Аппаратная часть этого регистратора - АЦП, оснащённый скоростным каналом связи с компьютером по шине USB, реализованным с помощью программируемой логической микросхемы (ПЛИС). А разработанная автором компьютерная программа позволяет не только записать оцифрованный сигнал в файл, но и отобразить его осциллограмму, спектр и даже измерить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) фильтра или другого линейного устройства, на вход которого подан испытательный сигнал от встроенного в регистратор генератора.
В рассматриваемом регистраторе отсчёты исследуемого сигнала, которые АЦП берёт с частотой 960 кГц, поступают на вход ПЛИС, выполняющей преобразование параллельного кода АЦП в последовательный. В каждую группу из пяти передаваемых далее в преобразователь UART-USB восьмиразрядных байтов ПЛИС помещает четыре десятиразрядных кода АЦП. Далее информация передаётся по uSb в компьютер для обработки и хранения. Протокол связи с компьютером и другие функции в регистраторе реализованы с помощью микроконтроллера. Программируются ПЛИС и микроконтроллер через тот же преобразователь UART-USB, что используется для передачи информации.
Для работы с регистратором разработана в среде LabVIEW программа, реализующая приём информации, её отображение и хранение. Кроме того, в ней реализован алгоритм снятия АЧХ подключённой к регистратору внешней цепи на частотах от 0,1 Гц до 480 кГц. Отличительная особенность этого алгоритма - для оценки амплитудно-частотной характеристики исследуемой цепи используются гармоники частоты повторения прямоугольных импульсов, генерируемых микроконтроллером регистратора.
Поставленная задача разработать устройство для непрерывной передачи в компьютер в реальном масштабе времени отсчётов мгновенного значения напряжения в интервале от 15 до +15 В с частотой дискретизации 960 кГц и разрешением десять двоичных разрядов, в принципе, могла быть решена без ПЛИС с помощью АЦП и микроконтроллера со встроенным портом USB, работающим в режиме виртуального COM-порта. Однако скорость передачи информации при этом получилась бы недостаточно высокой. При использовании совместно с АЦП и микроконтроллером микросхемы преобразователя интерфейса UART-USB FT2232H, обеспечивающего передачу информации со скоростью 12 Мбит/с, возникает проблема поиска микроконтроллера, UART которого способен работать с такой скоростью. В итоге был выбран способ, отличающийся от предыдущего использованием ПЛИС, которая читает информацию, формируемую АЦП в параллельном коде, и преобразовывает её в последовательный формат, свойственный UART.
В устройстве использован десятиразрядный АЦП ADC10030 с параллельным выходом и максимальной частотой дискретизации 30 МГц. Результаты его работы принимает и обрабатывает ПЛИС EPM3064ALC44-10N, содержащая 64 программируемые логические макроячейки и 44 линии ввода-вывода.
Каждый отсчёт входного сигнала, формируемый АЦП, представляет собой десятиразрядный двоичный код, а преобразователь UART-USB FT2232H принимает информацию восьмиразрядными байтами. По этой причине в ПЛИС реализовано устройство, упаковывающее каждые четыре отсчёта в пять байтов. Далее оно снабжает каждый байт стартовым и стоповым разрядами и передаёт их последовательным кодом со скоростью 12 МБод в микросхему FT2232H для передачи в компьютер по интерфейсу USB.
Схема регистратора изображена на рис. 1. Он питается постоянным напряжением 7...9 В, поступающим с разъёма XP3 на интегральный стабилизатор DA6 7805, а с него при съёмной перемычке S4 в положении 1-2 - на стабилизатор напряжения 3,3 В LM1117-3.3 (DA7). Для удобства работы с прибором во время отладки предусмотрена возможность питать его от порта USB. Для этого съёмную перемычку S4 следует переставить в положение 2-3. Однако при штатной работе такое питание неприемлемо, поскольку напряжение, снимаемое с порта USB, зачастую заметно отличается от 5 В, что приводит к изменению масштаба преобразования исследуемого сигнала в АЦП.
Рис. 1. Схема регистратора
Генератор тактовой частоты 24 МГц для АЦП и ПЛИС построен на элементах микросхемы DD2 74HC04D и стабилизирован кварцевым резонатором ZQ2.
