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無線電子工学および電気工学の百科事典 複合メーターに新しいモードが追加されました。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
結合デバイス [1] の動作中に、そのマイクロコントローラー プログラムが大幅に改善されました。このプログラムの新しいバージョン 2.03 では、既存のものに加えて、入力信号の周波数を測定するモードとロジック アナライザーでの単一スイープをユーザーに提供します。新しい機能は純粋にソフトウェアで実装されており、デバイスのハードウェアに変更を加える必要はありません。 シングル掃引モードは機器のオシロスコープに最初から提供されていましたが、作者はロジック・アナライザにはそれを実装しませんでしたが、そこでも同様に便利でした。この欠落は、マイクロコントローラー プログラムの新しいバージョンで修正されました。 ここで、ロジック アナライザには、デバイスのオシロスコープと同様に、通常とシングルの 2 つのスキャン モードがあると言えます。これらは 2 つの例外を除いてほぼ同じです。まず、ロジック アナライザーは入力信号の電圧を測定しません。標準論理レベルの信号が検査されるため、この操作はここでは意味がありません。第二に、ロジック・アナライザー・モードで時間軸上の情報フレームの位置について画面に表示される追加情報は、オシログラムの領域と重ならず、その観察を妨げません。したがって、オフにすることは不要として実装されませんでした。 ロジックアナライザのシングルスキャンモードにおけるインジケータ画面のイメージ例を図に示します。 1.
アナライザの通常のスキャン モードから、「5」キーを押すとこのモードに入ります。以下の制御キーがそこで動作します。 "4" - フレームを左に (バッファの先頭に) 移動します。 "5" - 信号カウントに沿って移動を停止します。 「6」-フレームを右（バッファの終わり）に移動します。 "0" - 移動ステップの選択 (カウントまたはフレーム); "D" - シングル スイープ モードを終了します。 シングル掃引モードについては、[2] でオシロスコープに関連して詳しく説明されているため、完全な説明は省略します。 周波数測定モードに関しては、ATxmega ファミリのマイクロコントローラを使用していくつかのオプションを実装できます。単位時間あたりの測定信号の周期数の古典的な計算に加えて、このマイクロコントローラーのタイマーカウンターは入力信号のパルス繰り返し周期を直接測定できるため、繰り返し周波数の計算が容易になります。この方法の利点は測定時間が短いことですが、許容できる精度は数十 kHz を超えない周波数までしか維持されません。これに関して、デバイス内の信号周波数は、上記の古典的な方法を使用して測定されます。 その原理は単純です。 1 つのタイマーカウンターが測定時間間隔を形成し、XNUMX 番目のタイマーカウンターがこの間隔中の入力信号パルスをカウントします。測定間隔の継続時間が XNUMX 秒の場合、この時間中に XNUMX 番目のカウンターに蓄積された数値が信号周波数 (ヘルツ) になります。ただし、この方法を実装するには困難があります。 まず、ATxmega ファミリ マイクロコントローラ [3] のすべてのタイマー カウンタは 16 ビットです。これは、このようなカウンタで正しく測定される最大周波数は、カウント レジスタのオーバーフローによって制限され、216 - 1 = 65535 Hz に等しいことを意味します。マイクロコントローラー要素が最大 32 MHz の周波数まで動作することを考えると、これでは明らかに十分ではありません。 最大測定周波数を増やす最も簡単な方法は、測定間隔を減らすことです。たとえば、4 倍に減らすと、測定周波数の最大値が 4 倍に増加します。同時に、各パルスの「重さ」が 4 倍になるため、測定の離散性も同じ量だけ増加します。したがって、このパスは非現実的です。 入力信号パルスカウンタのビット深度を増やすだけで、測定分解能を上げることなく最大測定周波数の増加を実現できます。 ATxmega マイクロコントローラ アーキテクチャは、複数のタイマー カウンタを直列に接続できるようにすることで、この機会を提供します。 32 ビット カウンタを取得するには、16 つの 32 ビット タイマー カウンタを単純に組み合わせます。 