Gravador de tensão USB com funções de osciloscópio, analisador de espectro e medidor de resposta de frequência. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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O hardware deste gravador é um ADC, equipado com um canal de comunicação de alta velocidade com um computador através de um barramento USB, implementado através de um chip lógico programável (FPGA). E o programa de computador desenvolvido pelo autor permite não apenas gravar um sinal digitalizado em um arquivo, mas também exibir seu oscilograma, espectro e até medir a resposta amplitude-frequência (AFC) de um filtro ou outro dispositivo linear, a entrada dos quais é fornecido com um sinal de teste do gerador embutido no gravador.

No gravador em questão, amostras do sinal em estudo, que o ADC capta com frequência de 960 kHz, são alimentadas na entrada do FPGA, que converte o código ADC paralelo em serial. Em cada grupo de cinco bytes de oito bits transmitidos ao conversor UART-USB, o FPGA coloca quatro códigos ADC de dez bits. Em seguida, as informações são transferidas via USB para um computador para processamento e armazenamento. O protocolo de comunicação com o computador e demais funções do gravador são implementados por meio de um microcontrolador. O FPGA e o microcontrolador são programados através do mesmo conversor UART-USB usado para transmitir informações.

Para trabalhar com o gravador, foi desenvolvido um programa em ambiente LabVIEW que implementa a recepção da informação, sua exibição e armazenamento. Além disso, implementa um algoritmo para registrar a resposta de frequência de um circuito externo conectado ao gravador em frequências de 0,1 Hz a 480 kHz. Uma característica distintiva deste algoritmo é que para estimar as características amplitude-frequência do circuito em estudo, são utilizados os harmônicos da taxa de repetição de pulsos retangulares gerados pelo microcontrolador gravador.

A tarefa de desenvolver um dispositivo para transmissão contínua para um computador em tempo real de amostras de valores instantâneos de tensão na faixa de 15 a +15 V com frequência de amostragem de 960 kHz e resolução de dez dígitos binários, em princípio, poderia ser resolvido sem um FPGA usando um ADC e um microcontrolador com porta USB integrada operando no modo de porta COM virtual. No entanto, a velocidade de transferência de informações não seria suficientemente alta. Ao utilizar um chip conversor de interface UART-USB FT2232H, que fornece transferência de informações a uma velocidade de 12 Mbit/s, juntamente com um ADC e um microcontrolador, surge o problema de encontrar um microcontrolador cujo UART seja capaz de operar nessa velocidade. Como resultado, foi escolhido um método diferente do anterior por utilizar um FPGA, que lê as informações geradas pelo ADC em código paralelo e as converte em um formato serial característico do UART.

O dispositivo usa um ADC10030 de dez bits com saída paralela e frequência máxima de amostragem de 30 MHz. Os resultados do seu trabalho são recebidos e processados ​​pelo FPGA EPM3064ALC44-10N, que contém 64 macrocélulas lógicas programáveis ​​e 44 linhas de E/S.

Cada amostra de sinal de entrada gerada pelo ADC é um código binário de dez bits, e o conversor FT2232H UART-USB recebe informações em bytes de oito bits. Por esta razão, o FPGA implementa um dispositivo que empacota cada quatro amostras em cinco bytes. Em seguida, ele fornece a cada byte bits de início e parada e os transmite em código serial a uma velocidade de 12 MBd para o chip FT2232H para transmissão ao computador através da interface USB.

O circuito gravador é mostrado na Fig. 1. É alimentado por uma tensão constante de 7...9 V, fornecida do conector XP3 ao estabilizador integrado DA6 7805, e deste, com o jumper removível S4 na posição 1-2, ao estabilizador de tensão de 3,3 V. LM1117-3.3 (DA7). Para facilitar o uso do dispositivo durante a depuração, é possível alimentá-lo a partir de uma porta USB. Para isso, o jumper removível S4 deve ser movido para a posição 2-3. Porém, durante a operação normal, tal potência é inaceitável, uma vez que a tensão retirada da porta USB é muitas vezes visivelmente diferente de 5 V, o que leva a uma mudança na escala de conversão do sinal em estudo para o ADC.

Arroz. 1. Esquema do gravador (clique para ampliar)

O gerador de clock de 24 MHz para ADC e FPGA é construído em elementos do microcircuito DD2 74HC04D e estabilizado por um ressonador de quartzo ZQ2.

Para implementar o protocolo de comunicação com um computador, gerar sinais discretos e gerar pulsos retangulares, foi introduzido no gravador um microcontrolador DD1 ATMega8A, operando com frequência de clock de 16 MHz, ajustada por um ressonador de quartzo ZQ1. A troca de informações entre o computador e o microcontrolador também ocorre através do chip FT2232H (DD4), mas por meio de um canal diferente. Para se comunicar com o FPGA e o microcontrolador, duas portas COM virtuais devem ser organizadas no sistema operacional do computador que trabalha com o gravador.

