Oscilloscope illustré à la fig. 9. Une pression sur le bouton à l'écran "START" démarre la boucle while, dans laquelle des informations répétées (jusqu'à ce que vous appuyiez sur le bouton "STOP") soient reçues du registraire selon un algorithme similaire à celui décrit ci-dessus. Pour éviter l'écrêtage du signal pendant la synchronisation et le décalage manuel, la durée d'enregistrement réelle est le double de celle spécifiée. Une fois terminé, le signal recherche les instants de franchissement du seuil spécifié (fixé à l'aide du contrôleur "Seuil, V"), à partir duquel un tableau est formé. Puis, dans ce tableau, le programme trouve un élément situé le plus près possible de 1/3 de la durée du signal. Il servira de point de départ à l'oscillogramme affiché à l'écran.
À l'aide du curseur "Décalage, %", vous pouvez décaler la forme d'onde. Les boutons "Enregistrer le signal actuel" et "Lire" enregistrent le signal actuellement affiché et lisent le signal précédemment enregistré. Onglet "Suppression de la réponse en fréquence" illustré à la fig. 10. Il est possible de déterminer la réponse en fréquence d'un circuit linéaire [7] en exposant simultanément ou séquentiellement son entrée à des signaux harmoniques de différentes fréquences, puis en mesurant l'amplitude de ces signaux à la sortie du circuit. Dans le dispositif considéré pour mesurer la réponse en fréquence, au lieu de signaux harmoniques, des impulsions rectangulaires générées par le microcontrôleur sont utilisées. Un signal sous forme d'impulsions rectangulaires avec un rapport cyclique de 2 est la somme d'un nombre infini de signaux harmoniques (harmoniques), dont les fréquences sont un nombre impair de fois supérieures au taux de répétition des impulsions. Les amplitudes de ses harmoniques sont approximativement égales à 0,9 (première), 0,3 (troisième), 0,18 (cinquième), 0,129 (septième), 0,1 (neuvième) amplitudes d'impulsion. Connaissant le rapport des harmoniques (spectre) du signal à l'entrée du circuit étudié et le déterminant en sortie, il est possible de calculer la réponse en fréquence de ce circuit aux fréquences harmoniques.
Le registraire supprime la réponse en fréquence en utilisant des impulsions rectangulaires avec un rapport cyclique de 2 et un taux de répétition de 0,1 ; 0,5 ; 30,5, 60,1, 120,2, 240, 480,8, 961,5, 1923, 3846, 7692,3, 15384,6, 31250 et 61538,5 Hz. L'appui sur l'un des boutons écran "START 0,1 Hz" ou "START 0,5 Hz" démarre le VI ACPPLISUC_AFR_L avec une période de 10 s et 2 s, respectivement. Ce VI fonctionne comme ceci : - en utilisant le VI ACPPLISUC_GEN2SS envoie une commande pour démarrer le générateur d'impulsions rectangulaires avec une période donnée ; - reçoit des informations de l'ADC pendant 1,5 périodes de répétition d'impulsions ; - Passe le signal reçu à travers un filtre passe-bas numérique de 2000 Hz pour supprimer les composants haute fréquence avant la décimation du signal. Si cela n'est pas fait, l'effet d'aliasing se produira [8] ; - amincit le signal, en supprimant 47 échantillons sur 48, afin de simplifier les calculs ultérieurs ; - extrait du signal un fragment d'une durée d'exactement une période de répétition d'impulsion ; - calcule le spectre d'amplitude de ce fragment ; - extrait du spectre obtenu les composantes correspondant aux harmoniques impaires du signal de test, les divise en valeurs d'amplitude connues des mêmes harmoniques du signal d'origine. Le résultat est la réponse en fréquence du circuit étudié aux fréquences harmoniques. L'appui sur le bouton écran "START 30 Hz" lance la boucle for dans laquelle s'exécute le VI ACPPLISUC_AFR_H dont l'entrée reçoit les valeurs de fréquence d'impulsion et de temps de mesure. A la sortie de ce VP, on obtient les valeurs de réponse en fréquence à cinq harmoniques du signal d'une fréquence donnée. À la suite du cycle, trois tableaux sont formés : les fréquences auxquelles la réponse en fréquence a été mesurée, les signaux utilisés pour calculer la réponse en fréquence et les valeurs de réponse en fréquence. Ensuite, le tableau des valeurs de réponse en fréquence est trié pour un affichage ultérieur de son graphique à l'écran. Le VI ACPPLISUC_AFR_H fonctionne comme suit : - en utilisant le VI ACPPLISUC_GEN envoie une commande pour démarrer le générateur ; - reçoit les informations de l'ADC dans un délai spécifié ; - calcule le spectre d'amplitude du signal enregistré ; - extrait cinq composants du spectre obtenu, correspondant aux harmoniques du signal de test, divise leurs valeurs par les amplitudes relatives des harmoniques du signal appliqué à l'entrée du circuit à l'étude.En conséquence, cinq lectures de la réponse en fréquence sont obtenues. Il convient de noter que la durée des signaux analysés doit nécessairement être exactement un multiple de la période de répétition des impulsions, sinon, lors du calcul du spectre, son "étalement" [9] ou "fuite" [7] se produira et les résultats de l'analyse seront faussés. Appuyez sur les boutons à l'écran "Enregistrer les résultats" et "Lire" pour écrire la réponse en fréquence actuellement affichée sur le fichier disque et lire la réponse en fréquence enregistrée précédemment. Pour tester le fonctionnement de l'enregistreur en mode de lecture de la réponse en fréquence, un nœud monté sur une carte de prototypage lui a été connecté selon le circuit illustré à la Fig. 11. Il s'agit de filtres passe-bas R1C2 et passe-haut R2C1. Les suiveurs de tampon sur l'ampli op de la puce DA1 éliminent l'effet sur la réponse en fréquence des filtres d'une impédance de sortie relativement élevée de la sortie du générateur et d'une impédance d'entrée faible (1,5 kOhm) de l'enregistreur. La tension +15 V et -15 V pour alimenter le microcircuit DA1 peut être retirée du connecteur Xp4 de l'enregistreur, si vous connectez chacune trois broches sur la carte de ce dernier, destinées aux cavaliers S1 et S2 (à ne pas confondre avec les cavaliers S1 et S2 de la Fig. 11, qui commutent les filtres).