2 秒あたり 1 ビット カウンタのオーバーフローは、4294967295 - 32 = XNUMX Hz の周波数でのみ発生する可能性があるため、この場合の測定周波数の上限は、マイクロコントローラー要素の周波数特性によってのみ制限され、XNUMX に等しくなります。 MHz。 第 2 に、入力信号をポート ラインからタイマー カウンタに「運び」、タイマー カウンタに広範囲の繰り返しレートでパルスをカウントさせる必要があります。 第三に、さまざまなタイプの予測できない計数エラーを回避するために、他のコンポーネントの動作に関係なく、計数プロセスに関与するすべてのマイクロコントローラー要素の厳密な同期動作を保証する必要があります。 ATxmega ファミリのマイクロコントローラで利用できる素晴らしいツールであるイベント システム [4] は、これらの困難を克服するのに役立ちます。その助けを借りて、動作に必要なすべての信号を生成し、それらを可能な限り最小限の、そして非常に重要なことに安定した遅延でソースからレシーバーに伝送することができます。 検討中のデバイスに実装された周波数メーターの機能図を図に示します。 2. I/O ポート ハードウェアを使用すると、各ラインの状態を分析し、変化した場合にイベントを生成できます。たとえば、入力信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジごとにイベントを生成します。タイマ カウンタは、マイクロコントローラの内部クロック パルスだけでなく、イベント信号もカウントできます。このことから、入力信号パルスのカウントがどのように構成されているかが明らかになります。
信号はライン PF3 に供給されます。これは入力として構成され、増加する信号差に基づいてイベントを生成します (各期間に 1 つのイベント)。タイマー カウンタ TCC3 は、イベント ルータのチャネル 4 経由で配信されるイベントに対してカウンタ モードで動作します。また、16 ビット カウンティング レジスタのオーバーフロー イベント (OVF) を生成し、ルーターのチャネル 1 に送信します。これらは、チャネル 16 経由で配信されるイベントの 4 ビット カウンタのモードで動作するように設定されたタイマ カウンタ TCDXNUMX によってカウントされます。 0 秒に 1 回、マイクロコントローラーの同期パルスをカウントするように構成されたタイマーカウンター TCF1 によって生成されるカウント間隔信号の終わりに、プログラムは TCC32 および TCDXNUMX カウンタータイマーの結果を XNUMX つの XNUMX ビットワードに「結合」し、その値を割り当てます。値を変数に代入します。次に、すべてのタイマー カウンタを再起動し、新しい周波数測定サイクルを開始します。 周波数測定モードの主な機能
周波数測定誤差の主な原因を考慮する必要があります。 1. マイクロコントローラーのクロック周波数の設定が不正確で、その結果、実際の測定間隔が XNUMX 秒と異なります。このエラーには、系統的エラーとランダムなエラーの XNUMX つの要素があります。 システマティック コンポーネントは、実際の平均クロック周波数と公称値の不一致の結果です。永久的なものなので補償も可能です。これを行う方法については以下で説明します。 誤差のランダム成分は、クロック ジェネレーターの周波数の変動によって発生します。それを引き起こす要因はかなりたくさんあります。これらは、電源電圧の不安定性や脈動、発電機要素の固有ノイズ、温度の影響などです。高級デバイスでは、そのような要因による悪影響を最小限に抑えるために、熱的影響を含むあらゆる範囲の対策が使用されます。クロックジェネレーターの安定化と振動保護。ただし、この種のエラーは減らすことができるだけであり、完全に排除することはできません。デバイスの元のコピーでは、± 0,001% を超えません。これは、5 MHz の周波数が ±50 Hz の誤差で測定されることを意味します。 2. 測定結果のサンプリング誤差。デジタル測定器を扱ったことがある人なら誰でもよく知っているものです。この誤差の原因は図のグラフで説明されています。 3. 時間軸上の測定間隔の境界の相対位置と、カウンタによって記録される測定信号の変化に応じて、カウント結果が 6 つ異なる場合があります。たとえば、図の場合、実際の繰り返し周波数は約 7 Hz（カウント間隔 6,6 秒）で 1 または 100 パルスをカウントできます。この効果は、測定された周波数とカウント間隔の間の任意の比率で持続します。測定が何度も繰り返されると、結果の最下位桁はサイクルごとに 0,5 つずつ「ジャンプ」します。この誤差の相対的な大きさは、測定された周波数に反比例して増加します。たとえば、XNUMX Hz 付近の周波数は、平均相対誤差 ±XNUMX% で測定されます。数メガヘルツ以上の周波数では、サンプリング誤差は無視できます。ここでは、測定間隔の持続時間のランダムな要素が優先されます。