O sinal em estudo é fornecido através do conector XP1 para a entrada do estágio no amplificador operacional DA2 AD825ARZ, que é um atenuador de sinal inversor de 15 vezes. O nível zero na saída do amplificador operacional DA2 pode ser alterado usando o resistor de ajuste R1. Desta forma, o sinal em estudo é levado à faixa permitida de alterações na tensão de entrada do ADC.

O amplificador operacional DA2 é alimentado por uma tensão de +/- 15 V, que é gerada a partir de +5 V por um conversor de tensão DC unipolar para bipolar AM1D-0515DH30Z (U1). Os resistores R19 e R20 são a carga mínima do conversor necessária para seu bom funcionamento. Ao mover os jumpers removíveis S1 e S2 da posição 2-3 para a posição 1-2, você pode passar a alimentar o chip DA2 com uma tensão externa de +/- 15 V fornecida ao conector XP4. Se desejar, dispositivos externos com consumo de corrente não superior a 1 mA podem ser alimentados pelo conversor U35.

As tensões de referência para o ADC DA5 são formadas pelos amplificadores operacionais DA3.1 e DA3.2 conforme circuito recomendado na descrição do ADC. O código paralelo das saídas ADC é enviado para o FPGA DD3, onde é convertido em código UART serial. Em seguida, vai para o chip DD4 FT2232H.

O conector XP2 foi projetado para controlar dispositivos externos com sinais de nível lógico de 3,3 V em oito canais; além disso, uma tensão constante de 3,3 V e um fio comum são emitidos para este conector para alimentar dispositivos externos. Os conectores XP5 e XP6 são projetados para programar dispositivos conectados a eles com uma tensão de alimentação de 3,3 V.

O conector XP7 transporta tensões de 3,3 V, 5 V e um fio comum para alimentação de dispositivos externos, sinal de pulso com frequência de 24 MHz (frequência de clock do ADC e FPGA). O pino 4 deste conector está conectado ao pino 14 do FPGA DD3, que não é utilizado na versão descrita do dispositivo.

LEDs são conectados ao conector XP8, indicando o modo de operação do conversor:

HL1 - presença de tensão de alimentação;

HL2 - transferência de informações do microcontrolador para o computador;

HL3 - transferência de informações de um computador para um microcontrolador;

HL4 - transferência de informações do FPGA para o computador;

HL5 - transferência de informações do computador para o FPGA;

HL6 - o gerador de pulsos retangulares está incluído;

HL7 - a transferência de informações do FPGA é permitida pelo microcontrolador;

HL8 - FPGA transmite informações.

Um desenho dos condutores da PCB é mostrado na Fig. 2 (lado 1) e fig. 3 (lado 2). A disposição dos elementos nesses lados da placa é mostrada na Fig. 4 e fig. 5. A placa fornece espaço para elementos não mostrados no diagrama, a partir dos quais você pode montar um atenuador ou filtro de entrada em forma de U entre o conector XP1 e o resistor R4 e um filtro em forma de L entre a saída do amplificador operacional DA2 e o entrada do ADC DA5. Para permitir a passagem do sinal na ausência de um atenuador e filtro, são instalados jumpers de montagem em superfície em vez de seus elementos seriais. Mais dois jumpers substituem os resistores conectados em série com os resistores R5 e R8 se for necessário selecionar com precisão a tensão ADC de referência.

Arroz. 2. Desenho de condutores PCB

Arroz. 3. Desenho de condutores PCB

Arroz. 4. Disposição dos elementos

Arroz. 5. Disposição dos elementos

Para FPGAs DD3 em pacote PLCC-44, um painel deve ser instalado na placa. O estabilizador integral DA6 é montado em um dissipador de calor com aletas com dimensões de 22x20x15 mm.

O gravador é montado no gabinete Gainta G715; sua aparência é mostrada na Fig. 6. Os LEDs são fixados no painel frontal e são feitos furos para os conectores XP1, XP2, XP4, XP7. No painel traseiro há acesso ao bloco de interruptores SA1, conectores XS1, XP5, XP6.

Arroz. 6. Aparência do registrador

A estrutura do dispositivo implementado no FPGA é descrita na linguagem VDHL. A tradução e a depuração foram realizadas no ambiente de desenvolvimento Quartus 11 Versão 10.1.

