Разработка длительности импульсов

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Исходные данные…………………………………………………………............3 2. Пример реализации поставленной задачи……………………………………….4 3. Выбор метода измерений. Метод дискретного счёта…………………………..7 4. Структурная схема измерителя…………………………………………………..8 5. Погрешность измерения……………………………………………………….…9 6. Разработка принципиальной схемы……………………………………….…....10     6.1 Выбор микроконтроллера…………………………………………………...10     6.2 Выбор повторителя………………………………………………………..…12     6.3 Выбор компаратора………………………………………………………….14      6.4 Выбор ЖКИ…………………………………………………………………..17     6.5  Выбор программатора……………………………………………………....18     6.6 Блок питания…………………………………………………………………19 7. Алгоритм программы……………………………………………………………20 8. Программа……………………………………………………...………………...21 9. Спецификация…………………………………………………………………....22 10. Список использованной литературы………………………………………….23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

 

 

Число каналов  – 1

Диапазон длительности импульсов, с  – 0,0001..5

Диапазон амплитуд импульсов, В  –  0,1..5 

Относительная погрешность, %  – 0,01+1 МЗР

Входное сопротивление , Ом  > 10000

Примечания. Запуск измерений реализовать в двух режимах: 1)автоматический;

2) однократный по нажатию  кнопки «пуск»

 

Чтобы разработать измеритель длительности импульсов, нужно реализовать следующие этапы:

1. Обзор методов и примеров реализации поставленной задачи.
2. Составление структуры и алгоритма функционирования устройства.
3. Выбор  и расчет элементов принципиальной  схемы.
4. Программирование.
5. Оформление отчета.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ ПОСТАВЛЕННОЙ ЗАДАЧИ

 

Создание измерителя длительности импульсов на базе микропроцессора AVR90S8515. С помощью проектируемого прибора можно будет измерять длину импульсов в диапазоне от 10 мСек до 10 Сек. Измеренная величена будет отображаться на четырех разрядном светодиодном индикаторе.

Структурная схема измерительного прибора приведена

 

 

мСек – кнопка выбора отображения измеренной длительности импульса в милиСекундах.

Сек - кнопка выбора отображения измеренной длительности импульса в Секундах

Инверсия – кнопка выбора первого или второго режима измерения см ТЗ.

Св.Д1. – светодиод индицирующий включение второго режима измерения

Св.Д2. – светодиод индицирующий включение режима отображения измеренной длительности импульса в секундах.

Св.Д3. – светодиод индицирующий включение режима отображения измереной длительности импульса в мили секундах.

AVR90S8515 – однокристальная микро-ЭВМ AVR90S8515

Дешифраторы производят дешифрацию двоично-десятичного кода, а индикаторы отображают результаты измерения. При включении питания микро-ЭВМ производит выполнение подпрограммы инициализации (инициализация

 

стека, настройка используемых портов ВВОДА/ВЫВОДА, загружается в компаратор А таймер/счетчика число 80000, выбирается нужный режим работы таймер/счетчика 1 (бит CTC1 регистра управления таймером/счетчиком 1(TCCR1B), устанавливается в единицу, что означает сброс таймер/счетчика 1 при срабатывании компаратора А, также бит CS10, находящийся в этом же регистре, устанавливается в единицу, это означает, что в качестве источника синхронизации будет использоваться частота синхронизации кварцевого резонатора), происходит глобальное разрешение прерываний ). Далее происходит опрос состояния кнопки выбора режима измерения длительности импульса и в зависимости от ее состояния (0 – измерение низкого уровня длительности импульса, 1 - измерение высокого уровня длительности импульса), происходи переход на соответствующую подпрограмму (IMPULS_POLOGITELNAY – подпрограмма измерения  высокого уровня длительности импульса, IMPULS_OTRICHATELNAY -  подпрограмма измерения низкого уровня длительности импульса ). Алгоритм работы этих двух подпрограмм практический одинаковый, для примера рассмотрим работу подпрограммы IMPULS_POLOGITELNAY. При переходе на эту подпрограмму МП начинает опрос линии PA0 и в случае обнаружения на ней логической единицы запускает таймер/счетчик 1. При срабатывании компаратора А происходит  сброс таймер/счетчика 1 (в компаратор А загружено число – 8000, при частоте синхронизации МП равной 8Мгц срабатывание компаратора произойдет ровно через 1мС±1% ), что говорит о прошествии 1мСек. Отчет

