Усовершенствование комбинированного прибора на базе микроконтроллера ATxmega
 

Усовершенствование комбинированного прибора на базе микроконтроллера ATxmega

А. САВЧЕНКО, пос. Зеленоградский Московской обл.

Опыт применения комбинированного прибора, описанного в [1], показал, что у него имеется как ряд недостатков, так и определённый потенциал для дальнейшего развития и улучшения параметров. Вниманию радиолюбителей предлагается усовершенствованная версия этого прибора.

В предыдущей версии микроконтроллер прибора тактировался от внутреннего RC-генератора частотой 32 МГц. Этот генератор имеет неплохую, но всё же недостаточную для измерительного прибора стабильность частоты. Поэтому в новом варианте частота образцового сигнала для системы тактирования микроконтроллера стабилизирована кварцевым резонатором на 4 МГц. Необходимое значение тактовой частоты (32 МГц) получено умножением образцовой частоты на восемь внутренним умножителем частоты микроконтроллера (блоком PLL).

Изменён принцип записи информации в буфер ОЗУ в режимах осциллографа и логического анализатора. Раньше байт с выхода АЦП или входного порта логического анализатора записывался в ячейку буфера программно при участии процессора микроконтроллера. В новой версии этот процесс реализован методом прямого доступа к памяти (ПДП) с помощью встроенного в микроконтроллер ATxmega контроллера ПДП [2]. Это позволило разгрузить процессор и организовать стабильный во времени процесс записи информации в буфер.

В обоих режимах транзакция ПДП представляет собой серии пересылок 7200 однобайтовых информационных пакетов. Запуск транзакции происходит по сигналу аналогового компаратора, который выполняет функцию синхронизатора развёртки.

При этом в режиме осциллографа процесс передачи каждого пакета инициируется запросом прерывания, который модуль АЦП генерирует в момент завершения преобразования очередного отсчёта входного напряжения в цифровой код. Так как работа модуля АЦП жёстко синхронизирована (одно преобразование за один такт), при частоте отсчётов 2 МГц автоматически обеспечивается заполнение буфера с требуемой для правильного формирования развёрток периодичностью 0,5 мкс.


В режиме логического анализатора информация в память принимается из входного регистра порта F микроконтроллера. Требуемый для правильного формирования развёртки период считывания состояния входов порта и его
записи в буфер в этом случае обеспечивает один из таймеров-счётчиков микроконтроллера, работающий на частоте 4 МГц. Процесс передачи информационного пакета инициируется передачей сигнала о переполнении таймера-счётчика в контроллер ПДП через систему событий микроконтроллера [3]. Эта система представляет собой удобный механизм оперативного взаимодействия модулей микроконтроллера ATxmega между собой без участия процессора.

Считывание состояния порта с темпом 4 МГц обеспечивает разрешающую способность каналов логического анализатора по времени 0,25 мкс, что вдвое уменьшает дискретность отсчёта временных интервалов по сравнению с предыдущей версией прибора.

Серьёзным недостатком генератора сигналов в предыдущей версии прибора было отсутствие ФНЧ на его выходе, -25-очищающего сформированный мето- _30. дом прямого цифрового синтеза (DDS) сигнал от паразитных составляющих. На "35‘ рис. 1, где представлен амплитудный -40-спектр синтезированного синусоидаль ного сигнала, его основная спектраль ная составляющая изображена красной линией, а сопровождающие её паразитные составляющие — голубыми линиями. При изменении частоты синтезируемого сигнала fc амплитуды составляющих спектра меняются по огибающей, изображённой штриховой линией. Паразитная составляющая, ближайшая к основной по частоте и максимальная по амплитуде, имеет частоту fкв - fc, где fкв — частота квантования DDS-генера-тора, равная в рассматриваемом случае 25 МГц.

В предыдущем варианте генератора максимальная выходная частота была равна 10 МГц, а ближайшая к ней паразитная составляющая спектра при этом лежала на частоте 15 МГц и имела амплитуду всего на 3,5 дБ меньше основной. Для её эффективного подавления требуется ФНЧ с частотой среза не менее 10 МГц и весьма крутым спадом АЧХ. На частоте 15 МГц затухание фильтра должно достигнуть нескольких десятков децибел. В полосе прозрачности АЧХ фильтра должна иметь подъём около 2,5 дБ на частоте 10 МГц для коррекции уменьшения амплитуды основной составляющей с повышением частоты.

