Белай О.М. Информационно-измерительные системы. Методические указания к лабораторным работам

Подождите немного. Документ загружается.

(используется для экономии тонера при распечатке на принтер).

кн. <Дискетка> – запись кадра(ов) на диск. При этом, в текущем каталоге программой

создаются папки [BMP_Files] и [MATLAB_Files] для соответствующих файлов.

Окно [CADRE] – индицирует номер последнего записанного кадра.

Окно [FILLING_BUFFER] – используется только для режима медленного 6-и канального

осциллографа (AF_8bit). Индицирует заполнение буфера для

всех 6-и каналов A_F.

Окно [T/Del_Nps] – индицирует время (в ms), в течении которого были сняты Nps точек

графика.

Число Nps зависит от выбранного режима [ОСЦИЛЛОГРАФА] и индицируется в нижнем

окне экрана [Oscillator_points].

- AB_8bit - 222ps;

- A_10bit - 224ps;

- A_8bit - 448ps.

Время замера [T/Del_Nps], можно плавно изменять расположенными справа от окна

кнопками, или грубо, используя блок радио-кнопок [Delay_ms] (рис.10).

Рис. 10

Рис.11

Панель выбора канала ADC для 1-канальных режимов A_10bit,

A_8bit ОСИЛЛОГРАФА.

Рис.12 Панель выбора режимов работы ADC для ОСИЛЛОГРАФА.

- одноканальный режим для ADC_8bit (любой из 8-ми каналов);

- 2-х канальный режим для ADC_8bit (только 1 и 2-ой канал);

- одноканальный режим для ADC_10bit (любой из 8-ми каналов);

- 6-и канальный режим для ADC_8bit (только 1…6-ой каналы).

Режим 6-и канального

осциллятора предназначен для контроля и записи медленно

меняющихся в реальном времени процессов.

При запуске данного режима производится замер (поочерёдно) с каждого из Ch1-Ch6 каналов,

формирование точек графика(ов) и сохранение данных в буфере (для режима ‘TAPE’ и/или

ет

разъёму

ются

последующей записи на диск). В данной версии программы буфер для (каждого из 6-и каналов)

может выбираться от 74 до 1184 точек, а время заполнения буфера (или замера) по всем каналам

соответственно 5476 ms…87616 ms.

Рис.13 Панель выбора режимов работы [TAPE / OSCILLATOR].

- в режиме [TAPE] происходит заполнение выбранного пользователем в меню [Points]

(рис.14) максимального числа точек графика, после чего программа выходит из режима

измерения. При этом, данные замера, временно хранящиеся в буффере, можно записать

на диск в заданном формате.

Рис.14

- в режиме [Oscillator] после каждого цикла

замера Nps точек, экран осциллографа и данные в

буффере обновляются.

Рис.15

В этом блоке организован небольшой сервис для 2-х канального режима AB_8bit

ОСИЛЛОГРАФА.

- смещение луча [A] по вертикали;

- масштабирование луча [A] по напряжению [V/Del] ,аналогично для луча [B].

Панель управления ШИМ1 имеет два экрана. Верхний индициру

состояние ШИМ-сигнала, соответствующее сигналу TTL-уровня,

формируемое на выводе [13] процессора и подводимое к

XR7.3 (см. рис.7);

Работа ШИМ1 может синхронизироваться от питающей сети.

Кроме индикаторов, панель управления ШИМ1 имеет 2-х

кнопочный регулятор значения угла регулирования (иначе

значение 8-bit ШИМ в о.е.), а

также кнопку ”OFF” для

отключения ШИМ.

Аналогично организованы панели управления для ШИМ_2-3.

Рис.16

Для измерения оборотов двигателя или частоты внешнего сигнала, подаваемого на вход XR4.3

контроллера (см.рис.7), используется [Rotation_panel].

Программа имеет два подрежима измерения, которые индициру

3-х цветным окном.

- 100 Hz…65 kHz (Hi_regime) - Red_Colour ;

- 0,45 Hz…100 Hz (Low_regime) - Green_Colour;

Переключение подрежимов осуществляется программой

автоматически.

При выходе из режима измерения индикатор меняет цвет на

Silver_Colour.

Рис. 17

Ещё один элемент сервиса, кнопки дистанционного вкл. и откл. реле K1 на

плате контроллера.

Рис. 18

Для режимов ‘Oscillаtor’ и ‘Tape’…

Кн.[CYCL] – запуск цикла измерения ADC;

Кн.[STOR] – останавливает цикл измерений ADC;

Рис.19

Рекомендуется все переключения в программе производить через кн.[STOR], а также при

выходе из программы.