Pour comparer la réponse en fréquence mesurée avec celles obtenues par calcul, le programme "Comparison_AFC_with_calculation" a été créé, qui calcule la réponse en fréquence d'un circuit RC donné et la trace dans les mêmes coordonnées que celle mesurée. Les résultats sont présentés dans la fig. 12 (filtre passe-bas) et fig. 13 (filtre passe-haut). Les valeurs calculées sont affichées en rouge, les valeurs mesurées sont affichées en blanc. De plus, des condensateurs d'une capacité de 1 μF ont été connectés en parallèle avec C2 et C8 et les caractéristiques illustrées à la Fig. 14 et fig. 15.
Onglet Calibrage illustré à la fig. 16. Lors de l'exécution de cette opération, il est nécessaire de régler la relation entre la tension à l'entrée de l'enregistreur et la valeur du code à la sortie de l'ADC. Cette dépendance étant linéaire, il suffit d'entrer les coordonnées de ses deux points. Pour ce faire, une tension constante proche du maximum est appliquée à l'entrée de l'enregistreur. Sa valeur est enregistrée dans le champ "Umax, V". Dans le champ "ADC-avg." la valeur du code de sortie ADC moyenne par le programme sera affichée. Il peut être saisi manuellement dans le champ "ADC-max" ou utiliser le bouton à l'écran "Ecrire la valeur moyenne ADC actuelle comme ADC-max".
Après avoir appliqué une tension constante proche du minimum à l'entrée de l'appareil, entrez de la même manière les valeurs dans les champs "Umin, V" et "ADC-min". Comme déjà mentionné, les fréquences réelles des signaux générés lors de la suppression de la réponse en fréquence des signaux peuvent différer légèrement des valeurs spécifiées, en raison desquelles il est impossible de connaître à l'avance les durées exactes des échantillons à analyser, qui doivent être un multiple d'un nombre entier de périodes de signal. Les valeurs de fréquence réelles doivent d'abord être mesurées et les durées d'échantillonnage calculées. Ces actions sont réalisées dans une structure cas appelée par le bouton "Définir les périodes de lecture de la réponse en fréquence", les résultats sont enregistrés dans un fichier texte. Le calibrage est effectué comme suit : - connecter l'entrée de l'appareil à un fil commun en connectant les contacts du connecteur XP1 ; - résistance d'ajustement R1 définie dans la fenêtre "ADC-average". valeurs de 511 à 513 (en cliquant sur le bouton d'écran "Lire" pour mettre à jour) ; - brancher une source de tension continue +1...13 V sur le connecteur XP15, saisir la valeur exacte de cette tension dans le champ « Umax, V » ; - cliquer sur le bouton d'écran "Read" pour numériser le signal et déterminer la valeur moyenne du code ADC, puis cliquer sur le bouton d'écran "Write the current value of ADC-average as ADC-max" ; - inverser la polarité de la tension appliquée au connecteur XP1, saisir sa valeur dans le champ "Umin, V", cliquer sur les boutons écran "Lire", puis "Ecrire la valeur actuelle de ADC-average as ADC-min" ; - après avoir déconnecté la source de tension du connecteur XP1, connectez la broche 1 de ce connecteur à la broche 5 du connecteur XP2 et appuyez sur le bouton à l'écran "Déterminer la tension de niveau logique (IL1)". Cette valeur est nécessaire pour calculer la réponse en fréquence ; - appuyez sur le bouton à l'écran "Définir les périodes de prise de réponse en fréquence" et attendez la fin des mesures (le processus prend plus de deux minutes). Les résultats de mesure sont stockés dans un fichier texte sur le disque dur de l'ordinateur. Le nom de ce fichier et son chemin sont contenus dans le champ "Fichier avec coefficients d'étalonnage" ; - en appuyant sur le bouton à l'écran "TEST", une commande de test est envoyée au microcontrôleur, si la bonne réponse est reçue, l'indicateur "TEST OK" s'allume. Dans le champ "IO", vous pouvez définir manuellement les états des sorties du microcontrôleur vers le connecteur XP2, et dans le champ "IO-PLIS", ceux associés au FPGA. En conclusion, on peut noter que si vous construisez un enregistreur basé sur le FPGA Xilinx Spartan-3 avec un cœur de processeur MicroBlaze, il ne sera pas nécessaire d'utiliser un microcontrôleur. Le fichier PCB au format Sprint Layout 5.0 et les programmes pour FPGA, microcontrôleur et ordinateur peuvent être téléchargés à partir de ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/11/usb-reg.zip. littérature
Auteur : V. Tchaïkovski
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