Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Выпрямленный ток первой ветви проходит через первую рамку логометра магнитоэлектрической системы, выпрямленный ток второй ветви – через вторую рамку логометра.

Отношение токов в параллельных ветвях обратно пропорционально отношению сопротивлений ветвей. Сопротивление первой ветви при изменении частоты от 45 до 55 Гц (пределы шкалы прибора) будет уменьшаться, сопротивление второй ветви от частоты не зависит.

Следовательно, как отношение сопротивлений параллельных ветвей, так и угол поворота подвижной части прибора зависят от частоты.

Для уменьшения погрешности, обусловленной несинусойдальностью формы кривой напряжения (высшие гармоники), прибор включается через фильтр.

1.3 Электромагнитный частотомер

Схема электромагнитного частотомера представлена на рисунке 1.4.

В одной параллельной ветви прибора соединены последовательно катушка логометра A₁, конденсатор C₁ и реактивная катушка L₁, которые настроены в резонанс при частоте f₁. Другая параллельная ветвь также состоит из катушки логомера A₂, конденсатора C₂ и реактивной катушки L₂, которые настроены в резонанс при другой частоте f₂.

На рисунке 1.5 даны кривые токов в катушках прибора в зависимости от частоты. Из приведенного рисунка видно, что при изменении частоты от f₁ до f₂ каждому значению частоты соответствует определенное отношение токов I₁/I₂, следовательно, и определенный угол поворота подвижной части прибора. Таким образом, представляется возможным на шкале прибора нанести значение частоты.

Рисунок 1.4 – Схема электромагнитного частотомера

Из приведенного рисунка так же видно, что некоторые отношения токов I₁/I₂, имеющие место в границах резонансных частот f₁ - f₂ (в границах шкалы прибора), могут иметь место и вне этих границ. Таким образом, у этих частотомеров могут быть области ложных значений.

Рисунок 1.5 – Токи в параллельных ветвях частотомера при разной частоте

1.4 Электродинамический частотомер

Примером применений электродинамического измерительного механизма для измерения частоты может служить частотомер, схема которого представлена на рисунке 1.6.

В приборе применен измерительный механизм электродинамического логометра.

Первая подвижная катушка Б₁ и последовательно соединенный с ней конденсатор C₁ образуют первую параллельную ветвь. Вторая подвижная катушка Б₂ и соединенные последовательно неподвижная катушка A, реактивная катушка L, конденсатор C₂ и добавочное сопротивление r_д образуют вторую параллельную ветвь прибора. Сопротивление r_щ является подгоночным.

Индуктивность L и емкость C₂ подобраны так, чтобы при некотором среднем значении частоты, измеряемой данным прибором, было выполнено условие резонанса.

В этом случае ток I_2рез совпадает по фазе с напряжением U и отстает от тока I₁ на 90°. Вследствие этого вращающий момент M₁, создаваемый токами, идущими по катушкам A и Б₁, равен нулю.

Рисунок 1.6 – Схема электродинамического частотомера

Под действием вращающего момента M₂, созданного током I₂, идущим по катушкам A и Б₂, катушка Б₂, повернется и займет положение, при котором энергия магнитного поля будет наибольшей, то есть когда оси магнитных потоков (катушек) совпадут.

При всяком изменении частоты от ее резонансного значения ток I₂ будет изменяться по величине и фазе. При этом увеличение частоты вызовет сдвиг тока I₂ от напряжения на угол одного знака, уменьшение частоты – на угол другого знака.

Частотомер включается в измеряемую цепь через автотрансформатор с номинальными первичными напряжениями 36 – 100 – 127 и 220 В. Класс его точности – 0,2. Пределы измерения частоты прибора ±10 % среднего значения. Приборы изготавливаются на разные средние значения частоты – от 50 до 1500 Гц.

1.5 Цифровой частотомер

Цифровой частотомер – измерительный прибор, который показывает значение измеряемой частоты электрического сигнала в десятичной форме. Частотомеры способны измерять значение частоты от нескольких колебаний в секунду (герц, Гц) до очень высоких частот порядка тысяч мегагерц (МГц). В частотомерах используются декадные счетчики. Принцип работы данного частотомера построен на использовании счетчика, который накапливает количество входящих импульсов за определенный период времени. После заданного периода, известного, как время затвора, значение счетчика передается на дисплей, и счетчик сбрасывается в ноль. Структурная схема данного частотомера представлена на рисунке 1.7.