Для реализации протокола связи с компьютером, формирования дискретных сигналов и генерирования прямоугольных импульсов в регистратор введён микроконтроллер DD1 ATMega8A, работающий с тактовой частотой 16 МГц, заданной кварцевым резонатором ZQ1. Обмен информацией между компьютером и микроконтроллером происходит тоже с помощью микросхемы FT2232H (DD4), но по другому каналу. Для связи с ПЛИС и с микроконтроллером в опера-ционной системе работающего с регистратором компьютера должны быть организованы два виртуальных COM-порта.
Исследуемый сигнал подают через разъём XP1 на вход ступени на ОУ DA2 AD825ARZ, которая является инвертирующим ослабителем сигнала в 15 раз. Нулевой уровень на выходе ОУ DA2 можно смещать с помощью подстроеч-ного резистора R1. Таким образом выполняется приведение исследуемого сигнала к допустимому интервалу изменения входного напряжения АЦП.
ОУ DA2 питается напряжением +/-15 В, которое формирует из +5 В преобразователь постоянного однополярного напряжения в двухполярное AM1D-0515DH30Z (U1). Резисторы R19 и R20 - минимальная нагрузка преобразователя, необходимая для его пра-вильной работы. Переставив съёмные перемычки S1 и S2 из положения 2-3 в положение 1 -2, можно перейти на питание микросхемы DA2 внешним напряжением +/- 15 В, поданным на разъём XP4. При желании можно питать от преобразователя U1 внешние устройства с потребляемым током не более 35 мА.
Образцовые напряжения для АЦП DA5 формируют ОУ DA3.1 и DA3.2 по схеме, рекомендованной в описании АЦП. Параллельный код с выходов АЦП поступает на ПЛИС DD3, где выполняется его преобразование в последовательный код UART. Далее он поступает на микросхему DD4 FT2232H.
Разъём XP2 предназначен для управления внешними устройствами сигналами логического уровня 3,3 В по восьми каналам, кроме того, на этот разъём выведены постоянное напряжение 3,3 В и общий провод для возможности питания внешних устройств. Разъёмы XP5 и XP6 предназначены для программирования подключаемых к ним устройств с напряжением питания 3,3 В.
На разъём XP7 выведены напряжения 3,3 В, 5 В и общий провод для питания внешних устройств, импульсный сигнал частотой 24 МГц (тактовая частота АЦП и ПЛИС). Контакт 4 этого разъёма соединён с не используемым в описываемой версии прибора выводом 14 ПЛИС DD3.
К разъёму XP8 подключают светодиоды, сигнализирующие о режиме работы преобразователя:
HL1 - наличие напряжения питания;
HL2 - передача информации из микроконтроллера в компьютер;
HL3 - передача информации из компьютера в микроконтроллер;
HL4 - передача информации из ПЛИС в компьютер;
HL5 - передача информации из компьютера в ПЛИС;
HL6 - включён генератор прямоугольных импульсов;
HL7 - передача информации из ПЛИС разрешена микроконтроллером;
HL8 - ПЛИС передаёт информацию.
Чертёж проводников печатной платы показан на рис. 2 (сторона 1) и рис. 3 (сторона 2). Расположение элементов на этих сторонах платы - соответственно на рис. 4 и рис. 5. На плате предусмотрены места для не показанных на схеме элементов, из которых можно собрать П-образный входной аттенюатор или фильтр между разъёмом XP1 и резистором R4 и Г-образный фильтр между выходом ОУ DA2 и входом АЦП DA5. Для прохождения сигнала в отсутствие аттенюатора и фильтра вместо их последовательных элементов установлены перемычки для поверхностного монтажа. Ещё две перемычки заменяют резисторы, включаемые последовательно с резисторами R5 и R8 при необходимости точной подборки образцового напряжения АЦП.
Рис. 2. Чертёж проводников печатной платы
Рис. 3. Чертёж проводников печатной платы
Рис. 4. Расположение элементов
Рис. 5. Расположение элементов
Для ПЛИС DD3 в корпусе PLCC-44 на плате должна быть установлена панель. Интегральный стабилизатор DA6 закреплён на ребристом теплоотводе размерами 22x20x15 мм.
Продолжение следует...
Автор: В. Чайковский, г. Пенза