Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах. Автоматизация измерительной установки - Цифровые устройства - Скачать бесплатно
[pic]
где (0 - относительная погрешность по частоте внутреннего кварцевого,
генератора или внешнего источника, используемого вместо внутреннего
генератора;
fизм – измеряемая частота, Гц;
tcч – время счета, с.
3. Номинальное значение частоты кварцевого генератора - 5 МГц. Пределы
корректировки частоты кварцевого генератора при выпуске прибора не менее
±5•10-7 относительно номинального значения частоты.
Действительное значение частоты кварцевого генератора при выпуске прибора
установлено с погрешностью в пределах ±2•10-8 относительно номинального
значения частоты после времени установления рабочего режима.
4. Максимальная относительная погрешность по частоте кварцевого генератора
после времени установления рабочего режима не должна быть более:
± 1.5(10-7 в течение 1 месяца;
±2.5(10-7 в течение 6 месяцев;
±5(10-7 в течение 12 месяцев,
Время 1, 6 и 12 месяцев отсчитывается с момента установки действительного
значения частоты с погрешностью в пределах ±2(10-8.
5. Относительное изменение среднего значения частоты выходного сигнала
кварцевого генератора за 1 сутки в пределах:
после времени установления рабочего режима ±2(10-8;
после 24 часов непрерывной работы ± 1(10-8;
после 72 часов непрерывной работы ±5(10-8.
6. Среднеквадратическая относительная случайная вариация частоты кварцевого
генератора при окружающей температуре, поддерживаемой с точностью ±1°С,
после времени установления рабочего режима не должна быть более:
±1(10-10 за 1 с;
±1(10-10 зa 10 с;
±3(10-9 за 1 ч.
7. Температурный коэффициент частоты кварцевого генератора в пределах:
±1(10-9 на 1°С (для приборов с приемкой представителя заказчика);
±3(10-9 на 1°С (для остальных потребителей).
8. Прибор измеряет по ВХОДУ Б единичный и усредненный (коэффициент
усреднения равен 10, 102, 103 и 104) период сигналов синусоидальной, и
импульсной формы любой полярности при длительности импульсов не менее 0.1
мкс в диапазоне частот от 0 до 1 МГц. Напряжение входного сигнала:
от 0.1 до 100 В эфф. для сигнала синусоидальной формы;
от 0.3 до 100 В для сигнала импульсной формы.
9. Относительная погрешность измерения периода (т синусоидальных сигналов
должна быть в пределах значений, рассчитанных по формуле:
[pic]
где (0 - относительная погрешность по частоте внутреннего кварцевого,
генератора или внешнего источника, используемого вместо внутреннего
генератора;
n - число усредняемых периодов (множитель периода);
Ттакт - период частоты заполнения (метки времени);
Тизм - измеряемый период;
(з - относительная погрешность уровня запуска, определяемая по
формуле:
[pic]
где Uш - амплитуда шумового сигнала, В;
Uc - амплитуда входного сигнала, В.
Значения относительной погрешности (з в зависимости от
соотношения [pic]приведены ниже
| |20 |40 |60 |
|[pic], дБ | | | |
|(з |3(10-2 |3(10-3 |3(10-4 |
Относительная погрешность измерения периода импульсных сигналов при
длительности фронтов импульсов не более половины периода сигнала заполнения
- в пределах значении, определяемых по формуле:
[pic]
10. Прибор измеряет отношение частот электрических сигналов.
Диапазон высшей из сравниваемых частот (ВХОД А) от 10 Гц до 150 МГц.
Диапазон низшей из сравниваемых частот (ВХОД Б) от 0 до 1 МГц.
Напряжение и форма входных сигналов соответствуют приведенным в пп. 1 и
8.
11. Относительная погрешность измерения отношения частот [pic] - в пределах
значении, определяемых по формуле:
[pic]
для сигнала низшей (f2) из сравниваемых частот синусоидальной формы или
импульсного сигнала при длительности фронтов более половины периода
высшей (f1) из сравниваемых частот и в пределах значений, определяемых
по формуле:
[pic]
для импульсного сигнала низшей из сравниваемых частот с длительностью
фронтов не более половины периода высшей из сравниваемых частот.