Sinais de entrada:

clk - sinal de relógio;

P - matriz de sinais provenientes do microcontrolador;

ADC_data - array de sinais vindos do ADC;

rx - sinal vindo do FT2232H. Sinais de saída:

P1 - sinal destinado ao microcontrolador;

tx - sinal destinado ao FT2232H;

PHL - sinal que controla o LED HL8;

PPD - sinal de desligamento do ADC;

POE - sinal de habilitação de saída ADC;

POUT - a saída do sinal para o conector XP7.

Variáveis:

contagem - contador do número de bytes transferidos;

start_bit - indicação do início da transferência de bytes;

stop_bit - sinal de conclusão da transferência de dados;

ADC_data_buf - buffer de armazenamento de informações do ADC;

rx_bit - um sinal do início do recebimento de informações.

Ao passar o sinal do clock de nível baixo para alto, a recepção da descarga inicial é verificada (Tabela 1). Então, se a transmissão estiver em andamento, o conteúdo do contador de bytes transmitidos é incrementado em um (Tabela 2). Quando o conteúdo do contador atinge o valor 100, ocorre conforme tabela. 3, é reinicializado e verificada a presença de um comando de conclusão de transferência (P(6)=0).

Tabela 1

Tabela 2

Tabela 3

Quando o sinal do clock transita do nível alto para o baixo antes do início da transmissão, as informações do ADC são armazenadas em buffer (Tabela 4) para evitar que sejam alteradas durante a transmissão.

Tabela 4

As demais ações consistem em verificar se a transferência de informações do microcontrolador é permitida ou proibida. No estado habilitado, o LED HL8 acende e o sinal de conclusão da transmissão é apagado caso o byte de solicitação tenha sido recebido (Tabela 5). A transferência dos bits de início e parada é realizada conforme tabela. 6, e informações do buffer ADC - tabela. 7 (cada bit é transmitido em dois ciclos de contagem).

Tabela 5

Tabela 6

Tabela 7

O programa do microcontrolador é escrito em C no ambiente de desenvolvimento ImageCraft. Após ligar o dispositivo, ele inicializa os periféricos do microcontrolador, em seguida entra no loop principal, com o microcontrolador UART no modo de recepção.

Após o recebimento do byte, o manipulador de interrupção é iniciado (Tabela 8). Este byte é gravado na matriz rx_arr no índice rx_count (se o primeiro byte do pacote foi recebido, então rx_count = 0), após o qual rx_count é aumentado em um. Isto é seguido por um reinício do temporizador 0, cuja expiração serve como sinal do fim do pacote.

Tabela 8

Se o próximo byte não for recebido dentro de um determinado tempo, ocorre uma interrupção a pedido do temporizador 0. No manipulador desta interrupção (Tabela 9), o temporizador é parado e o sinalizador de fim de recepção f_rx é definido.

Tabela 9

Quando um pacote de informações é recebido (f_rx= 1), o loop principal começa a analisá-lo, executando os comandos que ele contém e gerando respostas. Primeiro, o cabeçalho e o final do pacote são verificados e, em seguida, o código de comando. Após a verificação bem-sucedida, inicia-se a execução do comando contido no pacote. Se for detectado um erro, um recibo negativo será gerado.

Os seguintes comandos são implementados no programa:

- "Test" - é usado para verificar a conexão;

- “Set IO states” - define os níveis lógicos especificados nos pinos do microcontrolador conectados ao conector XP2. O pino 2 do conector (circuito IO1) corresponde à ordem inferior do byte de dados de comando e o pino 9 (circuito IO8) corresponde à ordem superior;

- “Definir estados IO associados ao FPGA” - define os níveis lógicos especificados nas saídas do microcontrolador PD4-PD7, PB1, PC2, PC3 associado ao FPGA. As saídas são listadas na ordem de seus bits de byte de dados de comando correspondentes, do primeiro ao sétimo. O valor do bit menos significativo (zero) do byte pode ser arbitrário, pois o estado do pino PD3 não pode ser alterado por este comando. É utilizado para receber uma solicitação de interrupção do FPGA;

- “Iniciar o gerador de pulsos retangulares (com período divisível por 2 s)” - inicia o gerador de pulsos retangulares especificado (o ciclo de trabalho de todos os pulsos gerados pelo gravador é dois). O byte de dados de comando deve conter o valor do período de repetição do pulso, que em passos de 2 s pode estar na faixa de 2-254 s. Os pulsos são gerados no pino do microcontrolador PB3 pelo software que muda seu estado no manipulador de interrupção do temporizador 1. Eles são enviados para o pino 5 do conector XP2;

- “Iniciar o gerador de pulsos retangulares (com período múltiplo de 2 s) na inicialização do ADC” - difere do comando anterior por iniciar o gerador de forma síncrona com o início da transferência de informações do FPGA para o computador;

- “Iniciar gerador de ondas quadradas” - inicia o gerador de ondas quadradas com frequência de 30 Hz a 8 MHz. Os quatro bytes de dados devem conter o valor da frequência em hertz. Desligue o gerador, definindo a frequência para zero. Como o período de repetição dos pulsos gerados é sempre um múltiplo da duração do ciclo da máquina do microcontrolador, a frequência real de sua repetição pode diferir daquela especificada. Seu valor exato (com resolução de 1 Hz) está contido na resposta ao comando. Os pulsos são enviados para o pino 5 do conector XP2, conectado à saída PB3 do microcontrolador.

