Система ПЭВМ IBM PCAT автоматический фазометр (стр. 1 из 4)
Национальный Технический Университет Украины
«Киевский Политехнический институт»
Курсовая работа по курсу:
«Специализированные и промышленные микропроцессорные системы»
тема: «Система ПЭВМ IBMPC/AT – автоматический фазометр»
Киев 2009
Содержание
Введение
Выбор структуры автоматического фазометра
Расчет блока питания
Расчетная часть
Описание алгоритма программы для МК
Программа для МК
Описание алгоритма программы для ПК
Программа для ПК
Выводы
Схема электрическая принципиальная
Введение
Фазометр - это устройство, которое измеряет разность фаз между эталонным и исследуемым гармоническими сигналами.Фазой гармонического напряжения U(t)=Umsin(щt+ц0) называется аргумент функции U(t), описывающей колебательный процесс. Фаза гармонического напряжения является линейной функцией времени. Угол сдвига фаз представляет собой модуль разности фаз двух гармонических сигналов U1(t) bU2(t) одинаковой частоты. Таким образом, если U1(t)=U1msin(щt+ц1), a U2(t)=U2msin(щt+ц2), то согласно определению угол сдвига фаз Дц равен Дц=|ц1 - ц2|. Если ц1 и ц2 постоянны во времени, то Дц+ от времени не зависит. При Дц = 0 гармонические напряжения называются синфазными, при Дц = ±р - противофазными. Выбор метода измерения угла сдвига фаз зависит отдиапазона частот, амплитуды сигнала и, главным образом, от требуемой точности измерения. Измерение угла сдвига фаз может выполняться как методом непосредственной оценки, так и методом сравнения. Результат измерения выражается либо в градусах, либо в радианах. Измерительные приборы, специально предназначенные для измерения угла сдвига фаз, называются фазометрами.
В основе работы цифровых фазометров всех систем лежит принцип преобразования измеряемого угла сдвига фаз во временной интервал, длительность которого пропорциональна значению измеряемой величины. Длительность временного интервала определяется при этом методом дискретного счета непосредственно, или с промежуточным преобразованием длительности временного интервала в пропорциональное ему значение величины напряжения постоянного тока.
Фазометры с непосредственным преобразованием значения длительности временного интервала в код в свою очередь подразделяются на две группы: с измерением за один период входных напряжений и с измерением за несколько периодов входных напряжений. Фазометры первой группы называются фазометрами мгновенного значения, а второй группы - фазометрами среднего значения. Фазометры среднего значения, называемые также фазометрами с постоянным временем измерения, благодаря хорошим характеристикам получили наибольшее распространение.
Выбор структуры автоматического фазометра
Для нахождения фазы сигнала проще всего измерять время между прохождением эталонного и измеряемого сигналов через ноль t±. При этом зная частоту измеряемого сигнала можно найти его фазу исходя из следующей формулы:
(1),где t± - время между прохождением эталонного и измеряемого сигнала через ноль, f – частота измеряемого сигнала, множитель 360 переводит безразмерную величину в градусы.
Исходя из того, что данные измерений следует передавать в компьютер через COM-порт, то фазометр будет содержать микроконтроллер, так как с помощью него наиболее просто реализовать связь с компьютером по интерфейсу RS-232.
Также микроконтроллер можно использовать для измерения фазы, так как почти каждый микроконтроллер имеет интегрированный таймер-счетчик. Возможность этого нужно проверить исходя из поставленного задания, а именно – максимальных частоты сигнала fmax=100кГц и погрешности измерения фазы д=0.2%. Используя эти данные можно определить минимальное время, которое необходимо измерять, чтобы выполнить вышеуказанные условия. Это время находится по формуле:
нс (2).Для измерения такого времени микроконтроллер должен обладать таким же или меньшим временем цикла. При этом он должен иметь частоту f=50·n МГц, где n – количество тактов в машинном цикле микроконтроллера, то есть как минимум 50 МГц (микроконтроллеры с RISC архитектурой). Микроконтроллеры с такой частотой очень дороги и их нецелесообразно использовать для данной задачи. Поэтому для измерения фазы следует использовать отдельный таймер и генератор прямоугольных импульсов с тактовой частотой 50 МГц или выше, при этом требования к микроконтроллеру по времени цикла смягчаться. В данном случае микроконтроллер, раз за период сигнала, фаза которого измеряется, должен считать со счетчика данные. Так как максимальная частота сигнала 100 кГц, то это он должен суметь сделать за 10 мкс. К тому же этот микроконтроллер должен иметь встроенный контроллер интерфейса RS-232C для связи с компьютером. Согласно этим требованиям подходит широко известный микроконтроллер фирмы AtmelAT89C51 с тактовой частотой 12МГц и временем цикла 1 мкс.