12. Прибор производит по ВХОДУ А счет числа (суммирование) электрических
колебаний в диапазоне частот от 0 до 150 МГц за время, устанавливаемое
вручную.
Напряжение и форма входного сигнала соответствуют п. 1.
13. Прибор измеряет по ВХОДАМ В и Г интервал времени в диапазоне от 0.1 мкс
до 105 с при внутренних частотах заполнения 103, 104, 105, 106, 107 и 108
Гц, частота внешнего сигнала заполнения от 0 до 150 МГц.
Напряжение входного сигнала импульсной формы соответствует приведенному в
п. 8.
14. Относительная погрешность измерения интервалов времени при длительности
фронтов измеряемых импульсов не более половины периода сигнала заполнения
не должна превышать значения, определяемого по формуле:
[pic]
где (0 - относительная погрешность частоты кварцевого генератора или
внешнего источника, используемого вместо внутреннего кварцевого
генератора;
(изм - измеряемый интервал, мс;
и при длительности фронтов более половины сигнала заполнения не должна
превышать значения, определяемого по формуле:
[pic]
где (ф1, (ф2 - длительность фронтов импульсов, определяющих начало и
конец счета, мс.
15. Входное сопротивление и входная емкость прибора по ВХОДАМ А и Б не
менее 1 МОм и не более 70 пФ.
При нажатой кнопке «50 (» входное сопротивление прибора по ВХОДУ А - 50
Ом.
16. Прибор измеряет в режиме КОНТРОЛЬ собственные опорные частоты 1, 10,
100 кГц, 1, 10, 100 МГц с целью проверки работоспособности прибора.
17. Прибор обеспечивает непосредственный отсчет результатов измерения в
цифровой форме с индикацией единиц измерения (MHz, KHz, mS, (S),
переполнения (П), децимальной точки. В режиме ПАМЯТЬ прибор обеспечивает
хранение результата измерения на время цикла измерения.
18. Время счета прибора при измерении частоты по ВХОДУ А 10-3, 10-2, 10-1,
1 и 10 с. При измерении частоты по ВХОДУ Д время счета удваивается.
19. При автоматическом пуске прибор обеспечивает возможность плавной
установки времени индикации результатов измерения от 0.1 до 5 с; с
допустимым отклонением +50% от указанных величин; при ручном и внешнем
пуске время индикации неограниченное.
20. Прибор делит по ВХОДУ Б частоту входного сигнала в диапазоне от 0 до 1
МГц с коэффициентом деления 1, 10, 102, 103 и 104.
Напряжение и форма входного сигнала соответствуют приведенным в п. 8.
Форма выходного сигнала - положительный импульс длительностью не менее
0.1 мкс, амплитудой не менее 2 В на нагрузке 10 кОм.
21. Прибор выдает сигналы опорных частот: 0.1; 1, 10, 100 Гц, 1, 10, 100
кГц, 1 и 10 МГц, имеющие форму положительных импульсов со скважностью не
более 5 и амплитудой не менее 2 В на нагрузке 10 кОм; 5 и 50 МГц
напряжением; не менее 0.5 В на нагрузке 1 кОм на конце кабеля
соединительного (4.850.597-21). Форма сигнала - близкая к синусоидальной.
22. Прибор работает от внешнего источника опорной частоты 5 МГц ±100 Гц
напряжением от 0.5 до 3 В на нагрузке 100 Ом вместо внутреннего
кварцевого генератора.
23. Прибор выдает на регистрирующее устройство информацию о значении
измеряемой величины в потенциальном виде в параллельном двоично-
десятичном коде 8-4-2-1 с уровнями напряжений на нагрузке 10 кОм;
от +2,4 до +4,5 В - логическ. «1»;
от 0 до +0,5 - логическ. «0».
24. Прибор принимает внешний сигнал запрета работы напряжением от 0 до +0.4
В.
25. После окончания счета прибор выдает командный сигнал для запуска
регистрирующего устройства - положительный перепад напряжением с уровнями
логического «0» от 0 до +0.5 В, логической «1» от +2.4 до +4.5 В на
нагрузке10 кОм.