Перед запуском

исполнительного файла /SSJKS_4YKA.EXE/ контроллер уже должен быть

подключен к выбранному вами COM-порту.

В файле /SSJKS_4.INI/ проверьте, чтобы содержимое второй строки соответствовало –

/Enabled/. Если установлено /Disabled/, отредактируйте (через F4) вторую строку на /Enabled/ и

сохраните файл.

В меню [Options] подключите соответствующий последовательный порт [I/O_Port / COM1 /

COM2], и установите необходимый формат осциллограмм [Format_Diagrams / *.bmp];

Если все действия были выполнены правильно, то по нажатию

кнопок [Rele_panel], будет

слышно срабатывание реле K1. Или при включении любого из каналов ШИМ 1-3, должен загореться

соответствующий светодиод на плате контроллера.

Ход выполнения работы.

Цифровое осциллографирование.

Цифровой запоминающий осциллограф представляет собой виртуальный измерительный

прибор, построенный на базе PC компьютера, платы аналого-цифрового преобразования и

программного обеспечения. Основное назначение прибора - исследование формы электрических

сигналов путем визуального наблюдения и измерения их амплитудных и временных параметров.

Принцип работы прибора заключается в преобразовании аналогового сигнала в

цифровую

форму. После чего, полученные оцифрованные данные передаются в компьютер. Под управлением

программного обеспечения цифровой сигнал обрабатывается и отображается на мониторе

компьютера.

Для практического ознакомления с режимом цифрового осциллографирования контроллера

соберите на макетной плате стенда SSJKS1 схему согласно рис.20. Используйте фиксированные

источники напряжений +5V и –12V на передней панели стенда.

Рис. 20

В данном случае приводиться пример контроля и записи формы напряжения на плюсовой

обкладке конденсатора C11 (или на выводе [1] разъёма XR8) за интервал времени 5,5 sek. На рис.21

приведён пример осциллографирования этого процесса.

При разомкнутых контактах реле K1, конденсатор будет заряжен до значения источника

питания +5V, к которому подключен резистор R10 (интервал времени t0 – t1).

Рис. 21

При замыкании контактов реле K1 (интервал времени t1 – t2) командой с контроллера,

конденсатор разряжается до 0V. В промежуток времени t2 – t3 происходит удержание замкнутых

контактов реле K1. В момент времени t3, последующей командой с контроллера (соответствующей

кнопкой программного интерфейса) контакты реле размыкаются и, через резистор R10 происходит

плавный заряд конденсатора C11 до значения источника +5V (момент времени t4).

Время зарядки конденсатора

можно примерно определить из соотношения T = 4…6 τ , где τ =

RC.

Так как процесс зарядки конденсатора при номиналах элементов C11 = 100 mkf и R10 = 10

kOm будет составлять единицы секунд, для большей наглядности воспользуемся режимом AF_8bit

осциллографирования. Второй канал осциллографа Ch2 подключен к источнику отрицательного

напряжения (-12V), чтобы сместить луч (жёлтого цвета) в нижнюю часть экрана и исключить

наложение лучей.

Для снятия данных проделаем следующие действия:

- на панелях [ADC_mode], [Regime], [Delay_ms], [Points] произведите соответствующие

установки: [ADC_mode / AF_8bit], [Regime / Tape], [Delay_ms / Zero], [Points / Zero].

- отключите реле;

- используя кнопку “CYCL” произведите запуск цикла измерения;

- через 1 – 2 сек. включите реле;

- когда напряжение в контролируемой точке достигнет 0V, отключите реле. По истечении

интервала, установленного в окне [T/Del_Nps], программа автоматически (для Regime / Tape) выйдет

из цикла измерения с сохранением

данных в памяти.

Запишите полученное изображение в формате *.bmp, пометив кадр № 1 для данного опыта.

Содержание отчёта

- привести данные практических замеров, осциллограммы.

- привести расчёт временного интервала t3-t4 и пояснить его.

Контрольные вопросы

- назовите особенности цифрового осциллографа в сравнении с другими измерительными

приборами.

- используя данные замера (осциллограмма, кадр.№1), пояснить работу

схемы рис.20.

- чему равна длительность интервала t0-t4 ?

- как изменить временной интервал t0-t4, используя интерфейс программы ?

- поясните изменения на рис.21, если 2-ой канал осциллографа (Ch2) заземлить.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.