周波数測定を実行するプログラム ブロックは、プログラム全体と同様に、BASCOM AVR プログラム開発システムで開発されました。周波数計モードに入ると、プログラムは周波数測定に関連するマイクロコントローラーの内部構造の要素を適切に設定します。 - 入力信号が受信される回線 PF3 は、増加する信号ドロップに基づいてイベントを生成する入力として設定され、イベント ルーターのチャネル 3 は、これらのイベントに関する信号を送信するように設定されます。 Portf_pin3ctrl=1 Evsys_ch3mux=&B01111011 - 0 秒続く測定間隔を生成するようにタイマーカウンター TCF1 を設定します。 config Tcf0=ノーマル、プリスケール=7 Tcf0_per = 31249 - PF1 行からルータのチャネル 3 を介して到着するイベントをカウントするように TCC3 タイマー カウンタを設定します。 config Tcc1=通常 Tcc1_ctrla =＆B00001011 Tcc1_ctrld =＆B00001011 ルーターのチャネル 4 - タイマーカウンター TCC1 のオーバーフローに関する信号を送信します。 Evsys_ch4mux=&B11001000 - ルーターのチャネル 4 からのイベントをカウントするようにタイマーカウンターを設定します。 config Tcd1=通常 Tcd1_ctrla =＆w00001100 Tcd1_ctrld=&w00011100 その結果、タイマー カウンタ TCC1 と TCD1 は単一の 32 ビット カウンタを形成します。これで、システムは測定信号の周期をカウントする準備が整いました。さらに、検討中の各デバイスは初期化直後に動作を開始するため、すでに進行中です。ただし、正しい結果を得るには、測定間隔の開始時にイベントのカウントをゼロから開始する必要があります。したがって、測定サイクルは、それに含まれる XNUMX つのタイマー カウンタをすべて同時にリセットすることによって開始する必要があります。 最高速度で動作するタイマ カウンタ TCC0 を再起動する瞬間を、測定間隔の開始 (タイマ TCF1 を再起動する瞬間) にリンクすることが特に重要です。 TCD1 タイマー カウンタの再起動の瞬間を測定間隔の開始と厳密に結び付けるという問題は、それほど差し迫ったものではありません。カウントする必要がある最初のイベントは、タイマー カウンタ TCC1 がオーバーフローした場合にのみ発生します。 マイクロコントローラーには複数のタイマーカウンターを同時に再起動する機能がありますが、それはイベントシステムを通じてのみ実装されます。タイマ カウンタ TCC1 はチャネル 3 からイベント信号を受信するように構成されており、再構成しないと他のチャネルからイベント信号を受信できないため、このケースでは使用できません。したがって、プロセッサのみがタイマ カウンタに再起動コマンドを発行でき、一度に XNUMX つだけコマンドを発行できます。 周波数測定サイクルは、測定自体とその結果の形成という 2 つの段階で構成されます。測定フェーズは、次の 5 行のプログラムで記述されます。 Tcf0_ctrlfset =＆B00001000 Tcc1_ctrlfset=&B00001000 Tcd1_ctrlfset =＆B00001000 ビットウェイトTcf0_intflags.0、セット Evsys_ch3mux=&B00000000 このフラグメントの最初の 0 行は、TCF1、TCC1、TCD1 の順序でタイマー カウンタを再起動します。したがって、タイマ カウンタ TCC0 は、タイマ カウンタ TCFXNUMX によってカウントされる測定間隔の開始時ではなく、Δt 遅れてイベントのカウントを開始します。1 この瞬間との関係 (図 4)。これは、プロセッサの TCC1 タイマー カウンタの再起動操作の継続時間と同じです。次に、同じ遅延で、プロセッサはタイマー カウンタ TCD1 を再起動し、その後、測定間隔の終了を待ち始めます。この瞬間が来ると、TCF0 タイマ カウンタは TCF0_JNTFLAGS レジスタの XNUMX 番目のビットにオーバーフロー割り込み要求フラグを設定します。