26. Прибор имеет автоматический, ручной и внешний сброс-пуск. Внешний сброс-
пуск осуществляется импульсом положительной полярности, амплитудой от
+2.4 до +4.5 В, на нагрузке 10 кОм, длительностью не менее 10 мкс при
крутизне фронта не менее 0.5 В/мкс.
27. Прибор обеспечивает возможность дистанционного управления
переключателями: РОД РАБОТЫ, ВРЕМЯ СЧЕТА-МНОЖИТЕЛЬ, МЕТКИ ВРЕМЕНИ, «50
(», «1V/10V», БЛОК, «150 MHz;/5 MHz», а также уровнями срабатывания
усилителей по ВХОДУ А и ВХОДУ Б.
28. Прибор обеспечивает свои технические характеристики после времени
установления рабочего режима, равного 2 ч. Время готовности прибора без
гарантированной погрешности частоты внутреннего кварцевого генератора или
работе с внешним источником опорной частоты - не более 1 мин; при работе
прибора в интервале температур от 263 до 243 К (от минус 10 до минус
30°С) - не более 10 мин.
29. Питание прибора осуществляется от сети переменного тока напряжением
(220±22) В частотой (50±0.5) Гц, (220±11) или (115 ± 6) В частотой (400-
12+28) Гц. Допустимое содержание гармоник до 5%.
30. В приборе обеспечена возможность автоматического подключения цепи
питания кварцевого генератора к внешнему источнику постоянного напряжения
+(27±3) В с потребляемым током не более 0.37 А.
31. Мощность, потребляемая прибором от сети при финальном напряжении, не
превышает 100 ВА.
32. Прибор сохраняет свои технические характеристики в течение 16 ч
непрерывной работы.
33. Нормальные условия эксплуатации:
температура окружающей среды - (293±5)К (20±5) 0С;
относительная влажность воздуха - (65±15)%;
атмосферное давление - (100±4) кПа (750±30) мм рт. ст.
34. Рабочие условия эксплуатации:
температура окружающей среды - от 243 до 323 К (от минус 30 до плюс
50°С);
повышенная влажность - до 98% при температуре до 308K (+35°C);
атмосферное давление - (100±4) кПа (750±30) мм рт. ст.
35. Предельные условия:
температура окружающей среды - от. 223 до 338 К (от минус 50 до +65°С);
пониженное атмосферное давление – 61.33 кПа (460 мм рт. ст.). После
пребывания в предельных условиях время выдержки прибора в нормальных
условиях не менее 2 часов.
36. Габаритные размеры прибора 490х136х480 мм. Масса прибора (без упаковки)
не более 16 кг.
37. Наработка на отказ прибора - не менее 3000 ч
38. Средний срок службы прибора - не менее 10 лет. Средний ресурс - не
менее 10000 часов.
Сопряжение частотомера с ЭВМ
Особенности задачи
Одной из задач данной диссертации является повышение автоматизации
установки, то есть сопряжение ее ЭВМ.
Задачей сопряжения было получение и обработка выходного сигнала
частотомера на терминале ЭВМ. Так как частотомер не имел интерфейса для
непосредственного сопряжения его с ЭВМ, встала необходимость преобразования
выходного сигнала, представленного в параллельном двоично-десятичном коде 8-
4-2-1 в последовательный код, приемлемый для интерфейса RS-232C ЭВМ.
Выбор в пользу применения интерфейса RS-232C обусловлен наличием
следующих факторов:
. относительная удаленность объекта обмена информацией (внешнего
устройства) от компьютера (стандартом оговорена длина кабеля до 15 м при
наличии общего контура заземления, однако во многих практических случаях
она может быть существенно увеличена, хотя и с некоторым снижением
рабочих скоростей);
. сравнительно (по отношению к параллельным методам и локальным
вычислительным сетям) невысокая скорость обмена данными (максимально
возможная скорость передачи данных стандартного последовательного порта
компьютера составляет 115200 бит/сек, что ограничивает скорость обмена
величиной около 10 Кбайт/сек);
. применение стандартного интерфейса для подключения к компьютеру без его
вскрытия.