Para iniciar a transferência de informações do FPGA, você precisa habilitá-lo configurando a 16ª entrada do FPGA para um nível lógico alto e, em seguida, transferir um byte através da porta COM para o FPGA. A permissão foi introduzida para a conveniência de interromper a transmissão definindo um zero lógico na entrada 16 do FPGA. Como o microcontrolador permite a transferência, para sincronizar o início da transferência do FPGA com o início do recebimento da informação pelo computador, este último deve enviar um byte de solicitação arbitrário ao microcontrolador. O microcontrolador troca informações com o computador a uma velocidade de 1 MBd com mensagens de oito bits sem paridade e um bit de parada. Para trocar informações via USB através do chip gravador FT2232H, é necessário instalar drivers no sistema operacional do computador, que podem ser encontrados na página da Internet [1].

Carregando programas no FPGA e no microcontrolador.

A programação do FPGA é realizada de acordo com o método descrito em [2]. Antes de iniciar é necessário configurar as chaves DIP SA1 -

SA3 para as posições mostradas na Fig. 7, a. O microcontrolador foi programado utilizando o programa AVRDude e o shell gráfico SinaProg, baixados de links na página da Internet [3]. Para operar o SinaProg, você deve ter a Biblioteca LabView RunTime em seu computador [4].

Arroz. 7. Programação FPGA

No arquivo avrdude.conf, é necessário reatribuir os pinos do programador 2ftbb, adicionando o texto do arquivo com a seção mostrada na tabela. 10.

Tabela 10

O apêndice do artigo contém os programas AVRDude e SinaProg, nos quais todos os parâmetros necessários já estão instalados.

Ao iniciar a programação do microcontrolador, deve-se colocar as chaves SA1-SA3 do registrador nas posições mostradas na Fig. 7b, em seguida conecte o conector XS1 do gravador à porta USB do computador e inicie o programa SinaProg. No campo “Programador” de sua janela, defina os parâmetros 2ftbb, FTDI, 9600. A seguir, por sua vez, clique nos botões “<” e “Pesquisar” na tela, após o que deverá aparecer um texto semelhante ao mostrado na tabela aparecerá na janela da mensagem. onze . Utilizando o menu acessado clicando no botão da tela “Avançado” no campo “Fusíveis”, defina a configuração do microcontrolador: alto - 11xC0, baixo - 9xFF. No campo "Arquivo Hex", especifique o nome do arquivo HEX com os códigos do programa do microcontrolador e clique no botão Programa na tela no campo Flash. Após a conclusão bem-sucedida da programação, o texto deverá aparecer no campo de mensagem terminando com as linhas indicadas na tabela. 0.

Tabela 11

Tabela 12

Se o gravador for utilizado para programação de dispositivos conectados ao conector XP6 ou XP7, as chaves SA1-SA3 devem ser colocadas nas posições mostradas na Fig. 7, c. As posições dos interruptores durante a operação normal do gravador são mostradas na Fig. 7, g.

Programa de computador USB-960

foi desenvolvido no ambiente LabVIEW 2011. Caso este ambiente não esteja disponível no computador, será necessário instalar os pacotes [5] e [6]. O programa contém onze subinstrumentos virtuais (VI):

- ACPPLISUC_IOUC configura os estados das portas de saída do microcontrolador conectadas a um conector externo;

- ACPPLISUC_FREQ inicia o gerador e em seguida mede a frequência gerada;

- ACPPLISUC_TEST verifica a conexão com o microcontrolador;

- ACPPLISUC_AFR_H mede a resposta de frequência do circuito externo em cinco valores de frequência (não inferiores a 30,5 Hz);

- ACPPLISUC_AFR_L mede a resposta de frequência do circuito externo em uma frequência de frações a dezenas de hertz;

- ACPPLISUC_GEN2S inicia um gerador de pulsos retangular com período de repetição múltiplo de 2 s;

- ACPPLISUC_UNPACKDATA converte as informações recebidas do gravador em uma matriz de valores de código ADC;

- ACPPLISUC_ADCDATA lê as informações recebidas do registrador durante o tempo especificado;

- ACPPLISUC_IOPLIS configura os estados das portas de saída do microcontrolador associadas ao FPGA;

- ACPPLISUC_GEN inicia um gerador de pulsos quadrados com taxa de repetição de 30,5 Hz e superior;

- ACPPLISUC_GEN2Ss aciona um gerador de pulsos retangulares com período divisível por dois segundos, de forma síncrona com o início da leitura das informações do gravador;

- ACPPLISUC_COM recebe e transmite informações através de uma porta COM virtual associada ao microcontrolador.

