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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Nuove modalità nel contatore combinato. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Tecnologia di misurazione Durante il funzionamento del dispositivo combinato [1], il suo programma di microcontrollore è stato notevolmente migliorato. La nuova versione 2.03 di questo programma fornisce all'utente, oltre a quelle già esistenti, modalità per misurare la frequenza del segnale di ingresso e una singola scansione nell'analizzatore logico. Le nuove funzioni sono state implementate esclusivamente nel software; non è stato necessario apportare modifiche all'hardware del dispositivo. La modalità di scansione singola è stata prevista fin dall'inizio nell'oscilloscopio dello strumento, ma l'autore non l'ha implementata nell'analizzatore logico, sebbene lì non sia meno utile. Questa omissione è stata corretta nella nuova versione del programma del microcontrollore. Ora possiamo dire che l'analizzatore logico, come l'oscilloscopio del dispositivo, ha due modalità di scansione: normale e singola. Sono quasi identici con due eccezioni. Innanzitutto, l'analizzatore logico non misura la tensione del segnale di ingresso. Questa operazione in questo caso non ha senso, poiché vengono esaminati i segnali dei livelli logici standard. In secondo luogo, le informazioni aggiuntive visualizzate sullo schermo sulla posizione del frame informativo sull'asse del tempo nella modalità analizzatore logico non si sovrappongono all'area degli oscillogrammi e non interferiscono con la loro osservazione. Pertanto, la sua disattivazione non è stata implementata in quanto non necessaria. Un esempio di immagine sullo schermo dell'indicatore nella modalità a scansione singola dell'analizzatore logico è mostrato in Fig. 1.
Dalla normale modalità di scansione dell'analizzatore, si accede a questa modalità premendo il tasto “5”. Al suo interno operano i seguenti tasti di controllo: "4" - sposta la cornice a sinistra (all'inizio del buffer); "5" - smetti di muoverti lungo i conteggi del segnale; "6" - sposta la cornice a destra (alla fine del buffer); "0" - selezione del passo di movimento (conteggio o frame); "D" - uscita dalla modalità di scansione singola. Non viene fornita una descrizione completa della modalità di scansione singola, poiché è descritta in modo abbastanza completo in [2] in relazione a un oscilloscopio. Per quanto riguarda la modalità di misurazione della frequenza, il microcontrollore della famiglia ATxmega consente di implementare molte delle sue opzioni. Oltre al classico calcolo del numero di periodi del segnale misurato per unità di tempo, i contatori temporizzatori di questo microcontrollore sono in grado di misurare direttamente il periodo di ripetizione dell'impulso del segnale di ingresso, il che rende facile calcolare la loro frequenza di ripetizione. Il vantaggio di questo metodo è il breve tempo di misurazione, ma la precisione accettabile viene mantenuta solo fino a una frequenza non superiore a diverse decine di kilohertz. A questo proposito, la frequenza del segnale nel dispositivo viene misurata utilizzando il metodo classico sopra menzionato. Il suo principio è semplice. Un contatore temporale forma un intervallo di tempo di misurazione, il secondo conta gli impulsi del segnale di ingresso durante questo intervallo. Se la durata dell'intervallo di misurazione è 1 s, il numero accumulato durante questo tempo nel secondo contatore è la frequenza del segnale in hertz. Tuttavia, ci sono difficoltà nell’implementazione di questo metodo. Innanzitutto, tutti i timer-contatori dei microcontrollori della famiglia ATxmega [3] sono a 16 bit. Ciò significa che la frequenza massima misurata correttamente da un tale contatore è limitata dall'overflow del suo registro di conteggio ed è pari a 216 - 1 = 65535 Hz. Ciò chiaramente non è sufficiente, dato che gli elementi del microcontrollore funzionano fino ad una frequenza di 32 MHz. Il modo più semplice per aumentare la frequenza massima misurata è ridurre l'intervallo di misurazione. Ad esempio, riducendolo di quattro volte si otterrà un aumento di quattro volte del valore massimo della frequenza misurata. Allo stesso tempo, la discrezione della sua misurazione aumenterà della stessa quantità, perché ogni impulso “peserà” quattro volte di più. Pertanto, questo percorso è impraticabile. È possibile ottenere un aumento della frequenza massima misurata senza aumentare la risoluzione di misura solo aumentando la profondità di bit del contatore di impulsi del segnale di ingresso. L'architettura del microcontrollore ATxmega offre questa opportunità consentendo di collegare in serie più timer-contatori. Per ottenere un contatore a 32 bit è sufficiente combinare due timer-contatori a 16 bit. L'overflow di un contatore a 32 bit al secondo può verificarsi solo a una frequenza di 2 - 1 = 4294967295 Hz, quindi il limite superiore della frequenza misurata in questo caso