Далее приведена информация, пользуясь которой разработчик сможет
осуществить сопряжение проектируемого устройства с компьютером при помощи
интерфейса RS-232C
Интерфейс RS-232C предназначен для подключения к компьютеру
стандартных внешних устройств (принтера, сканера, модема, мыши и др.), а
также для связи компьютеров между собой. Основными преимуществами
использования RS-232C по сравнению с другими интерфейсами являются
возможность передачи на большие расстояния и гораздо более простой
соединительный кабель. В то же время работать с ним несколько сложнее.
Данные в RS-232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт
обрамляется стартовым и стоповыми битами. Данные могут передаваться как в
одну, так и в другую сторону (дуплексный режим).
Компьютер имеет 25-контактный (DB25P) или 9-контактный (DB9P) разъем
для подключения RS-232C. Назначение контактов разъема приведено в таблице
1.
|Цепь |Контакт (25-контактный |Контакт (9-контактный |I/O |
| |разъем) |разъем) | |
|FG |1 |' |- |
|-TxD |2 |3 |0 |
|-RxD |3 |2 |I |
|RTS |4 |7 |0 |
|CTS |5 |8 |I |
|DSR |6 |6 |I |
|SG |7 |5 |- |
|DCD |8 |1 |I |
|DTR |20 |4 |0 |
|RI |22 |9 |I |
Таблица 1 Назначение контактов разъемов интерфейса RS-232C
(I - входной сигнал компьютера, О - выходной сигнал).
Назначение сигналов следующее.
FG - защитное заземление (экран).
-TxD - данные, передаваемые компьютером в последовательном коде (логика
отрицательная).
-RxD - данные, принимаемые компьютером в последовательном коде (логика
отрицательная).
RTS - сигнал запроса передачи. Активен во все время передачи.
CTS - сигнал сброса (очистки) для передачи. Активен во все время передачи.
Говорит о готовности приемника.
DSR - готовность данных. Используется для задания режима модема.
SG - сигнальное заземление, нулевой провод.
DCD - обнаружение несущей данных (детектирование принимаемого сигнала).
DTR - готовность выходных данных.
RI - индикатор вызова. Говорит о приеме модемом сигнала вызова по
телефонной сети.
Наиболее часто используются трех- или четырехпроводная связь (для
двунаправленной передачи). Схема соединения для четырехпроводной линии
связи показана на рис. 4
Для двухпроводной линии связи в случае только передачи из компьютера
во внешнее устройство используются сигналы SG и TxD. Все 10 сигналов
интерфейса задействуются только при соединении компьютера с модемом.
Формат передаваемых данных показан на рис. 5. Собственно данные (5, 6,
7 или 8 бит) сопровождаются стартовым битом, битом четности и одним или
двумя стоповыми битами. Получив стартовый бит, приемник выбирает из линии
биты данных через определенные интервалы времени. Очень важно, чтобы
тактовые частоты приемника и передатчика были одинаковыми (допустимое
расхождение - не более 10%). Скорость передачи по RS-232C может выбираться
из ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600,
115200 бит/с.
[pic]
Рисунок 4 Схема 4-проводной линии связи для RS-232C.
Все сигналы RS-232C передаются специально выбранными уровнями,
обеспечивающими высокую помехоустойчивость связи (рис. 6). Отметим, что
данные передаются в инверсном коде (логической единице соответствует низкий
уровень, логическому нулю - высокий уровень).
Для подключения произвольного УС к компьютеру через RS-232C обычно
используют трех- или четырехпроводную линию связи (см. рис. 4), но можно
задействовать и другие сигналы интерфейса.
[pic]
Рисунок 5 Формат передаваемых данных
[pic]
Рисунок 6 Уровни сигналов RS-232C на передающем и принимающем концах линии
связи.
Обмен по RS-232C осуществляется с помощью обращений по специально
выделенным для этого портам СОМ1 (адреса 3F8h...3FFh, прерывание IRQ4),
COM2 (адреса 2F8h...2FFh, прерывание IRQ3), COM3 (адреса 3E8h...3EFh,
прерывание IRQ10), COM4 (адреса 2E8h...2EFh, прерывание IRQ11). Форматы
обращений по этим адресам можно найти в многочисленных описаниях микросхем
контроллеров последовательного обмена UART (Universal Asynchronous Receiver
Transmitter), например, i8250, KP580BB51.