O programa principal é executado em um loop while infinito, dentro do qual existe uma estrutura de caso, sua página atual é determinada selecionando uma guia na janela principal do programa.

Guia de Gravação de Sinal mostrado na Fig. 8. Ao pressionar o botão “START”, inicia-se a recepção das amostras do sinal em estudo pelo tempo especificado no campo “Tempo de medição, s”. Para isso, é permitida a transferência de informações do FPGA - no VI ACPPLI-SUC_IOPLIS é gravado o valor 128. A leitura real é realizada através do VI ACPPLISUC_ADCDATA, cujo parâmetro é configurado para o tempo de medição. Este VI solicita informações enviando um byte nulo e as lê dentro de um tempo especificado. Quando expirar, a transferência é proibida escrevendo valor zero no ACPPLISUCJOPLIS VI.

Arroz. 8. Aba "Sinais de gravação"

Se o botão da tela "Gravar em arquivo" foi pressionado anteriormente, o sinal em estudo é salvo em um arquivo binário, cujo nome é especificado no campo "Arquivo para salvar sinal". Por padrão, o salvamento é realizado na pasta raiz da unidade C, razão pela qual o sistema operacional do computador pode exigir a execução do programa com direitos de administrador.

O lançamento do gerador de pulsos retangulares é realizado nos campos “Iniciar o gerador” e “Iniciar o gerador com período múltiplo de 2 segundos”.

Após a conclusão da recepção, o oscilograma do sinal recebido é exibido no campo “Sinal” e seu espectro é exibido no campo “Espectro de amplitude”. Nos campos “RMS, V” e “Valor médio, V” serão exibidos a raiz quadrada média e os valores médios do sinal, respectivamente.

Aba Osciloscópio mostrado na Fig. 9. Ao pressionar o botão da tela “START”, um loop while é iniciado, no qual as informações são recebidas do gravador repetidamente (antes de pressionar o botão “STOP”) de acordo com um algoritmo semelhante ao descrito acima. Para evitar cortes de sinal durante a sincronização e mudança manual, a duração real da gravação é duas vezes maior que a especificada. Ao final, o sinal é buscado pelos momentos de ultrapassagem de um determinado limite (definido através do botão “Threshold, B”), a partir do qual é formado um array. A seguir, neste array, o programa encontra um elemento localizado o mais próximo possível a 1/3 da duração do sinal. Será usado como ponto inicial da forma de onda exibida na tela.

Arroz. 9. Guia do osciloscópio

Usando o botão "Offset,%" você pode mudar a forma de onda. Os botões “Salvar sinal atual” e “Ler” salvam o sinal exibido atualmente e leem o sinal salvo anteriormente.

Aba "Remoção da resposta de frequência" mostrado na Fig. 10. A resposta de frequência de um circuito linear [7] pode ser determinada influenciando simultânea ou alternadamente sua entrada com sinais harmônicos de diferentes frequências, seguido da medição da amplitude desses sinais na saída do circuito. No dispositivo em questão, em vez de sinais harmônicos, pulsos retangulares gerados por um microcontrolador são utilizados para medir a resposta em frequência. Um sinal na forma de pulsos retangulares com ciclo de trabalho de 2 é a soma de um número infinito de sinais harmônicos (harmônicos), cujas frequências são um número ímpar de vezes maior que a frequência de repetição do pulso. As amplitudes de seus harmônicos são aproximadamente iguais a 0,9 (primeiro), 0,3 (terceiro), 0,18 (quinto), 0,129 (sétimo), 0,1 (nono) amplitudes de pulso. Conhecendo a relação harmônica (espectro) do sinal na entrada do circuito em estudo e determinando-a na saída, é possível calcular os valores de resposta em frequência deste circuito nas frequências harmônicas.

Arroz. 10. Aba "Remoção da resposta de frequência"

O gravador registra a resposta de frequência usando pulsos retangulares com ciclo de trabalho de 2 e taxa de repetição de 0,1; 0,5; 30,5, 60,1, 120,2, 240, 480,8, 961,5, 1923, 3846, 7692,3, 15384,6, 31250 e 61538,5 Hz.