è limitato solo dalle proprietà di frequenza degli elementi del microcontrollore ed è pari a 32 MHz. In secondo luogo, è necessario “portare” il segnale di ingresso dalla linea di porta al timer-contatore e forzare quest'ultimo a contare gli impulsi in un ampio intervallo della loro velocità di ripetizione. In terzo luogo, è necessario garantire il funzionamento strettamente sincrono di tutti gli elementi del microcontrollore coinvolti nel processo di conteggio, indipendentemente dal funzionamento degli altri componenti, al fine di evitare vari tipi di errori di conteggio imprevedibili. Uno strumento meraviglioso disponibile nella famiglia di microcontrollori ATxmega aiuterà a superare queste difficoltà: il sistema di eventi [4]. Con il suo aiuto, puoi generare tutti i segnali necessari per il funzionamento e trasportarli dalla sorgente al ricevitore con il minimo ritardo possibile e, soprattutto, stabile. Lo schema funzionale del frequenzimetro implementato nel dispositivo in esame è mostrato in Fig. 2. L'hardware della porta I/O consente di analizzare lo stato di ciascuna delle sue linee e generare eventi se cambiano. Ad esempio, generare eventi per ciascun fronte di salita o di discesa del segnale di ingresso. I contatori temporizzatori sono in grado di contare non solo gli impulsi dell'orologio interno del microcontrollore, ma anche i segnali di eventi. Da ciò diventa chiaro come è organizzato il conteggio degli impulsi del segnale di ingresso.
Il segnale viene fornito sulla linea PF3 che è configurata come ingresso e genera eventi in base a differenze crescenti di segnale (un evento per ogni periodo). Contatore timer TCC1 funziona in modalità contatore per gli eventi trasmessi tramite il canale 3 del router eventi. Inoltre genera e invia eventi di overflow (OVF) del suo registro di conteggio a 4 bit al canale 16 del router. Vengono conteggiati dal timer-contatore TCD1, configurato per funzionare nella modalità di un contatore di eventi a 16 bit inviati sul canale 4. Una volta al secondo, al termine del segnale dell'intervallo di conteggio generato dal timer-contatore TCF0, configurato per contare gli impulsi del sincronizzatore del microcontrollore, il programma “incolla” i risultati dei timer dei contatori TCC1 e TCD1 in un'unica parola a 32 bit e assegna i suoi valore ad una variabile. Successivamente riavvia tutti i contatori, avviando un nuovo ciclo di misurazione della frequenza. Caratteristiche principali della modalità di misurazione della frequenza
Le principali fonti di errore di misurazione della frequenza dovrebbero essere considerate: 1. Imprecisione nell'impostazione della frequenza di clock del microcontrollore, per cui la durata effettiva dell'intervallo di misurazione differisce da un secondo. Questo errore ha due componenti: sistematico e casuale. La componente sistematica è il risultato della disuguaglianza tra la frequenza media effettiva dell'orologio e il valore nominale. È permanente e può essere compensato. Come farlo sarà discusso di seguito. La componente casuale dell'errore è dovuta alle fluttuazioni della frequenza del generatore di clock. Ci sono molti fattori che lo danno origine. Si tratta di instabilità e pulsazioni della tensione di alimentazione, rumore intrinseco degli elementi del generatore, influenza della temperatura, ecc. Nei dispositivi di alta classe, per ridurre al minimo gli effetti dannosi di tali fattori, vengono utilizzate tutta una serie di misure, comprese quelle termiche stabilizzazione e protezione dalle vibrazioni del generatore di orologi. Tuttavia questo tipo di errore può solo essere ridotto, ma non può essere completamente eliminato. Nella copia originale del dispositivo non supera ± 0,001%. Ciò significa che una frequenza di 5 MHz viene misurata con un errore di ±50 Hz. 2. Errore di campionamento del risultato della misurazione. È familiare a chiunque abbia mai avuto a che fare con uno strumento di misura digitale. L'origine di questo errore è spiegata dai grafici in Fig. 3. A seconda della posizione relativa dei limiti dell'intervallo di misurazione sull'asse del tempo e delle variazioni nel segnale misurato registrato dal contatore, il risultato del conteggio può differire di uno. Ad esempio, nel caso mostrato in figura, si possono contare 6 o 7 impulsi con una frequenza di ripetizione effettiva di circa 6,6 Hz (con un intervallo di conteggio di 1 s). Questo effetto persiste con qualsiasi rapporto tra la frequenza misurata e l'intervallo di conteggio. Quando una misurazione viene ripetuta molte volte, la cifra meno significativa del suo risultato “salta” di uno da un ciclo all'altro. L'entità relativa di questo errore aumenta in proporzione inversa alla frequenza misurata. Ad esempio, verrà misurata una frequenza intorno a 100 Hz con un errore relativo medio di ±0,5%. A frequenze di diversi megahertz e superiori, l'errore di campionamento può essere trascurato. Qui prevale la componente casuale della durata dell'intervallo di misurazione.