 

милисекунд в соответствии с ТЗ начнется после прошедшей девятой милисекунды. Индикация измеряемой длительности импульса происходит каждые 50 мСек. Вмести с этим МП продолжает сканировать линию PA0 и после того как он обнаружит на ней состояние логического нуля, что говорит о конце измерения длительности импульса, произойдет остановка таймера/счетчика 1 и произведется переход на подпрограмму перевода двоичного шестнадцати разрядного числа в двоично-десятичное - bin16BCD5 (детальный алгоритм перевода двоичного шестнадцати разрядного числа в двоично-десятичное рассмотрен ниже). После выполнения подпрограммы bin16BCD5, МП опрашивает состояние кнопок мСек и Сек. Если нажата кнопка Сек (индикация результата измерения производится в секундах), то тогда МП путем  выдачи с линии РА7 логической единицы индицирует точку разделяющую целую часть числа от дробной. Если не нажата ни одна из двух кнопок или нажаты все,  то тогда индикация результата измерения производится не будет. После того как произведется индикация результата измерения (через линии порта D и C) МП возвращается в основную программу. На этом цикл работы программы заканчивается .

 

 

3. ВЫБОР МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ.

 

В данном курсовом проекте был выбран метод дискретного счёта.

СУЩНОСТЬ МЕТОДА. Измерение заключается в сравнении измеряемого интервала времени Δtx (длительность τx, периода Tх ) с дискретным интервалом, воспроизводящим единицу времени. Это достигается заполнением измеряемого интервала Δtx импульсами с известным образцовым периодом следования Тобр<< Δtx – преобразованием интервала в отрезок периодической последовательности импульсов, число которых, пропорциональное интервалу Δtx , подсчитывается. Импульсы, заполняющие интервал Δtx , принято называть счетными импульсами и обозначать период их следования Тсч.

Изложенный принцип применительно к случаю измерения периода синусоидального сигнала иллюстрирует Рис.1. Из него видно, что исследуемый сигнал (Рис.1,а) преобразуют в прямоугольный импульс ( Рис. 1, б), который «вырезает» из периодической последовательности счетных импульсов (Рис. 1, в) участок содержащий m импульсов ( Рис. 1, г). Так как период их следования Тсч , то значение измеряемого периода определяется из формулы Тх=mТсч.[7].

Рис.1

 

 

4. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ИЗМЕРИТЕЛЯ

 

           Для аппаратурного осуществления описанного метода необходимы генератор счетных импульсов и счетчик, между которыми должна быть включена схема, отпирающая вход счетчика на время Тх. Эту функцию, как видно из Рис. 2, выполняет временной селектор, представляющий собой логический элемент И. Счетные импульсы, непрерывно поступающие на первый вход временного селектора, могут проходить в счетчик только тогда, когда на втором входе селектора действует селекторный прямоугольный импульс. В радиотехнике такой импульс называют стробирующим. Он формируется из исследуемого сигнала с помощью специальной схемы (например, триггера Шмитта), содержащейся в блоке формирования и управления. Стробирующий импульс, равный по длительности периоду Тх исследуемого сигнала ( см. Рис. 1 а и б), подается на второй вход временного селектора и за время действия этого импульса счетчик считает импульсы генератора. (см. Рис 1, б, в, г).

В измерительной технике импульс, «вырезающий» участок импульсной последовательности или задающий продолжительность счета, принято называть временными воротами. Число импульсов, зафиксированное счетчиком и наблюдаемое с помощью цифрового отражающего устройства – дисплея, однозначно соответствует измеряемому периоду Тх.

Если периодследования счетных импульсов генератора Тсч (частота следования Fсч), то за период Тх через временные ворота пройдет m импульсов: m=(Tx/Tсч)=ТхFcч и следовательно, измеряемой период Tx=mTсч, или Tx=m/Fсч.

Измерения получаются косвенными. Для получения прямого показания в приборах, построенных по схеме с жесткой логикой( без микропроцессора), частота следования импульсов выбрана так, что Fсч=10 k, Гц, где k = 1, 2, 3… Тогда Тх=m/Fcч.[7].

 

 

Рис.2

 

5. ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ.

 

В данном курсовом проекте требуется рассчитать относительную погрешность.