Ao pressionar um dos botões da tela “START 0,1 Hz” ou “START 0,5 Hz”, o VI ACPPLISUC_AFR_L é iniciado com um período de 10 se 2 s, respectivamente. Este VI funciona da seguinte forma:

- utilizando o VI ACPPLISUC_GEN2SS, envia um comando para iniciar um gerador de pulsos retangulares com um determinado período;

- recebe informações do ADC durante períodos de repetição de 1,5 pulso;

- passa o sinal recebido através de um filtro digital passa-baixa com frequência de corte de 2000 Hz para eliminar componentes de alta frequência antes de dizimar o sinal. Se isso não for feito, ocorrerá alias [8];

- afina o sinal, descartando 47 de cada 48 amostras, para simplificar cálculos posteriores;

- extrai um fragmento do sinal com duração de exatamente um período de repetição de pulso;

- calcula o espectro de amplitude deste fragmento;

- extrai do espectro resultante os componentes correspondentes aos harmônicos ímpares do sinal de teste, divide-os em valores de amplitude conhecidos dos mesmos harmônicos do sinal original. O resultado é a resposta de frequência do circuito em estudo em frequências harmônicas.

Ao pressionar o botão da tela "START 30 Hz", é iniciado um loop for, no qual é executado o VI ACPPLISUC_AFR_H, cuja entrada é a frequência de pulso e o tempo de medição. Na saída deste VP, os valores de resposta em frequência são obtidos em cinco harmônicos de um sinal de uma determinada frequência. Como resultado do ciclo, três matrizes são formadas: frequências nas quais a resposta em frequência foi medida, sinais a partir dos quais a resposta em frequência foi calculada e valores de resposta em frequência. A seguir, a matriz de valores de resposta de frequência é classificada para posterior exibição de seu gráfico na tela.

O ACPPLISUC_AFR_H VI funciona da seguinte forma:

- usando o VI ACPPLISUC_GEN envia um comando para iniciar o gerador;

- recebe informações do ADC dentro de um prazo determinado;

- calcula o espectro de amplitude do sinal gravado;

- do espectro resultante são extraídos cinco componentes correspondentes aos harmônicos do sinal de teste, seus valores são divididos pelas amplitudes relativas dos harmônicos do sinal fornecido à entrada do circuito em estudo. O resultado são cinco frequências amostras de resposta.

Ressalta-se que a duração dos sinais analisados ​​deve ser exatamente um múltiplo do período de repetição do pulso, caso contrário, no cálculo do espectro ocorrerá seu “espalhamento” [9] ou “vazamento” [7], e os resultados da análise ficará distorcido.

Ao clicar nos botões da tela “Salvar resultados” e “Ler”, a resposta de frequência atualmente exibida é gravada no arquivo do disco e a resposta de frequência gravada anteriormente é lida.

Para verificar o funcionamento do gravador no modo de leitura de resposta em frequência, foi conectada a ele uma unidade montada em uma placa de ensaio conforme diagrama mostrado na Fig. 11. Estes são filtros passa-baixa R1C2 e filtros passa-alta R2C1. Seguidores de buffer no amplificador operacional do microcircuito DA1 eliminam a influência na resposta de frequência dos filtros da impedância de saída relativamente alta da saída do gerador e da impedância de entrada baixa (1,5 kOhm) do gravador. A tensão de +15 V e -15 V para alimentar o microcircuito DA1 pode ser removida do conector XP4 do gravador conectando entre si cada três pinos da placa deste último, destinados aos jumpers S1 e S2 (não confundir com jumpers S1 e S2 na Fig. 11, que são usados ​​para alternar filtros).

Arroz. 11. Esquema de Protoboard

Para comparar a resposta em frequência medida com as obtidas por cálculo, foi criado o programa “Comparison_of_frequency response_with_calculation”, que calcula a resposta em frequência de um determinado circuito RC e plota-a nas mesmas coordenadas do medido. Os resultados são apresentados na Fig. 12 (filtro passa-baixo) e Fig. 13 (filtro passa-alta). Os valores calculados são mostrados em vermelho, os valores medidos são mostrados em branco. A seguir, capacitores com capacidade de 1 μF foram conectados em paralelo a C2 e C8 e foram obtidas as características mostradas na Fig. 14 e fig. 15.

Arroz. 12. Filtro passa-baixo

Arroz. 13. Filtro passa-alta

Arroz. 14. Características com capacitor conectado

Arroz. 15. Características com capacitor conectado

Guia de calibração mostrado na Fig. 16. Ao realizar esta operação, é necessário definir a relação entre a tensão na entrada do gravador e o valor do código na saída ADC. Como esta dependência é linear, basta inserir as coordenadas dos seus dois pontos. Para fazer isso, uma tensão constante próxima do máximo é aplicada à entrada do gravador. Seu valor é registrado no campo “Umax, B”. No campo “Valor médio ADC”. o valor médio do código de saída ADC calculado pelo programa será gerado. Você pode inseri-lo no campo “ADC-max” manualmente ou usar o botão na tela “Escreva o valor médio ADC atual como ADC-max”.