ИИС на примере контроллера SSJKS4. Выходные сигналы - каналы ШИМ.

Цель работы: Практическое применение сигналов широтно-импульсной модуляции в ИИС.

Работа

с каналами ШИМ

В ИИС используются два основных способа представления информации и обработки сигналов

информации: аналоговый и импульсный (цифровой).

Аналоговый сигнал информации непрерывен во времени и с той или иной степенью точности

соответствует реальному физическому процессу в реальном масштабе времени. Так, изменение

температуры окружающей среды происходит непрерывно, и измеритель температуры

так же

непрерывно отражает этот процесс. Все сигналы информации естественного происхождения –

аналоговые.

Развитие интегральной схемотехники привело к созданию технических средств высокой

точности и универсальности, позволяющих обрабатывать сигналы информации, предварительно

преобразованные в импульсный (цифровой) вид. Формально такой способ обработки информации

намного сложнее аналогового. Так, основная микросхема в блоке устройства для воспроизведения

помощью лазерного луча цифровой записи звука (CD-R), содержит около 100 тыс. транзисторов. А

усилитель записи, представленной в аналоговом виде на обычной магнитной ленте (кассете), может

содержать всего несколько десятков транзисторов.

Информационные преобразования в аналоговых измерительных цепях ИИС могут

осуществляться над сигналами, имеющими различные информативные параметры, или, иными

словами, над сигналами с различными видами модуляции.

Известно несколько способов представления аналоговой величины в импульсном виде.

Изменение во времени некоторой аналоговой величины U(t), например температуры среды, показано

на рис.22,a.

Рис. 22

При анализе мгновенных значений U(t) в моменты t1, t2, t3,… эту функцию можно

представить в виде:

- последовательности импульсов U1, амплитуда которых пропорциональна мгновенным

значениям U(t), рис.22, б (АИМ);

- последовательности импульсов U2 постоянной амплитуды, длительность которых

пропорциональна мгновенным значениям U(t), рис.22, в (ШИМ);

- пакетов импульсов U3, количество которых в каждом пакете пропорционально мгновенным

значениям U(t), рис.22, г (комбинированная

ШИМ + ЧМ);

- последовательности импульсов U4, частота повторения которых пропорциональна мгновенным

значениям U(t), рис.22, д (ЧМ).

Таким образом, информация об аналоговой величине содержится в одном из параметров

импульсной последовательности. Такое представление аналоговой величины отражает её не

полностью, так как часть информации теряется. Например, неизвестно, как ведут себя аналоговая

величина в интервале времени между

выборками (монеты t1, t2 и т. д.). Однако эти потери могут

быть уменьшены увеличением частоты обращений, т. е. более частым анализом аналоговой

величены.

Основой каждой периодической импульсной последовательности (рис. 23) является импульс

прямоугольной формы, который характеризуется амплитудой Um и длительностью τ, а также

длительностью фронта τ(ф) и среза τ(ср). Дополнительными параметрами являются

частота Fx,

период следования Tu импульсов и их скважность Q.

Рис.23

Для сигнала ШИМ соблюдаются условия: Um = const; Tu = const; Fx = const.

Относительная ширина положительного импульса будет определяться:

= (1)

τ – ширина положительного импульса;

Tu – период сигнала ШИМ;

Тогда скважность будет определяться:

(2)

Постоянную составляющую (нулевую гармонику) рассчитывают через амплитуду импульса и

его временные параметры по формуле:

Uo =

•

(3)

Структура микропроцессора AVR AT90S8515 позволяет организовать на определённых

выводах CPU сигналы широтно-импульсных модуляторов (ШИМ) или Pulse Width Modulation

(PWM). Сигнал ШИМ представляет собой последовательность прямоугольных импульсов заданной

частоты с изменяемой скважностью. То есть, при неизменных частоте и амплитуде импульсов ШИМ,

меняются пропорционально интервалы t1 и t2. На рис.24, приведены три примера импульсов ШИМ-

сигнала для значений 20%, 50% и 80% длительности временного интервала t1 от общего значения

периода T.

Рис.24

Сигналы ШИМ, в качестве задающих и управляющих, широко используются в измерительных

системах и других областях электроники. При таком виде модуляции достигается наибольшая

помехоустойчивость аппаратуры.

Применив фильтр низкой частоты (ФНЧ), то есть RC-цепь, ШИМ-сигнал легко преобразовать

в аналоговый, учитывая, что при этом используется один вывод INT1 (бит PD3) порта D

микропроцессора (см.