Нужно сказать, что разработать фильтр приемлемой сложности с такими характеристиками автору не удалось. Поэтому было решено понизить максимальную генерируемую частоту до 7 МГц. Теперь ближайшая паразитная составляющая находится на частоте 25 МГц - 7 МГц = 18 МГц. Удовлетворительные результаты удалось получить с ФНЧ Баттерворта шестого порядка, состоящим из трёх ступеней второго порядка. Расчётная АЧХ этого фильтра показана на рис. 2. Расчёт выполнен с помощью программы, имеющейся в [4].

Выходное сопротивление генератора уменьшено до 150 Ом.

Логический анализатор прибора теперь имеет вместо двух четыре канала. Его разрешающая способность по времени улучшена до 0,25 мкс. Изменены также значения скорости развёртки.

В предыдущей версии прибора не был предусмотрен полноценный режим вольтметра — один из наиболее востребованных каждым радиолюбителем. В новой версии такой режим добавлен.
Следует заметить, что как осциллограф, так и вольтметр выполняют, по сути, одну и ту же функцию — измеряют напряжение. Вот только отображает результат измерения каждый из этих приборов по-своему. Поэтому с аппаратной точки зрения все необходимые элементы для реализации режима вольтметра в приборе имеются. Усилитель вертикального отклонения с переключаемым коэффициентом передачи позволяет получить различные пределы измерения. Есть АЦП для оцифровки измеряемого напряжения. Остаётся только разработать программу, которая организует отображение результатов измерения в нужной форме.

Измерение постоянного напряжения не представляет никакой сложности — оцифровывается последовательность из некоторого числа отсчётов этого напряжения, после чего вычисляется их среднее арифметическое. При правильно выбранном времени усреднения это неплохо подавляет различного рода пульсации измеряемого напряжения. В режиме вольтметра прибор измеряет постоянное напряжение именно таким методом.

Иная картина складывается при измерении переменного напряжения. Главный вопрос — какое значение пере-
менного напряжения целесообразно представить пользователю: мгновенное, амплитудное, средневыпрямлен-ное, среднеквадратичное (действующее)? Наиболее привычным и употребительным следует считать именно измерение действующего значения переменного напряжения, которое часто обозначают английской аббревиатурой RMS — root mean square. Чтобы его вычислить, необходимо получить п отсчётов мгновенных значений переменного напряжения в течение его периода, вычислить сумму их квадратов, разделить её на п и извлечь квадратный корень их частного:



Расчёт по этой формуле даёт правильный результат при любой форме переменного напряжения. Но чтобы достичь малой погрешности результата, нужно либо точно знать период измеряемого напряжения, либо брать отсчёты не за один период, а за значительное их число. Обработка этих отсчётов занимает много процессорного времени, что не всегда оправдано.

Задача упрощается, если форма переменного напряжения заранее известна. В ряде случаев (например, для синусоидального или пилообразного напряжения) существуют простые соотношения между действующим значением напряжения и его амплитудным или средневыпрямленным значениями, измерить которые значительно проще. Эти соотношения широко используются в распространённых стрелочных и цифровых вольтметрах, которые, фактически измеряя амплитуду Um или средневыпрямленное значение исрв, показывают действующее значение синусоидального напряжения, вычисленное по формулам



Конечно, при измерении шумового, импульсного или искажённого сими-сторным регулятором синусоидального напряжения показания таких приборов очень далеки от истины.

Сегодня всё большее распространение получают электронные измерительные приборы, показывающие "истинное" действующее значение (true RMS) переменного напряжения независимо от его формы при условии, что пик-фактор измеряемого напряжения (отношение амплитудного значения к действующему) не превышает определённого значения, обычно 5. Такие приборы построены, как правило, на специализированных микросхемах, выходное постоянное напряжение которых равно действующему значению входного переменного напряжения. Все необходимые преобразования выполняются аппаратно внутри микросхемы.