Временные диаграммы на рисунке 1.9 дают точную иллюстрацию процессов внутри частотомера. Диаграмма А показывает, что на входе управления запуском/остановкой счетчиков сначала (слева на диаграмме) действует уровень логического 0, затем этот вход точно на 1 секунду переходит в состояние логической 1 и затем вновь возвращается к логическому 0. На диаграмме В показана непрерывная цепочка импульсов неизвестной частоты, поступающих на измерительный вход частотомера.

Рисунок 1.7 – Структурная схема частотомера

Состояние входа управления запуском/остановкой счетчиков и измерительного входа связаны с логической операцией «И», на рисунке 1.8 представлена таблица истинности элемента «И». На диаграмме С показаны только те импульсы, которые прошли через логический элемент «И». Эти импульсы переключают счетчики. Диаграмма D дает временную развертку десятичных чисел, последовательно появляющихся на индикаторах. Обратите внимание, что «счет» на индикаторах начинается из состояния 00 (в исходном состоянии индикаторы очищены). Затем в течении 1 секунды они успевают «сосчитать» до 11. Значение частоты измеряемого сигнала (представленного на рисунке 1.9) равно, следовательно, 11 Гц (11 импульсов/с).

Рисунок 1.8 – Элемент «И» и его таблица истинности

Рисунок 1.9 – Временные диаграммы при измерении частоты 11 Гц

1.6 Анализ средств измерения

Рассмотрев данные виды частотомеров, можно понять, что цифровой частотомер не ограничивается рамками определенной шкалы, а так же номинальным напряжением, как другие, рассмотренные ранее. Настроив схему управления по-другому, начать счет частоты можно не с 0, а с 10 и так далее, тем самым увеличив подсчет частоты до огромных величин. Текстолитовые платы, на которых строятся цифровые частотомера – имеют сложную структуры и занимают приличное количество места, поэтому для уменьшения занимаемого пространства мы воспользуемся микроконтроллером, который выполняет функции подсчета, схемы управления и контроля динамической индикации.

2 МИКРОКОНТРОЛЛЕР PIC18F452

2.1 Историческая часть

Первый микропроцессор был создан в 1970 году, представлен на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Первый массовый микропроцессор

Это было удивительное устройство. Впервые удалось поместить ЦП компьютера на отдельный кристалл, то есть впервые появился компьютер маленьких размеров по низкой цене. Сперва некоторые рабочие средства, такие как память и интерфейсы ввода-вывода, были реализованы вне микропроцессора, и рабочая система по-прежнему должна была состоять из большого числа микросхем. Постепенно микропроцессоры становились все более самодостаточными и уже могли содержать на том же кристалле разные типы памяти. В то же время центральный процессор становился все более мощным и быстродействующим и очень скоро превратился из 8-разрядного в 16- и 32-разрядное вычислительное устройство. Со временем люди поняли, что микропроцессоры можно использовать для управления и контроля за многими устройствами. Поэтому появилась отдельная категория микропроцессоров, которая предназначалась для контроля за определенными действиями, а не для обработки больших чисел. Спустя некоторое время эти микропроцессоры приобрели собственную идентичность и стали называться микроконтроллерами.

2.2 Генераторы синхроимпульсов

Для надежной и устойчивой работы любого микроконтроллера необходим стабильный тактовый сигнал – непрерывная последовательность прямоугольных логических импульсов фиксированной частоты. Быстродействие и потребление электрической энергии микроконтроллером напрямую зависит от тактовой частоты генератора: чем она больше, тем выше скорость выполнения операций и расход электроэнергии соответственно. Наряду с этим от тактового сигнала зависят и другие важные функции микроконтроллера, связанные с синхронизацией: счетчик/таймер, аналого-цифровой преобразователь, интерфейсы последовательного обмена данными и др. Каждый микроконтроллер имеет заданный диапазон возможных значений тактовой частоты, который приводится в документации к конкретному семейству и типу микроконтроллера.

