Белай О.М. Информационно-измерительные системы. Методические указания к лабораторным работам
Подождите немного. Документ загружается.
моменты положений опорного и интервального импульсов на оси времени – это моменты двух
соседних переходов исследуемого сигнала через нулевой уровень с производной одинакового знака,
например положительного (пересечения оси времени снизу вверх).
На рис.29 представлены несколько примеров организации счётных импульсов. Следует
отметить, что при различных способах их формирования, период следования (Tx) счётных импульсов
остаётся неизменным.
Сигналы TTL-уровня Us1-Us3, поступающие непосредственно на вход измерительной
системы, можно формировать каскадом с использованием компаратора или транзистора в ключевом
режиме.
Кроме 8-ми аналоговых входов, в контроллере предусмотрен 9-ый вход (разъём XR4.3) для
контроля импульсных сигналов.
Входной каскад представлен на рис.30. Резисторы R2`, R4 включены как базовый делитель
входного напряжения, диод VD3 шунтирует отрицательную
полуволну входного сигнала.
Рис.30
Контроллер производит измерение частоты входных сигналов в диапазоне - 0,45 Hz …65 kHz,
амплитудой ±3V…±10V или импульсов TTL - уровня.
Программное обеспечение контроллера позволяет произвести измерение частоты тремя
способами:
- измерение временного интервала Tx между опорным (So) и интервальным (Si) импульсами в
диапазоне 0,45 Hz…100 Hz.
- измерение количества импульсов So(i) за эталонный интервал времени Tэт в диапазоне
100 Hz…65 kHz (для Tэт = 1сек). Обычно
за Tэт принимают ряд значений: 1сек,100ms,10ms,1ms.
- измерение временного интервала Tx по осциллограмме, с учётом времени замера одного
кадра [T/del_Nps] и числа точек в кадре [Oscillator_points];
1 и 2-ой способы измерения частоты основаны на применении аппаратного таймера-счётчика
(TC1) микропроцессора AT90S8515. После очередного замера, 2-х байтный код, соответствующий
частоте входного сигнала, передаётся в PC и выводится
на панель [Rotation_panel].
На рис.31 приведена схема для исследования. В лабораторной установке применена
оптическая пара светодиод (VD1) и фотодиод (VD2) ИК-диапазона. В качестве исполнительного
механизма применён электрический двигатель постоянного тока типа ДПМ-30H2-04. На валу
двигателя закреплена металлическая пластина ( l = 30mm; h = 10mm). При вращении вала двигателя,
пластина периодически перекрывает оптический канал оптопары, что соответствует единичному
импульсу
на один оборот.
Регулировка оборотов, а также реверс двигателя осуществляется программируемым
источником напряжения U1 (кнопками <+> / <–>), расположенным на передней панели стенда
SSJKS1.
21
Рис.31
Пример электрического интерфейса фотоприёмника изображён на рис.32. Фотодиод VD2
(ФД256) включен в базовый делитель R2/R4 транзистора VT1. При отсутствии излучения,
генерируемого светодиодом VD1 (в случае перекрытия оптического канала), транзистор VT1 закрыт,
и выходной сигнал в контрольной точке X1 соответствует уровню лог.”1”. При наличии излучения,
транзистор VT1 открывается и на выходе формируется сигнал, соответствующий лог.”0”. При
закрытом
транзисторе VT1, подпитывающий резистор R3 обеспечивает уровень лог. “1”.
Контрольная точка X1 подключена непосредственно ко входу [2] DD1 CPU, который является
внешним входом таймера-счётчика TC1 микропроцессора AT90S8515.
Рис.32
Для проведения коммутаций необходимо использовать монтажную схему печатной платы
контроллера, помещённую в описании ЛР№ 1 “ИИС на примере контроллера SSJKS4. Интерфейс.
Цифровое осциллографирование”, рис.7.
- подключите питание контроллера SSJKS4 через разъём XR3.
- подключите оптопару (VD1/VD2) к разъёму XR4 контроллера.
- контрольную точку X1 контроллера SSJKS4 (см. монтажную схему рис.7, ЛР№ 1) подключите к
1-му аналоговому каналу Ch1 (XR6.7). 2-ой свободный канал Ch2 (XR6.6) рекомендуется
подключить к общему проводу.
- для измерения оборотов двигателя и частоты внешнего сигнала включите кн.[Rotation].
- изменяя напряжение программируемого источника U1 (кнопками <+> / <–>), заполните
данные
для значений [Fxx] и [ω], согласно вариантов табл.2.
22
Табл.2
Номер
варианта, №
U
1
, (V) Fxx, (Hz)
(практич.)