В предлагаемой версии прибора измерение действующего значения переменного напряжения возложено на одну из таких микросхем AD736AR,
обеспечивающую погрешность не хуже ±1...2,5 %. Другие характеристики этой микросхемы приведены в [5].

Изменения в схеме и конструкции прибора

Изменённая часть схемы прибора приведена на рис. 3. Следует иметь в виду, что нумерация элементов на ней отличается от имеющейся в [1]. Изменения в основном затронули элементы, расположенные на печатной плате АО, и эта плата подлежит замене.

В канале вертикального отклонения осциллографа, построенном на микросхемах DA2 и DD1, незначительно откорректированы номиналы нескольких элементов. Однако он приобрёл новую функцию — входного усилителя вольтметра.

К выводам микроконтроллера DD2 XTAL1 и XTAL2 подключены кварцевый резонатор ZQ1 на 4 МГц и конденсаторы С20, С23.

Измерение постоянного напряжения реализовано программно — измеряемое напряжение через входной усилитель поступает на вход АЦП микроконтроллера. За 20 мс берётся 893 отсчёта этого напряжения. Программа вычисляет их среднее арифметическое значение, которое выводят на индикатор. Так как полярность измеряемого напряжения может быть произвольной, АЦП работает с дифференциальным входом. Измерительный тракт полностью совпадает с используемым в режиме осциллографа.


Для измерения действующего значения переменного напряжения в прибор установлена микросхема DA4 AD736AR. На её низкоомный вход через резистор R33 подано напряжение с выхода измерительного усилителя (вывода 7 DA2). Микросхема преобразует действующее
значение входного напряжения в равное ему постоянное на выводе 6. Отсюда это напряжение поступает на вход второго канала АЦП микроконтроллера (вывод 64 DD2), где оцифровывается и далее выводится на индикатор. При указанных на схеме рис. 3 номиналах конденсаторов С13 и С14 время усреднения напряжения, эффективное значение которого равно выбранному пределу измерения, — около 10 мс, а в десять раз меньшего — около 100 мс.

Поскольку выходное напряжение преобразователя AD736AR всегда лежит в интервале от нуля до некоторого плюсового значения, при измерении переменного напряжения АЦП переводится в несимметричный беззнаковый режим.

ФНЧ на выходе генератора прибора выполнен на ОУ DA3.2, DA5.1 и DA5.2.

Чертёж печатных проводников новой платы АО помещён на рис. 4, а расположение элементов на ней — на рис. 5. Обратите внимание, что две из имеющихся на этой плате перемычек выполнены экранированным проводом.

В связи с увеличением числа каналов логического анализатора изменилось назначение контактов разъёма XS1, расположенного на плате А1. Старую версию этой платы несложно доработать, добавив четыре резистора (R5, R6, R13 и R14 согласно рис. 3) и два провода. Необходимо также перерезать печатный проводник, соединяющий контакт 5 разъёма XS1 с общим проводом. Для тех, кто будет делать плату А1 заново, её чертёж, учитывающий все доработки, показан на рис. 6. Новые элементы и внешние соединения изображены на нём красным цветом.

Ниже приведены характеристики прибора в режиме вольтметра, а также изменившиеся характеристики, относящиеся к другим режимам работы:

Вольтметр

Вид измеряемого напряжения постоянное,

переменное действующее (true RMS)

Тип входа открытый,

закрытый

Пределы измерения (без

выносного делителя), В 1; 2; 4;

10; 20;

40; 100

Максимальное напряжение (абсолютное значение) на входе, В,

без выносного делителя 100

с выносным делителем 1:10 .. .400 Погрешность измерения напряжения, %, не хуже
постоянного ±1

переменного частотой

50...40000 Гц ±2,5

Анализатор логических сигналов

Число каналов 4

Разрешающая способность,

мкс 0,25

Скорость развёртки:

"быстро", мкс/дел 300; 250;

100; 80; 50; 30; 20; 10

"медленно", мс/дел 37,5; 25;

12,5; 10; 7,5; 5; 2,5; 1,25

Генератор сигналов

Частота, Гц 1—6 999 999
Для обеспечения возросшей точности измерения возрастают требования к точности резисторов R1, R2, R4, R12, R17, R19, R21, R25. Их следует применять с допуском не хуже ±0,5% от номинала. С такой же точностью должно быть подобрано суммарное сопротивление резисторов R20 и R26. Если планируется использовать прибор совместно с выносным делителем напряжения, то сумма сопротивлений резисторов R3, R9 и R10 должна быть равна 1 МОм с погрешностью не хуже ±1%. При их подборке следует иметь в виду, что изменять сопротивление резистора R9 нельзя.