このフラグを検出すると、プロセッサは TCC1 タイマー カウンタがイベント (測定信号の周期) をさらにカウントすることを禁止する必要があります。これはさまざまな方法で実行できます。私たちの場合、測定フェーズの最後の操作は、単にイベント ルーターのチャネル 3 を無効にすることです。この操作には時間 Δt が必要です2 （図4）、その間、期間のカウントが継続します。 もしΔt2 ≠Δt1、カウントイベント（周波数測定）の実際の持続時間はΔtだけ異なります。2 -Δt1 測定間隔の所定の継続時間から、これにより測定誤差の別の要素が生じます。これを解消するには、これらの遅延を等しくする必要があります。ただし、高級言語 (BASCOM AVR を含む) で書かれたプログラムでは、プログラマは使用される言語構造をマシン コマンドに変換するためのアルゴリズムを知らないため、その期間の正確な値を決定することは困難です。したがって、実際のプログラムでは、タイマカウンタ TCC! を再起動するフラグメントと、測定間隔の終了を記録して TCC! を停止するフラグメントをアセンブリ言語で記述し、同じ実行時間が確保されるようにするための措置を講じます。これらの断片の。これにより、Δt が等しくなります。2 = Δt1 その結果、測定間隔の実際の期間が指定された期間と等しいことになります。 次に、マイクロコントローラーのクロック周波数と公称値の不一致に関連する系統誤差を除去するためにデバイスに実装される方法を検討します。上で述べたように、このような不一致の結果は、測定間隔の持続時間の要求値 1 秒からの偏差と、実際の周波数からの測定周波数値の比例偏差です。 まず第一に、この偏差を測定する必要があります。これを行うには、数メガヘルツの周波数を持つ標準信号発生器、または十分に安定した発生器と標準周波数計のセットが必要です。ジェネレータ信号は、デバイスのコネクタ X8 のソケット 3 と 5 (共通) に供給されます。 この記事に添付されている Osc-Volt-2_03.hex ファイルのコードは、デバイス マイクロコントローラーのプログラム メモリにロードされます。スイッチを入れると、デバイスは周波数計モードに切り替わり、基準発生器の周波数が測定されます。測定は 10 ～ 20 回繰り返す必要があり、その後、平均測定周波数値 F を計算する必要があります。改正。補正係数は次の式を使用して計算されます。 K=Fある/F改正, Fгдеある - 基準発生器の周波数。 K 係数をプログラムに入力するには、Osc-Volt-2_03.bas ファイル (プログラムのソース テキスト) でコメントアウトされた行を見つける必要があります。 補正：'Temp2 = Temp2 * 1.000004 見つけやすいように、「報酬:」というラベルが付いています。コメントを解除し、乗数 1.000004 (この値はデバイスの作成者のコピーに有効です) を補正係数 K の見つかった値に置き換える必要があります。この後、修正されたプログラムをコンパイルしてコードをロードする必要があります。生成された HEX ファイルからマイクロコントローラーのプログラム メモリにコピーされます。 すでに述べたように、周波数を測定する必要がある信号はデバイスのコネクタ X8 のソケット 5 に供給され、そこからマイクロコントローラーの PF3 入力に供給されます。マイクロコントローラが、そのレベルが 5 ボルトまたは 5 ボルトのロジックで受け入れられるレベルに対応する信号のみを正しく認識できることは明らかです。他の形状 (正弦波など) の信号の周波数を測定するには、追加のシェーパーが必要です。 [2] に記載されているコンパレータ プローブを使用すると、良好な結果が得られます。機器のコネクタX5に接続できます。ボードAから投稿するだけです！デバイスは、スロット 3,3 のこのコネクタ電圧 +5 または +XNUMX V を解放して、プローブに電力を供給します (指定された電圧値のいずれでも動作します)。図に示す図に従ってプローブを接続します。 XNUMX.
周波数カウンタモードでの計測器インジケータの画面図を図6に示します。 XNUMX。
このモードには、ロジック アナライザの通常モードから「LA」キーを押すことによって入ります。次のキーを押して、デバイスを周波数メーター モードから他のモードに切り替えます。 「OS」 - オシロスコープモードへ。 「LA」-ロジックアナライザモードへ。 「GN」 - 信号発生器モード。 マイクロコントローラ プログラムは、ftp://ftp.radio.ru/pub/2015/09/combi2-03.zip からダウンロードできます。 文学
著者: A. サフチェンコ
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