рис.2).

Cкоммутируйте на макетной плате стенда SSJKS1 схему согласно рис.25. Для проведения

коммутаций необходимо использовать монтажную схему печатной платы контроллера, помещённую

в описании ЛР№ 1 “ИИС на примере контроллера SSJKS4. Интерфейс. Цифровое

осциллографирование”, рис.7.

Исследуется сигнал ШИМ_1, формируемый контроллером на [13] выводе CPU (DD1). Этот же

сигнал выведен на разъём XR7 [3].

Рис. 25

Сигнал ШИМ_1(PWM1) в данной схеме поступает непосредственно на вход аналогового

коммутатора (Ch1) через разъём XR6.7. Этот же сигнал, через фильтр нижних частот (R10, C11)

подключен ко 2-му входу (Ch2) аналогового коммутатора через разъём XR6.6. Для дополнительного

визуального контроля, сигнал PWM1 подаётся на внешний осциллограф. Для выбора вариантов

задания используйте табл. 1.

табл. 1

Ёмкость фильтра НЧ

(Сxx)

Номер

варианта, №

Напряжение на выходе

фильтра (канал Ch2, XR6.6),

Uo (V)

№1 №2 mkf

1 1,0 C11 C4

2 1,5 C11 C5

3 2,0 C11 C6

4 2,5 C11 C7

5 3,0 C11 C4

6 3,5 C11 C5

7 4,0 C11 C6

8 4,5 C11 C7

- на панелях [ADC_mode], [Regime], [Delay_ms], [Points] произведите соответствующие

установки: [ADC_mode / A_8bit], [Regime / Oscillator], [Delay_ms / Zero], [Points / Zero];

- на панели [ADC_mux] выберите [ADC_mux / Ch2];

- используя кнопку “CYCL” произведите запуск цикла измерения.

- движком “ > ” управления ШИМ1 установите значение постоянного напряжения на экране

осциллографа примерно ≈ 1V.

- остановив процесс измерения кнопкой “STOR”, сохраните полученное изображение в формате

*.bmp, пометив кадр № 1 для данного пункта (см. рис.26).

Рис. 26

На панели [ADC_mux] выберите [ADC_mux / Ch1];

- используя кнопку “CYCL” произведите запуск цикла измерения.

- остановив процесс измерения кнопкой “STOR”, сохраните полученное изображение в формате

*.bmp, пометив кадр № 2 для данного пункта (см. рис.27).

Рис. 27

Следующий опыт позволяет проанализировать влияние величины ёмкости конденсатора

фильтра на форму выходного сигнала Uo.

- на панели [ADC_mode] установливаем: [ADC_mode / AB_8bit].

- замените конденсатор C11 на Cxx из табл.1 (ёмкость фильтра НЧ, опыт №2), согласно заданного

варианта.

- используя кнопку “CYCL” произведите запуск цикла измерения.

- остановив процесс измерения кнопкой “STOR”, сохраните полученное изображение в формате

*.bmp, пометив кадр

№ 3 (см. рис.28).

Рис. 28

Содержание отчёта

- привести данные практических замеров, осциллограммы, согласно заданного варианта;

- определить постоянную составляющую выходного сигнала Uo фильтра НЧ по формуле (3) и

сравнить с экспериментальной;

- сделать выводы по полученным осциллограммам (кадры № 1-3).

Контрольные вопросы

- назовите способы представления аналоговой величины в импульсном виде.

- как преобразовать импульсы ШИМ в

аналоговый сигнал ?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.

ИИС на примере контроллера SSJKS4. Измерение частоты сигналов.

Цель работы: Практическая работа с контроллером SSJKS4. Измерение частоты входных сигналов.

Измерение частоты (Fxx) внешних сигналов с оптического датчика (оборотов двигателя).

В частотоизмерительной технике основополагающей характеристикой периодического

сигнала является период. Периодом T периодического сигнала называют наименьший интервал

времени

, через который регулярно последовательно повторяется произвольно выбранное мгновенное

значение u(t) периодического сигнала. Частота f периодического сигнала – физическая величина,

значения которой представляют обратные значения периода этого сигнала. Соотношение между

значениями частоты и периода определяется известной формулой

= (4)

Рис.29

Измерение периода периодического сигнала представляет частный случай общей задачи

измерения интервалов времени. Обычно измеряемый интервал Tx задан двумя импульсами

(рис.29,а): опорным (So) и интервальным (Si). По отношению к периоду периодического сигнала