Ввиду приведенных выше достоинств и недостатков различных способов
подключения было принято решение остановиться на использовании именно
последовательного интерфейса RS-232C.
Постановка задачи сопряжения
При использовании интерфейса RS-232C задача сопряжения объекта обмена
информацией с компьютером обычно формулируется следующим образом: требуется
обеспечить связь с удаленным контроллером, обслуживающим технологическую
или лабораторную установку. Именно этот контроллер играет в данном случае
роль УС.
Чаще всего такой контроллер представляет собой микроЭВМ, имеющую
собственную магистраль и набор внешних устройств, осуществляющих передачу
входных сигналов с разнообразных датчиков и выдачу управляющих воздействий
на органы управления. Для нас существенным моментом является наличие в
контроллере процессора, обрабатывающего информацию, представленную в
параллельной форме, и магистрали, обеспечивающей взаимодействие различных
его узлов. Если же требуется организовать сопряжение с устройством, не
имеющим собственного интеллекта, задача сразу же существенно усложняется и
часто становится практически невыполнимой. Поэтому в таком случае стоит
подумать о выборе других путей сопряжения.
Этапы преобразования сигналов интерфейса RS-232C на пути от компьютера
к микропроцессору удаленного контроллера достаточно очевидны и
проиллюстрированы рис. 7. Здесь и далее мы считаем, что для сопряжения
через RS-232C используется наиболее распространенная простейшая 4-проводная
линия связи.
Блок преобразователей уровня обеспечивает электрическое согласование
уровней сигналов последовательного интерфейса, формируемых контроллером,
входящим в состав компьютера (±12 В), с уровнями сигналов, присутствующими
в микропроцессорной системе (здесь и далее предполагаем, что в
микропроцессорной системе действуют уровни ТТЛ).
[pic]
Рисунок 7 Организация сопряжения через интерфейс RS-232C.
Блок преобразователя кода переводит последовательное представление
информации в параллельное и наоборот, осуществляя распознавание начала и
конца посылки, синхронизацию приема-передачи битов кадра, слежение за
наличием ошибок, информирование о готовности к выполнению операций и т. п.
Интерфейс шины обеспечивает сопряжение преобразователя кода с
локальной магистралью микропроцессорной системы, осуществляя
двунаправленную передачу данных в соответствии с алгоритмами и временными
соотношениями, принятыми в ней.
Преобразование уровня
Для преобразования уровня сигналов считается целесообразным применение
интерфейсной микросхемы фирмы MAXIM. Она содержит преобразователь
напряжения +5В в напряжение +10В (генератор + умножитель напряжения),
инвертор (преобразующий напряжение +10В в –10В) и собственно
преобразователи уровня сигналов последовательного интерфейса. Большинство
таких микросхем требуют дополнительных элементов (необходимы внешние
конденсаторы), что не является чрезмерной платой за преимущества их
применения.
Преобразование кода
Наиболее просто проблема разрешается в том случае, если в качестве
центрального процессора удаленного контроллера применена однокристальная
микроЭВМ, уже содержащая Универсальной асинхронный приемопередатчик (УАПП).
В качестве примера такой микроЭВМ, можно использовать микросхему
КР1816ВЕ51. Построение преобразователя кода в данном случае сводится к
задействованию встроенного ресурса в соответствии со спецификациями на
примененную микросхему.
Однокристальная микроЭВМ (ОМЭВМ) содержит встроенное ОЗУ памяти данных
емкостью 128 Байт с возможностью расширения общего объема оперативной
памяти данных до 64 КБайт за счет использования внешних микросхем ОЗУ.
Условное графическое обозначение ОМЭВМ показано на рис. 8, а
назначение выводов приведено в табл. 2.
|№ вывода |Обозначение |Назначение |Тип |
|1 – 8 |P1.0 – P1.7 |8-разрядный
|