Особенности налаживания прибора

При монтаже прибора вместо резисторов R20 и R26 следует впаять соединённые последовательно постоянный резистор сопротивлением

12...16кОм и подстроечный резистор сопротивлением 10...12 кОм, движок которого установить приблизительно в среднее положение.

После сборки всех плат, визуальной проверки монтажа и соединения плат между собой подают питание на прибор и проверяют номиналы питающих напряжений +5, -5 и +3,3 В. При отсутствии какого-либо из них или отклонении от номинала более чем на 5...7 % питание следует отключить и проверить правильность монтажа и исправность деталей.

Запрограммировав и установив в панель на плате АО микроконтроллер, приступают к налаживанию прибора. После его включения на экране индикатора должна появиться заставка — приглашение выбрать один из режимов работы. Если индикатор остался пуст, следует нажать на любую клавишу прибора. Наличие сопровождающего нажатие звукового сигнала будет означать, что запрограммированный микроконтроллер работает, а ошибку следует искать в цепях питания или подключения индикатора к микроконтроллеру.

После появления на экране заставки прибор следует перевести в режим осциллографа. Появятся масштабная сетка и служебная строка. Линии горизонтальной развёртки может и не быть. Далее регулируют усилитель вертикального отклонения. Для этого выключателем SA1 переводят прибор в режим открытого входа и соединяют центральный контакт разъёма XW1 с общим проводом. После этого подстроечным резистором R23 устанавливают рабочую точку усилителя — напряжение ±0,01 В на его выходе (выводе 7 микросхемы DA2). Затем проверяют напряжение на неинвертирующем входе АЦП (его удобно измерять в точке соединения резисторов R34, R35, R36). Оно должно находиться в интервале +1,64...1,66 В. В противном случае следует подобрать резисторы R36 и R37.


После этого регулируют правильность преобразования напряжения в цифровой код. Цель состоит в том, чтобы нулевому напряжению на входе прибора соответствовал нулевой код на выходе АЦП. Эта процедура выполняется программно. Её запускают нажатием на клавишу "2". При успешном завершении регулировки на экране индикатора появится сообщение
"ОК". Если регулировку выполнить не удалось, будет выведено сообщение "ПМОГ, а пользователю предложено либо запустить процедуру заново, либо выйти из неё. Если и вторая попытка не дала положительного результата, следует искать причину этого, например:
— допущена грубая ошибка при регулировке усилителя вертикального отклонения;

— недопустимо большой уровень помех на выходе усилителя. К этому могут привести ненадёжное соединение входа усилителя с общим проводом, плохая фильтрация питающих напряжений или ошибки монтажа.

Через 2 с после успешного выполнения процедуры регулировки преобразования прибор автоматически переходит в режим осциллографа. Теперь линия развёртки должна находиться в центре экрана по вертикальной оси.

Далее регулируют коэффициент отклонения в канале вертикального отклонения. Для этого устанавливают клавишами "1" и "3" его значение 2,5 В/дел. и подают на разъём XW1 постоянное напряжение +2,5 В. Перемещением движка подстроечного резистора, заменяющего резистор R20 или R26, устанавливаютлинию развёртки на соответствующее деление экрана. После этого вход осциллографа вновь соединяют с общим проводом, проверяют и при необходимости корректируют рабочую точку усилителя подстроечным резистором R23. Если рабочая точка корректировалась, то вновь подают на вход напряжение +2,5 В и корректируют положение линии развёртки подстроечным резистором, установленным вместо резистора R20 или R26. Возможно, эти операции придётся повторить несколько раз.

По окончании регулировки питание прибора отключают, подстроечный и постоянный резисторы, установленные вместо R20 и R26, выпаивают и замеряют их суммарное сопротивление. Подбирают резисторы R20 и R26 такими, чтобы их суммарное сопротивление не отличалось от измеренного более чем на ±0,5 %, и монтируют их на печатную плату.