Arroz. 16. Aba "Calibração"

Tendo aplicado uma tensão constante próxima do mínimo à entrada do dispositivo, insira da mesma forma os valores nos campos “Umin, V” e “ADC-min”.

Como já mencionado, as frequências reais dos sinais gerados na tomada da resposta em frequência podem diferir ligeiramente dos valores especificados, razão pela qual é impossível saber antecipadamente as durações exatas das amostras a serem analisadas, que devem ser múltiplas de um número inteiro de períodos de sinal. Os valores reais de frequência devem primeiro ser medidos e as durações das amostras calculadas. Estas ações são realizadas na estrutura do caso, chamada pelo botão “Definir períodos para tomada de resposta em frequência”; os resultados são salvos em um arquivo de texto.

A calibração é realizada da seguinte forma:

- conecte a entrada do dispositivo ao fio comum conectando os contatos do conector XP1;

- o ajuste do resistor R1 é definido na janela “ADC-average”. valores de 511 a 513 (clicando no botão “Ler” da tela para atualizar);

- conectar uma fonte de tensão DC +1...13 V ao conector XP15, inserir o valor exato desta tensão no campo “Umax, V”;

- clique no botão da tela “Ler” para digitalizar o sinal e determinar o valor médio do código ADC, a seguir clique no botão da tela “Escrever o valor médio do ADC atual como ADC-max”;

- mude a polaridade da tensão fornecida ao conector XP1 para a direção oposta, insira seu valor no campo “Umin, V”, clique nos botões da tela “Ler” e depois “Escreva o valor médio ADC atual como ADC -min”;

- tendo desconectado a fonte de tensão do conector XP1, conecte o pino 1 deste conector ao pino 5 do conector XP2 e pressione o botão da tela “Determinar tensão do nível lógico (IL1)”. Este valor é necessário para calcular a resposta de frequência;

- clique no botão da tela “Definir períodos para tomada de resposta em frequência” e aguarde até que as medições sejam concluídas (o processo leva mais de dois minutos). Os resultados da medição são salvos em um arquivo de texto no disco rígido do computador. O nome deste arquivo e o caminho para ele estão contidos no campo “Arquivo com coeficientes de calibração”;

- pressionando o botão da tela “TEST”, um comando de teste é enviado ao microcontrolador; se a resposta correta for recebida, o indicador “TEST OK” acenderá. No campo “IO” você pode definir manualmente os estados das saídas do microcontrolador para o conector XP2, e no campo “IO-PLIS” - aqueles associados ao FPGA.

Concluindo, pode-se notar que se você construir um gravador baseado em um FPGA Xilinx Spartan-3 com núcleo de processador MicroBlaze, não haverá necessidade de usar um microcontrolador.

O arquivo da placa de circuito impresso no formato Sprint Layout 5.0 e programas para FPGAs, microcontroladores e computadores podem ser baixados em ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/11/usb-reg.zip.

Literatura

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6. NI-VISA Run-Time Engine 5.1.1 - Pocket PC 2003, sistema operacional em tempo real, Windows 7 de 64 bits / 7 de 32 bits / Vista de 64 bits / Vista de 32 bits / XP / XP Embedded / Server 2008 R2 64 -bit / Servidor 2003 R2 32 bits / Móvel 5 / . - URL: joule.ni.com/nidu/cds/view/p/id/2662/lang/ru.
7. Marple Jr. C. Análise espectral digital e suas aplicações. - M.: Mundo, 1990.
8. Ayficher E., Jervis B. Processamento digital de sinais: uma abordagem prática. 2ª edição: trad. do inglês - M.: Editora Williams, 2004.
9. Sergienko A. Processamento digital de sinais: livro didático para universidades. 2ª edição. - São Petersburgo: Peter, 2006.

Autor: V. Tchaikovsky

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Máquina para desbastar flores em jardins 02.05.2024

Na agricultura moderna, o progresso tecnológico está se desenvolvendo com o objetivo de aumentar a eficiência dos processos de cuidado das plantas. A inovadora máquina de desbaste de flores Florix foi apresentada na Itália, projetada para otimizar a etapa de colheita. Esta ferramenta está equipada com braços móveis, permitindo uma fácil adaptação às necessidades do jardim. O operador pode ajustar a velocidade dos fios finos controlando-os a partir da cabine do trator por meio de um joystick. Esta abordagem aumenta significativamente a eficiência do processo de desbaste das flores, proporcionando a possibilidade de adaptação individual às condições específicas do jardim, bem como à variedade e tipo de fruto nele cultivado. Depois de testar a máquina Florix durante dois anos em vários tipos de frutas, os resultados foram muito encorajadores. Agricultores como Filiberto Montanari, que utiliza uma máquina Florix há vários anos, relataram uma redução significativa no tempo e no trabalho necessários para desbastar flores. ... >>