ω, (об/мин) Tимп,
(ms)
Fxx, (Hz)
(расчётн.)
1 5,0
2 5,5
3 6,0
4 6,5
5 7,0
6 7,5
7 8,0
8 12,0
Для записи осциллограммы импульсов с оптического датчика произведите соответствующие
установки: [ADC_mode / A_8bit], [Regime / Oscillator], [ADC_mux / Ch1].
- используя кнопку “CYCL” произведите запуск цикла измерения.
В окне [T/del_Nps] индицируется значение временного интервала (ms), в течение которого
контроллер производил замер данного кадра. Окно [Oscillator_points] содержит число точек
(пикселов) в кадре.
- на панели [T/Del_Nps] выберите [51,5 ms].
- остановив процесс измерения кнопкой “STOR”, сохраните полученное изображение в
формате
*.bmp, для соответствующего варианта (см. пример рис.33).
Для данного замера [T/del_Nps] = 51,5 ms, [Oscillator_points] = 448 points.
Рис.33
Содержание отчёта
- привести данные практических замеров. Заменить рис.33, полученной осциллограммой в
контрольной точке X1 (согласно варианта). На ней обозначить период (Tимп) следования импульсов.
- определить расчётную частоту (Fxx) следования импульсов с оптического датчика в
контрольной точке X1 по полученной осциллограмме (рис.33), учитывая программные установки
[T/del_Nps] и [Oscillator_points]. Результаты поместить в табл.2
- по
данным табл.2 рассчитать абсолютную (
∆
) погрешность частоты импульсных сигналов в
контрольной точке X1. За эталонное значение принять Fxx (практич.), полученное программно, с
таймера микроконтроллера DD1.
- по данным табл.2 построить зависимость оборотов (ω) исследуемого двигателя от
напряжения (U1),
(
1U
)
ϕ
ω
=
.
23
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4.
ИИС на примере контроллера SSJKS4. Исследование работы АЦП.
Цель работы: Исследование работы АЦП типа 1113ПВ1 в составе ИИС на базе контроллера
SSJKS4.
Теоретические сведения.
Информационно-измерительная система, выполняющая контроль и обработку аналоговых
сигналов, имеет в своём составе блок аналого-цифрового преобразования (АЦП). Это может быть
электронный узел в виде отдельной интегральной схемы АЦП или программно-аппаратная часть,
реализованная
в используемом микропроцессоре (микроконтроллере).
В данной лабораторной работе исследуется полупроводниковая микросхема БИС АЦП типа
1113ПВ1, выполняющая функцию 10-ти разрядного аналого-цифрового преобразования
однополярного или биполярного входного сигнала с представлением результатов преобразования в
параллельном двоичном коде. Она содержит все функциональные узлы АЦП последовательного
приближения, включая выходной буферный регистр с тремя состояниями
, схемы управления.
Метод последовательного приближения – наиболее распространённый способ реализации
функции аналого-цифрового преобразования в преобразователях со средним и высоким
быстродействием. В структуру АЦП последовательного приближения также входит ЦАП. Однако в
отличие от АЦП с динамической компенсацией в АЦП последовательного приближения выходной
сигнал ЦАП нарастает до уровня входного сигнала точно за N
тактов (для N-разрядного
преобразователя). В результате процесс преобразования занимает гораздо меньше времени, и время
преобразования не зависит от уровня входного сигнала. Данный метод основан на аппроксимации
входного сигнала двоичным кодом и последующей проверке правильности этой аппроксимации для
каждого разряда кода, пока не достигается наилучшее приближение к величине входного сигнала. На
каждом
этапе этого процесса двоичное представление текущего приближения хранится в регистре
последовательного приближения (РПП). На рис.34 представлена структурная схема АЦП
последовательного приближения.
Рис.34
Ui - аналоговый входной сигнал;
Uref - аналоговый опорный сигнал, определяет диапазон измеряемого входного сигнала;
DA1 – аналоговый компаратор;
DAC – цифро-аналоговый преобразователь;
Udac - аналоговый изменяемый опорный сигнал c DAC;
RCA – регистр последовательного приближения (register of consecutive approximation);
CM – схема управления (circuit of management);
Gen – тактовый генератор;
24
Преобразование всегда начинается с установки единичного значения старшего значащего
разряда (СЗР) в РПП. Это соответствует первоначальной оценке величины входного сигнала
половиной величины полного диапазона (полной шкалы). Компаратор сравнивает выходной сигнал
ЦАП с входным напряжением и выдаёт контроллеру команду на сброс СЗР. В следующем такте
контроллер устанавливает в единичное значение
следующий (по старшинству) разряд, и снова,
исходя из уровня входного сигнала, компаратор “решает”, сбрасывать или оставлять установку этого
разряда. Преобразование продолжается аналогичным образом, пока не будет проверен последний
МЗР. В этот момент содержимое РПП и выходного регистра является наилучшим двоичным
приближением входного сигнала – это и есть выходной цифровой сигнал (слово) D0-D9 АЦП
.