Il blocco di programma che esegue le misurazioni di frequenza è stato sviluppato, come l'intero programma, nel sistema di sviluppo del programma BASCOM AVR. Entrando nella modalità frequenzimetro, il programma configura opportunamente gli elementi della struttura interna del microcontrollore coinvolti nella misurazione della frequenza: - la linea PF3, su cui viene ricevuto il segnale di ingresso, è configurata come un ingresso che genera eventi in base all'aumento delle cadute di segnale e il canale 3 del router di eventi è configurato per trasmettere segnali su questi eventi: Portf_pin3ctrl=1 Evsys_ch3mux=&B01111011 - configura il timer-contatore TCF0 per generare un intervallo di misura della durata di 1 s: config Tcf0=Normale,Prescala=7 Tcf0_per=31249 - configura il timer-contatore TCC1 per contare gli eventi che arrivano attraverso il canale 3 del router dalla linea PF3: config Tcc1=Normale Tcc1_ctrla=&B00001011 Tcc1_ctrld=&B00001011 e canale 4 del router - per la trasmissione di segnali sull'overflow del timer TCC1: Evsys_ch4mux=&B11001000 - configura il timer-contatore per contare gli eventi provenienti dal canale 4 del router: config Tcd1=Normale Tcd1_ctrla=&w00001100 Tcd1_ctrld=&w00011100 Di conseguenza, i contatori temporizzatori TCC1 e TCD1 formano un unico contatore a 32 bit. Ora il sistema è pronto per contare i periodi del segnale misurato. Inoltre, è già in corso, poiché ciascuno dei dispositivi considerati inizia a funzionare immediatamente dopo l'inizializzazione. Ma per ottenere il risultato corretto è necessario iniziare a contare gli eventi da zero all'inizio dell'intervallo di misurazione. Pertanto il ciclo di misura dovrebbe iniziare azzerando contemporaneamente tutti e tre i contatori temporizzatori coinvolti. È particolarmente importante collegare all'inizio dell'intervallo di misura (momento di riavvio del timer TCF0) il momento di riavvio del timer-contatore TCC1, che funziona alla massima velocità. La questione di collegare strettamente il momento del riavvio del timer TCD1 all'inizio dell'intervallo di misurazione non è così urgente. Il primo evento che dovrà contare avverrà solo quando il timer-contatore TCC1 andrà in overflow. Sebbene il microcontrollore abbia la capacità di riavviare contemporaneamente più contatori, questa viene implementata solo tramite il sistema di eventi. Non è possibile utilizzarlo nel caso in esame, poiché il timer-contatore TCC1 è configurato per ricevere segnali di evento dal canale 3 e non può ricevere segnali di evento da altri canali senza riconfigurazione. Pertanto, solo il processore può inviare un comando di riavvio ai contatori del timer, e solo uno alla volta. Il ciclo di misurazione della frequenza è costituito da due fasi: la misurazione stessa e la formazione del suo risultato. La fase di misura è descritta dalle seguenti cinque righe di programma: Tcf0_ctrlfset=&B00001000 Tcc1_ctrlfset=&B00001000 Tcd1_ctrlfset=&B00001000 Bitwait Tcf0_intflags.0, impostato Evsys_ch3mux=&B00000000 Le prime tre righe di questo frammento riavviano i contatori del timer nell'ordine TCF0, TCC1, TCD1. Pertanto il timer TCC1 inizia a contare gli eventi non all'inizio dell'intervallo di misura conteggiato dal timer TCF0, ma con un ritardo Δt1 rispetto a questo momento (Fig. 4). È uguale alla durata dell'operazione di riavvio del processore del timer-contatore TCC1. Successivamente, con lo stesso ritardo, il processore riavvia il timer-contatore TCD1, dopodiché inizia ad attendere la fine dell'intervallo di misurazione. Quando arriva questo momento, il timer-contatore TCF0 imposterà il flag di richiesta di interruzione di overflow nel bit zero del registro TCF0_JNTFLAGS.