Microscópio infravermelho avançado 02.05.2024

Os microscópios desempenham um papel importante na pesquisa científica, permitindo aos cientistas mergulhar em estruturas e processos invisíveis aos olhos. Porém, vários métodos de microscopia têm suas limitações, e entre elas estava a limitação de resolução ao utilizar a faixa infravermelha. Mas as últimas conquistas dos pesquisadores japoneses da Universidade de Tóquio abrem novas perspectivas para o estudo do micromundo. Cientistas da Universidade de Tóquio revelaram um novo microscópio que irá revolucionar as capacidades da microscopia infravermelha. Este instrumento avançado permite ver as estruturas internas das bactérias vivas com incrível clareza em escala nanométrica. Normalmente, os microscópios de infravermelho médio são limitados pela baixa resolução, mas o desenvolvimento mais recente dos pesquisadores japoneses supera essas limitações. Segundo os cientistas, o microscópio desenvolvido permite criar imagens com resolução de até 120 nanômetros, 30 vezes maior que a resolução dos microscópios tradicionais. ... >>

Armadilha de ar para insetos 01.05.2024

A agricultura é um dos sectores-chave da economia e o controlo de pragas é parte integrante deste processo. Uma equipe de cientistas do Conselho Indiano de Pesquisa Agrícola-Instituto Central de Pesquisa da Batata (ICAR-CPRI), em Shimla, apresentou uma solução inovadora para esse problema: uma armadilha de ar para insetos movida pelo vento. Este dispositivo aborda as deficiências dos métodos tradicionais de controle de pragas, fornecendo dados sobre a população de insetos em tempo real. A armadilha é alimentada inteiramente por energia eólica, o que a torna uma solução ecologicamente correta que não requer energia. Seu design exclusivo permite o monitoramento de insetos nocivos e benéficos, proporcionando uma visão completa da população em qualquer área agrícola. “Ao avaliar as pragas-alvo no momento certo, podemos tomar as medidas necessárias para controlar tanto as pragas como as doenças”, diz Kapil ... >>

Notícias aleatórias do Arquivo A força de trabalho mais barata não é chinesa, mas robôs 26.07.2012 A China corre o risco de perder seu status de fábrica de montagem do mundo, à medida que mais empresas planejam abandonar a força de trabalho chinesa antes barata e substituí-la por robôs. Um exemplo recente é a empresa de eletrônicos Foxconn. A empresa planeja entregar até um milhão de robôs industriais para linhas de montagem dentro de três anos. Tais iniciativas irão mudar significativamente o mercado de trabalho e afetar a economia global. A produção está se tornando cada vez mais automatizada e, nas próximas décadas, empresas e estados que não puderem usar robôs amplamente sofrerão grandes perdas. A China, como muitos países da Ásia, há muito tempo é um lugar onde você pode encontrar um grande número de mão de obra barata. A enorme migração interna, principalmente de jovens do campo, levou ao surgimento de fábricas gigantes nas cidades, onde os jovens se sentam em linhas de montagem e realizam tarefas simples que não exigem nenhuma qualificação. Só a Foxconn emprega cerca de um milhão de trabalhadores mal pagos, assim como Apple, Nintendo, Intel, Dell, Nokia, Microsoft, Samsung e Sony. Atualmente, 300 trabalhadores chineses vivem em dormitórios perto do complexo fabril Longhua da Foxconn. Eles montam os produtos da Apple realizando operações elementares, como colar logotipos. Por exemplo, são necessários cinco dias e 325 operações para construir um iPad. No entanto, a eficiência econômica desse trabalho cai a cada ano. Apesar do fato de que, para os padrões ocidentais, um salário de US$ 300-400 é muito pequeno, a vida na China se torna mais cara a cada ano, e novos aumentos salariais para trabalhadores chineses não são lucrativos para empresas estrangeiras, e as empresas locais “não estão à altura do tarefa” em tudo. É muito mais lucrativo substituí-los por robôs. Mesmo levando em conta o turno de trabalho incrivelmente pesado (12 horas com dois intervalos para almoço), as pessoas perdem para os robôs. A Foxconn estima que robôs industriais equipados com braço móvel, lasers e sensores de pressão podem trabalhar 160 horas por semana. Simplificando, um robô pode substituir dois trabalhadores ou até quatro, porque o robô não precisa de uma pausa para dormir e descansar.

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