Поскольку в процессе последовательного приближения установка значений разрядов выполняется в
последовательном порядке, то в АЦП этого типа удобно организовывать аппаратный вывод
последовательных данных.
Для примера, на рис.35 приведен график пошагового преобразования (для 4-х тактов
генератора) 10-ти разрядного АЦП. с внутренним источником опорного напряжения Uref = 10.23V.
Шаг квантования, при этом, будет соответствовать значению 10,23V / 1024 = 0,0099 = 0,01 V.
Входной измеряемый сигнал Ui = 7,5V. В табл.3, для каждого шага приведены значения регистра
последовательного приближения (RCA) в двоичной, шестнадцатиричной и десятичной системах
исчисления, а также значение изменяемого опорного сигнала c DAC, подаваемого на вход
компаратора для сравнения.
Для более удобного восприятия данных, представленных в двоичной форме (табл.3, столбец
BIN_code), тетрады разделены точками.
Рис.35
Табл.3
BIN_code HEX_code DEC_code Udac, (V) Step
10.0000.0000 $200 512 5,12 1
11.0000.0000 $300 768 7,68 2
10.1000.0000 $280 640 6,40 3
10.1100.0000 $2C0 704 7,04 4
Из табл.3 видно, что при 3-ем шаге преобразования (Step_3) внутренняя схема управления
АЦП произвела коррекцию бита D8 в регистре последовательного приближения (RCA) из “1” в
25
значение “0”, так как во 2-ом шаге преобразования (Step_2), значение корректирующего аналогового
сигнала Udac(7,68V) превысило значение входного аналогового сигнала Ui (7,5V).
Схемотехническое изображение (цоколёвка) м/с АЦП 1113ПВ1 представлено на рис.36.
Рис.36
Микросхема выпускается в 18-выводном герметичном металлокерамическом корпусе типа
238.18-1 с вертикальным расположением выводов. Нумерация и назначение выводов представлены в
табл.4.
Табл.4
Вывод, № Назначение Вывод, № Назначение
1 бит данных - D1 10 Напряжение питания, Uc1
2 бит данных - D2 11 Сброс / Преобразование, RT
3 бит данных - D3 12 Напряжение питания, Uc2
4 бит данных - D4 13 Аналоговый вход, Ui
5 бит данных - D5 14 Общий, (аналоговая земля),AGD
6 бит данных - D6 15 Управление сдвигом нуля, IR
7 бит данных - D7 16 Общий, (цифровая земля),CGD
8 бит данных - D8 17 Готовность данных, RD
9 бит данных - D9 (СР) 18 Бит данных - D0 (МР)
Рассмотрим алгоритм работы АЦП и порядок подачи управляющих сигналов.
Состоянием входа IR[15], определяется установка диапазона работы АЦП. Включение в
режим работы с униполярным входным напряжением (0…10,5 V) предполагает подсоединение
вывода
к цифровой земле. При незадействованном выводе IR, устанавливается диапазон измерения
биполярного напряжения в пределах -5,5…5,5 V.
Вход RT [11] управляет переключением режимов “СБРОС” и “СТАРТ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ”
АЦП. При подаче лог.”1” происходит “СБРОС” АЦП. При этом цифровые выходы D0-D9
устанавливаются в высокоимпедансное состояние. “СТАРТ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ” осуществляется
подачей лог.”0.”
По окончании процесса преобразования, на выводе RD [17] формируется сигнал ”Готовность
данных
”, соответствующий лог.”0”. При этом, управляющей системе (процессору) необходимо
считать сформированный цифровой код на выходах D0-D9, и продолжить цикл измерения.
Основные электрические параметры м/с АЦП 1113ПВ1 (при t=25
°C) представлены в табл.5.
26
Табл.5
Число разрядов, (b) 10
Интегральная нелинейность δL, (%) -0,1…0,1
Дифференциальная нелинейность δLD, (%) -0,1…0,1
Напряжение смещения нуля по входу Ui, (mV) -30…30
Время преобразования tc, (mks) <= 30
Ток потребления Icc1, (mA) <= 10
Ток потребления Icc2, (mA) <= 20
Диапазон униполярного входного напряжения Ui,(V) 0…10,5
Диапазон биполярного входного напряжения Ui,(V) -5,5…5,5
Ход выполнения работы.