Погрешность измерения интервала времени и длительности импульсов, при длительности фронтов измеряемых импульсов, не более половины периода частоты заполнения не превышает суммарную:

 

      где  δ0 – основная относительная погрешность частоты внутреннего кварцевого генератора или внешнего источника опорной частоты(погрешность кварца);

δ0 = ( 10-4…10-5)

f0- частота заполнения;

f0  = 60 МГц = 60*106 Гц

tизм.- измеряемый интервал;

РАСЧЁТ:

Диапазон длительности импульсов, с  – 0,0001..5

 

1. = = 0,01667

 

2. = = 0,001

 

 
     6. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

 

6.1 ВЫБОР МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

 

В данном курсовом проекте был выбран микроконтроллер LPC2148 фирмы NXP (старший из серии LPC214x), который можно назвать типичным представителем семейства ARM7 (Рис.3).

 Могут быть названы следующие основания для выбора микроконтроллеров с архитектурой ARM7:

а) Открытая архитектура становится общепринятым стандартом. Имеются исчерпывающие описания, в том числе на русском языке.

б) Поддержка ядра многими ведущими производителями гарантирует широкую номенклатуру микроконтроллеров, облегчая выбор микросхемы, удовлетворяющей заданным техническим требованиям.

в) Совместимость средств разработки и отладки со всеми микроконтроллерами семейств ARM (в том числе Cortex) дает свободу выбора как самих средств отладки, так и микроконтроллеров. Наиболее известны среды 9 разработки с интегрированным Си-компилятором: μVision фирмы Keil и Em-bedded Workbench фирмы IAR. Внутрисхемная отладка обеспечивается такими средствами, как U-Link2 (фирмы Keil), J-Link (фирмы Segger), а также их многочисленными дешевые аналогами.

Приведем основные параметры и перечислим наиболее важные встроенные аппаратные средства этой микросхемы.

а) Максимальная тактовая частота 60 МГц.

б) ПЗУ (FLASH-память) объемом 512 кбайт.

в) ОЗУ объемом 40 кбайт.

г) Два 32-разрядных таймера-счетчика, модуль ШИМ с отдельным таймером, сторожевой таймер, часы реального времени с автономным пита-нием и тактированием.

д) Два десятиразрядных АЦП с временем преобразования 2,44 мкс.

е) Десятиразрядный ЦАП с временем установления 1 мкс.

 

ж) Приемопередатчики интерфейсов: два UART, два I2C, SPI, SSP, USB 2.0 в режиме Full Speed (12 МГц) с прямым доступом к памяти.

и) Гибкая система управления энергопотреблением.

 

 

 

Рис. 3

 

 

 

 

 

 

Таблица 1 – Назначение служебных контактов МК LPC2148

Обознач.	Контакт	Назначение
Vdd	23, 43, 51	Питание цифровой части (3.0-3.6 В)
Vddа	7	Питание аналоговой части (3.0-3.6 В)
Vss	6, 18, 25, 42, 50	Общая точка цифровой части
Vssа	59	Общая точка аналоговой части
RESET	57	Вход сброса. Низкий лог. уровень переводит микроконтроллер в режим сброса. В рабочем режиме должен быть подан высокий уровень
XTAL1 XTAL2	62 61	Контакты для подключения основного кварцевого резонатора. На контакт XTAL1 может быть подан внешний тактовый сигнал
RTCX1 RTCX2	3, 5	Контакты для подключения кварцевого резонатора для тактирования часов реального времени

 

D+ D-	10, 11	Двунаправленная линия передачи данных интерфейса USB
Vref	63	Опорное напряжение АЦП и ЦАП (2.5-3.6 В)
Vbat	49	Питание часов реального времени (2.0-3.6 В)

       

 

6.2 ВЫБОР ПОВТОРИТЕЛЯ.

 

В данном курсовом проекте был выбран повторитель AD8651 (Рис.4). Операционный усилитель AD8651 обеспечивает функцию rail-to-rail по входу, но в отличие от остальных аналогичных усилителей у него минимизировано изменение напряжения смещения нуля в пределах всего динамического диапазона. Это позволило снизить уровень искажений и максимально ослабить синфазную помеху. При емкостной нагрузке 50 пФ и режиме единичного усиления при неинвертирующей схеме включения AD8651, в отличие от остальных быстродействующих ОУ, обладает высокой устойчивостью к самовозбуждению. Данный операционный усилитель можно использовать в качестве драйвера АЦП в измерительных приборах за счет малого времени установления, низкого уровня искажений и высокой точности. Также AD8651 имеет низкий уровень шумов, минимальный ток смещения, широкий частотный