Семейство микроконтроллеров PIC18 может быть сконфигурировано на работу в четырех различных режимах синхронизации:

- режим LP – это режим низкой мощности, который предназначен для использования низкочастотных кварцевых генераторов. При этом режиме обеспечивается самое низкое потребление электрической энергии;

- режим XT – это режим использования кварцевых кристаллов или керамических резонаторов в стандартной конфигурации, предназначенных для работы в диапазоне от 1 до 4 МГц;

- режим HS – это режим высокой скорости, представляющий собой более напряженный вариант режима XT. Этот режим предназначен для кварцевых генераторов или керамических резонаторов, работающих в диапазоне частот выше 4 МГц. При этом режиме наблюдается самое высокое потребление электрической энергии;

- режим RC – это режим резистивно-конденсаторной схемы. Применяется в основном в устройствах, в которых не требуется высокая точность синхронизации. Частота такой RC цепи зависит от номиналов резистора и конденсатора, а также напряжения питания и температуры.

Ряд микроконтроллеров семейства PIC18 имеет возможность во время работы переключаться между несколькими источниками тактовой частоты неограниченное число раз. Благодаря этому МК может работать быстрее в моменты востребованной интенсивной активности и более медленно – при снижении уровня активности. Эта возможность микроконтроллера становится наиболее актуальной, когда питание МК реализуется от автономного источника электрической энергии.

2.3 Сторожевой таймер WDT

При работе микроконтроллера в условиях сильных импульсных помех и высокочастотных наводок возможны непредсказуемые сбои в работе различных модулей МК, а также «зависание» программы. Для исключения аппаратных сбоев при работе микроконтроллеров используют сторожевой таймер, который при нормальной работе МК периодически обнуляется, не допуская тем самым сброс процессора. Когда происходит сбой в работе МК, сторожевой таймер перестает программно обнуляться, после его переполнения осуществляется сброс процессора и повторная инициализация устройства. Включение и отключение сторожевого таймера выполняется при помощи программатора, установкой или сбросом бита конфигурации WDTE.

2.4 Порты ввода/вывода

Огромное множество разнообразных серий микроконтроллеров PIC содержат различное количество портов, состоящих из определенного числа выводов, с помощью которых МК может осуществлять прием и передачу цифровых сигналов от одного до восьми бит данных. Указание направления передачи данных через любой канал ввода/вывода задается программно и может быть изменено в любой момент времени. Некоторые каналы портов ввода/вывода мультиплексированы с дополнительными функциями периферийных модулей МК (АЦП, ШИМ, SPI, I2C, USART и др.).

Входные буферы всех портов выполнены по схеме триггера Шмитта. Также для ряда входов имеется возможность подключения внутреннего подтягивающего резистора между входом и шиной питания.

Выходные буферы всех портов имеют симметричные нагрузочные характеристики и обеспечивают высокую нагрузочную способность при различном уровне сигнала.

Обращение к портам осуществляется через регистры ввода/вывода. В адресном пространстве микроконтроллера под каждый порт ввода/вывода зарезервировано по три адреса, по которым размещены следующие регистры:

- TRISx – регистр выбора направления данных в каналах порта ввода/вывода;

- PORTx – регистр порта;

- LATx – защелка порта ввода/вывода, необходимая при использовании команд со структурой «чтение – модификация – запись».

При подстановке канала порта вместо символа «х» получаются действительные названия регистров. Например, регистры порта А называются TRISA, PORTA, LATA, порта В – TRISB, PORTB, LATB и т.д. Микроконтроллер PIC18F452, используемый в лабораторной работе, содержит пять портов: A, B, C, D, E.

Каждый бит регистра TRISx определяет направление передачи данных через канал ввода/вывода. Если бит установлен в 1, то вывод порта является входом, если же сброшен в 0 – выходом. Например, для того чтобы разряды 6 и 7 порта С были выходами, а все остальные – входами, в регистр TRISC необходимо записать значение 0b'00111111' (рисунок 2.2).

Биты регистра PORTx при конфигурации канала вывода как выхода (TRISx = 0b'00000000') определяют состояние вывода порта. Если бит сброшен в 0, то на выводе устанавливается напряжение низкого уровня. Если бит установлен в 1, то на выводе устанавливается напряжение высокого уровня.

Рисунок 2.2 – Регистры TRISC и PORTC

2.5 Прерывания

Во время работы микроконтроллер должен постоянно взаимодействовать с различными внешними событиями, которые требуют незамедлительной реакции микроконтроллера. Чтобы с этими событиями разобраться, используется функция прерывания.

Характеристики

Список файлов ВКР