Для проведения коммутаций необходимо использовать монтажную схему печатной платы
контроллера, помещённую в описании ЛР№ 1 “ИИС на примере контроллера SSJKS4. Интерфейс.
Цифровое осциллографирование”, рис.7.
- подключите питание контроллера SSJKS4 через разъём XR3.
- с внешнего генератора на разъём XR6 подключите исследуемый аналоговый сигнал. Для этого
используется канал Сh0 - XR6 [8]. Аналоговая земля подсоединяется к
контакту XR6 [10]
(см.рис.37).
Рис.37
- запустите исполнительный файл [SSJKS_4YKA.exe].
- в меню [Options] подключите соответствующий последовательный порт [I/O_Port / COM1 /
COM2] и выбирите необходимый формат осциллограмм [Format_Diagrams / *.bmp].
- на панелях [ADC_mux], [ADC_mode], [Regime], [Delay_ms] произведите соответствующие
установки: [ADC_mux / ch1], [ADC_mode / A_10bit], [Regime / Oscillator], [Delay_ms / Zero].
27
Табл.6
Номер
варианта, №
U
m
, (V) F
xx
, (Hz)
(практич.)
T
имп
, (ms)
(расчётн.)
F
xx
, (Hz)
(расчётн.)
N
pic
(на период)
1 1,0 1000
2 2,0 900
3 3,0 800
4 4,0 700
5 1,0 600
6 2,0 500
7 3,0 400
8 4,0 300
- установите параметры сигнала амплитуду (U
m
) и частоту (F
xx
) внешнего генератора
лабораторного стенда SSJKS1 согласно вариантов табл.6, установив форму SIN_wave;
- используя кнопку “CYCL” произведите запуск цикла измерения. После получения
устойчивого изображения исследуемого входного сигнала, остановите цикл измерения кнопкой
“STOR”. Сохраните полученное изображение в формате *.bmp, пометив кадр №1 для данного пункта
(см. пример на рис.38).
Рис. 38
В окне [T/del_Nps] индицируется значение временного интервала (ms), в течение которого
контроллер производил замер данного кадра. Окно [Oscillator_points] содержит число точек в кадре.
В данном случае [T/del_Nps] = 10,1 ms, [Oscillator_points] = 224 points.
Выделите блоком (кн.BYT#1 мыши) один период измеренного сигнала и сохраните, пометив
кадр №2 (см. пример рис.39). Для центровки положения рисунка в кадре, удерживая кн.BYT#2 мыши
можно
перемещать график в поле экрана осциллографа.
Рис. 39
Для возврата кадра осциллограммы в первоначальный вид, вокруг точки с координатами X=0;
Y=0, вычерчивается прямоугольный блок кн.BYT#1 мыши.
28
Рис. 40
29
Содержание отчёта
- используя полученные осциллограммы № 1, 2 рассчитать частоту F
xx
, период T
имп
и число
пикселов N
pic
на период для исследуемого сигнала.
- по осциллограмме № 2 сделать выводы о частотных свойствах исследуемого АЦП и
погрешности преобразования.
- используя заготовки временных диаграмм (рис.40), отобразить сигналы управления (RT, RD)
и цифровой код на выходах (D0-D9)) м/с АЦП 1113ПВ1. Две точки последовательных замеров (t
i
), а
также форма входного аналогового сигнала (U
i
) выбираются согласно вариантов табл.7.
Табл. 7
№ варианта Последовательные
замеры АЦП в точках
Входной сигнал (Ui)
1 t2, t6, t14 1
2 t3, t9, t16 2
3 t4, t10, t17 1
4 t2, t10, t16 2
5 t4, t9, t13 1
6 t5, t10, t13 2
7 t5, t8, t16 1
При расчёте десятичного эквивалента (X) входной аналоговой величины (U
i
) для n-разрядного
АЦП используйте следующие соотношения:
a) зная полный диапазон входного напряжения (U
d
) и разрядность АЦП (N
p
), определяем шаг
преобразования Q (квант). Для исследуемого АЦП диапазон входного сигнала U
min
= -5V, U
max
=
+5V.
12
−
=
p
N
d
U
Q
, (5)
maxmin
UUU
d
+=
(6)
b) для отрицательных значений входного сигнала
-
Q
UU
X
i
−
=
min
(7)
c) для положительных значений входного сигнала
-
Q
UU
X
i
+
=
max
(8)
Контрольные вопросы
- принцип устройства АЦП последовательного приближения;
- алгоритм управления м/с АЦП 1113ПВ1;
- порядок выбора АЦП;
30