Далее прибор включают, переводят в режим осциллографа и нажатием на клавишу "2" вновь запускают процедуру регулировки преобразования, которая компенсирует возможные погрешности в подборке резисторов R20 и R26.

На этом налаживание осциллографа закончено. Нажатием на клавишу "ОС" прибор переводят в режим вольтметра и регулируют крутизну характеристики преобразования АЦП в этом режиме. Необходимость регулировки обусловлена тем, что внутренний источник образцового напряжения (ИОН) АЦП микроконтроллера не идеален, его напряжение несколько различается у разных экземпляров микросхемы, а также, хоть и немного, зависит от напряжения питания микроконтроллера, которое в каждом собранном приборе тоже будет немного разным. А поскольку напряжение ИОН — эталон, с которым АЦП сравнивает поданное на его вход напряжение, то при разном напряжении ИОН одинаковым значениям входного напряжения будут соответствовать разные выходные коды. Иными словами, подав одно и то же напряжение на входы двух приборов, можно получить разные показания. Эта погрешность невелика (около процента), но её можно скомпенсировать, а значит, это необходимо сделать.

Для режима измерения переменного напряжения неидеальность ИОН отодвигается на второй план, а основной проблемой становится большой разброс входного сопротивления используемого входа микросхемы AD736AR от образца к образцу, который может достигать ±20 %.

Регулировка крутизны преобразования АЦП в режиме вольтметра тоже выполняется программно. Она состоит из двух этапов: для измерения постоянного напряжения, а затем для переменного. Эту процедуру запускают нажатием на клавишу "2" в режиме вольтметра. Затем на вход прибора подают постоянное напряжение +5...7 В, истинное значение которого измерено образцовым вольтметром с точностью до 0,01 В. На экран выводится измеренное прибором значение поданного напряжения. Если оно отличается от истинного, то нажатием на клавишу "Г (меньше) или ”3" (больше) устанавливают на экране число, максимально приближённое к истинному значению напряжения, после чего нажимают на клавишу "D". На этом процедура регулировки завершается.

Все рассмотренные программные процедуры сохраняют результаты своей работы в EEPROM микроконтроллера, откуда рабочая программа вызывает их по необходимости. Поэтому повторный запуск этих процедур может потребоваться только после ремонта прибора.

Налаживание прибора в режимах логического анализатора и генератора сигналов не отличается от описанного в [11-

Изменения в функциях клавиш


Ввиду отсутствия в приборе свободных клавиш, вход в режим вольтметра производится из режима осциллографа нажатием на клавишу "ОС". По умолчанию вольтметр включается в режиме измерения постоянного напряжения на пределе 10 В.

В режиме вольтметра клавишами подают следующие команды:

"1" — уменьшить предел измерения;

"2" — запустить процедуру регулировки крутизны преобразования;

"3" — увеличить предел измерения;

"D" — переключить род измеряемого напряжения (постоянное или переменное);

"ОС" — перейти в режим осциллографа;

"ЛА" — перейти в режим логического анализатора;

ТН" — перейти в режим генератора сигналов.

В режиме осциллографа подаваемые команды несколько изменены:

"2" — запустить процедуру регулировки преобразования;

"ОС" — перейти в режим вольтметра.

В остальном функции клавиш совпадают с описанными в [1].

ЛИТЕРАТУРА

1. Савченко А. Комбинированный прибор на базе микроконтроллера ATxmega — Радио, 2014, № 4, с. 19—22; № 5, с. 22—25.

2. Савченко А. Режим прямого доступа к памяти микроконтроллера ATxmega. — Радио, 2015, № 1, с. 27—31.

3. Савченко А. Система событий микроконтроллеров ATxmega. — Радио, 2015, № 2, с. 24—27.

4. Analog Filter Wizard. — URL: http://www. analog.com/designtools/en/filterwizard/ #/type (12.10.14).

5. Low Cost, Low Power, True RMS-to-DC Converter AD736. — URL: http://www.analog. com/static/imported-files/data_sheets/ AD736.pdf (12.10.14).

Файлы печатных плат в формате Sprint Layout 5.0 и новая версия программы микроконтроллера прибора