Разработка структурной схемы.

Выпускная квалификационная работа. Часть 2.

2.1 Структурная схема микропроцессорного измерительного устройства
2.2 Фильтр низких частот
2.3 Алгоритм работы устройства

2.1 Структурная схема микропроцессорного измерительного устройства

Общая структурная схема измерительного устройства на основе микроконтроллера и ЭВМ показана на рисунке 2.1.

Основным элементом, определяющим прецизионность всего измерительного устройства является аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Но если входная цепь ВЦ) и фильтр низких частот (ФНЧ) не ослаблять шумы вне полосы пропускания сигнала, то эффекта от высокой точности АЦП не будет.

Входная цепь является развязывающим устройством источника сигнала и АЦП. Она должна иметь большое входное сопротивление, обеспечивать подавление синфазного сигнала шума (сигнала общей помехи).

ФНЧ устраняет эффект наложения спектров и нежелательные сигналы вне полосы пропускания фильтра. Этот фильтр работает с еще аналоговым сигналом, соответственно сам фильтр является аналоговым.

АЦП в этой системе входит в состав микроконтроллера. Соответственно частота дискретизации и режим работы устанавливается программой, загруженной в микроконтроллер. Программное обеспечение микропроцессора обеспечивает работу протокола о бмена данными с ЭВМ, протокол отвечает за отправку полученных отсчетов в ЭВМ и поучения команд от пользовательской программы, установленной на компьютер. ЭВМ может быть как персональным компьютером (ПК), так и портативным компьютером ноутбуком. На ЭВМ, как было сказано ранее, установлена программа, которая работает с полученными отсчетами от АЦП, обрабатывает их и представляет пользователя в удобном для восприятия виде. Таким образом, ЭВМ также играет роль визуального индикатора.

2.2 Фильтр низких частот

Говоря о дискретизации низкочастотного сигнала, подразумевают, что подлежащий дискретизации сигнал лежит в первой зоне Найквиста. Важно обратить внимание на то, что без фильтрации на входе идеального дискретизатора любой частотный компонент (сигнал или шум), который находится за пределами "полосы Найквиста", в любой зоне Найквиста будет создавать НЧ-составляющую в первой зоне Найквиста [!]. По этой причине ФНЧ используется почти со всеми АЦП для подавления нежелательных сигналов.

По теореме Котельникова, частота дискретизации (f_Д)сигнала должна быть равна или больше частоты в 2 раза большей верхней частоты сигнала (f_в). Но на самом деле, всякий сигнал имеет бесконечный спектр. Поэтому фильтрация сигнала необходима.

Очень важно правильно предъявить требования к характеристикам аналогового фильтра, ограничивающего спектр сигнала на входе АЦП. У фильтра есть полоса пропускания и непропускания. Реализовать фильтр следует таким образом, чтобы амплитудные и фазовые искажения в полосе пропускания были минимальны, и на частоте (f_Д - f_В ) обеспечивала ослабление таким образом, чтоб сигнал имел значение менее шума квантования АЦП.

При разработке ФНЧ отталкиваются от того, какое ослабление требуется на частоте f_Д - f_В и допустимыми параметрами фазового и амплитудного искажения[!].

Требуемое затухание аналогового фильтра в полосе задерживания определяется динамическим диапазоном полезного сигнала ДД. Динамический диапазон цифрового устройства выбирается исходя из заданной точности представления сигнала. При этом нижняя граница динамического диапазона ДД будет определяться уровнем всех помех, попадающих в полосу частот полезного сигнала.

Разные типы фильтров дают разную крутизну спада и частотные характеристики. Например, фильтр Баттерворта дает ослабление 6 дБ на октаву для каждого порядка. Для достижения ослабления 60 дБ в диапазоне от 1 МГц до 2 МГц (1 октава) требуется как минимум фильтр 10-го порядка – это нетривиальный фильтр, весьма трудный в разработке. Поэтому для высокоскоростных приложений, требующих более высокой крутизны спада и меньшей неравномерности в рабочей полосе при линейной фазовой характеристике, больше подходят фильтры других типов.

Шум квантования SNR (в дБ) в N-разрядном АЦП находиться по следующей формуле:

Значит, в 12-разрядном АЦП на частоте (f_Д - f_В ) должно быть ослабление:

Еще одно важное требование к ФНЧ – линейность фазо-частотной характеристики (ФЧХ) в полосе пропускания или постоянное время групповой задержки сигнала. Неравномерность амплитудной характеристики может быть в дальнейшем скомпенсирована цифровой фильтрацией.

2.3 Алгоритм работы устройства

Измерительное устройство подключается к ПК. Операционная система (ОС) находит устройство, инициализирует его, подключает нужные драйвера и передает управление в программу виртуального осциллографа.

Программа виртуального осциллографа, согласно установленному протоколу, посылает команду начала аналогово-цифрового преобразования в осциллограф-приставку. В результате происходит конфигурирование встроенного АЦП, подготовка и запуск циклического преобразования АЦП. Происходит накапливание результата преобразования во встроенной оперативной памяти микроконтроллера. После завершения работы АЦП накопленные отсчеты отправляются по последовательному интерфейсу в ПК. Программа виртуального осциллографа обрабатывает, корректирует полученные отсчеты и визуализирует их на экране ПК. Путем применения дискретного преобразования Фурье получается спектр измеряемого сигнала, рисуется АЧХ сигнала. Цикл повторяется, пока пользователь не нажмет кнопку «СТОП», оповещая тем самым об окончании работы с устройством. ОС деинициализирует устройство.