Rilevato questo flag, il processore deve impedire al timer-contatore TCC1 di contare ulteriori eventi (periodi del segnale misurato). Questo può essere fatto in diversi modi. Nel nostro caso l'ultima operazione della fase di misura è semplicemente la disabilitazione del canale 3 del router degli eventi. Per questa operazione ha bisogno del tempo Δt2 (Fig. 4), durante la quale continua il conteggio dei periodi. Se Δt2 ≠Δt1, la durata effettiva degli eventi di conteggio (misure di frequenza) differisce di Δt2 - Δt1 a partire dalla data durata dell'intervallo di misurazione si forma un'altra componente dell'errore di misurazione. Per eliminarlo è necessario uguagliare questi ritardi. Tuttavia, in un programma scritto in un linguaggio di alto livello (incluso BASCOM AVR), è difficile determinare i valori esatti della loro durata, poiché il programmatore non conosce l'algoritmo per tradurre i costrutti linguistici utilizzati in comandi macchina. Pertanto, in un programma reale, i frammenti che riavviano il timer-contatore TCC!, nonché registrano la fine dell'intervallo di misura e fermano TCC!, sono scritti in linguaggio assembly, e vengono prese misure per garantire la stessa durata di esecuzione di questi frammenti. Ciò raggiunge l'uguaglianza Δt2 = Δt1 e, di conseguenza, l'uguaglianza della durata effettiva dell'intervallo di misurazione con quella data. Successivamente, considereremo il metodo implementato nel dispositivo per eliminare l'errore sistematico associato alla disuguaglianza della frequenza di clock del microcontrollore rispetto al valore nominale. Come notato sopra, la conseguenza di tale discrepanza è la deviazione della durata dell'intervallo di misurazione dal valore richiesto di 1 s e la deviazione proporzionale del valore di frequenza misurato da quello effettivo. Prima di tutto, questa deviazione deve essere misurata. Per fare ciò, avrai bisogno di un generatore di segnale standard con una frequenza di diversi megahertz o di un set di qualsiasi generatore sufficientemente stabile e di un frequenzimetro standard. Il segnale del generatore viene fornito alle prese 8 e 3 (comune) del connettore X5 del dispositivo. I codici del file Osc-Volt-2_03.hex allegato all'articolo vengono caricati nella memoria di programma del microcontrollore del dispositivo. Dopo l'accensione l'apparecchio passa alla modalità frequenzimetro e viene misurata la frequenza del generatore di riferimento. La misurazione deve essere ripetuta 10-20 volte, dopodiché deve essere calcolato il valore medio della frequenza misurata Fmodificata. Il fattore di correzione viene calcolato utilizzando la formula K=Farr/Fmodificata, где Farr - frequenza del generatore di riferimento. Per inserire il coefficiente K nel programma, è necessario trovare la riga commentata nel file Osc-Volt-2_03.bas (il testo sorgente del programma) compensazione: 'Temp2=Temp2*1.000004 È etichettato Compensazione: per renderlo più facile da trovare. Dovrebbe essere decommentato e il moltiplicatore 1.000004 (questo valore è valido per la copia del dispositivo dell'autore) dovrebbe essere sostituito con il valore trovato del fattore di correzione K. Dopodiché è necessario compilare il programma corretto e caricare i codici dal file HEX risultante nella memoria del programma del microcontrollore. Come già accennato, il segnale di cui si desidera misurare la frequenza viene fornito alla presa 8 del connettore X5 del dispositivo, da dove viene fornito all'ingresso PF3 del microcontrollore. È chiaro che il microcontrollore è in grado di percepire correttamente solo un segnale del genere, i cui livelli corrispondono a quelli accettati nella logica a tre o cinque volt. Per misurare la frequenza di segnali di altre forme (ad esempio sinusoidali), è necessario un modellatore aggiuntivo. Buoni risultati si ottengono utilizzando la sonda comparatrice descritta in [5]. Può essere collegato al connettore X5 del dispositivo. Devi solo iscriverti dalla bacheca A! dispositivo per liberare lo slot 2 di questo connettore con tensione +5 o +3,3 V per alimentare la sonda (è operativa a qualsiasi valore di tensione specificato). Collegare la sonda secondo lo schema riportato in Fig. 5.
La visualizzazione dello schermo dell'indicatore dello strumento in modalità contatore di frequenza è mostrata in fig. 6.
Si accede a questa modalità dalla modalità normale dell'analizzatore logico premendo il tasto "LA". Passare il dispositivo dalla modalità frequenzimetro ad altre modalità premendo i seguenti tasti: "OS" - alla modalità oscilloscopio; "LA" - alla modalità analizzatore logico; "GN" - nella modalità generatore di segnale. Il programma del microcontrollore può essere scaricato da ftp://ftp.radio.ru/pub/2015/09/combi2-03.zip. Letteratura
Autore: A. Savchenko
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