Обоснование структурной схемы
Структурная схема проектируемого устройства изображена на рис. 1
Рис. 1. Структурная схема фазометра
Объясним работу автоматического фазометра по структурной схеме. На систему определения перехода напряжений через ноль подается эталонное напряжение и напряжение, фазу которого нужно измерять. Эта система включает таймер в интервале времени, начиная с момента, когда эталонное напряжение перешло через ноль (например, при переходе напряжения из области отрицательных положений в положительную область), а измеряемое напряжение – еще нет. В этот интервал времени таймер считает такты генератора импульсов, а при исчезновения сигнала запуска от системы перехода через ноль – в таймере будет храниться число, которое соответствует разности фаз эталонного и измеряемого сигналов. Это число считывается микроконтроллером и передается по интерфейсу RS-232C, через преобразователь уровней, компьютеру. В компьютере это число переводится в градусы и записывается в область памяти, которая указана в задании.
Рассмотрим каждый функциональный узел автоматического фазометра более подробно.
Система определения перехода напряжений через ноль
Данная система должна выполнять следующие действия:
1)Как только любой измеряемый сигнал перейдет из отрицательных значений напряжения в положительные, на выходе этого узла устанавливается сигнал, который запускает таймер.
2)Таймер продолжает работать пока эталонное напряжение не перейдет из отрицательных значений напряжения в положительные.
Также в этом узле целесообразно выполнить гальваническую развязку.
Функциональная схема этого узла изображена ниже.
Рис.2. Функциональная схема системы определения перехода через ноль
Функциональная схема системы определения перехода напряжений через ноль
Объясним работу системы определения перехода напряжений через ноль.
Измеряемое и эталонное напряжение подается на вход компараторов через ограничители напряжения, который обрезает напряжения большие некоторой величины. Это сделано из-за того, что максимальное значение напряжения сигнала может достигать 100В, а на компараторы нельзя подавать напряжение большей величины чем значение напряжения питания. После компараторов сделана гальваническая развязка. Гальваническая развязка сделана в этом месте из таких соображений:
1) по этим линиям передается цифровой сигнал, что дает возможность использовать оптическую развязку;
2) гальванически развязанной с измеряемыми напряжениями будет почти вся измерительная система (кроме 2-ух компараторов).
Эти компараторы выдает сигнал высокого уровня если соответствующее напряжение больше нуля или сигнал низкого уровня – если меньше нуля. То есть на выходе компараторов будет меандр. С выходов компараторов эти сигналы поступают на вход защелки CD-триггеров DD2.1 и DD2.2. По переднему фронте на входе С этих триггеров на их прямых выходах появится уровень сигнала, который подавался на его вход D (при условии, что на входы асинхронной установки триггеров S и R будут подаваться неактивные уровни сигналов).
Триггер DD2.2 включен таким образом, что при появлении на его прямом выходе сигнала низкого уровня, через время равное задержке распространения сигнала через два инвертора на его выходе вновь установится сигнал высокого уровня. Это связано с тем, что сигнал с выхода этого триггера подается на его вход S асинхронной установки логической «1». Так как активный уровень сигнала у этого входа низкий, то при появлении на выходе этого триггера логического «0», он дважды проинвертировавшись (что сделано лишь для задержки сигнала)поступит на вход S и вызовет переключение триггера. Но при этом на выходе триггера DD2.2 появится кратковременный импульс отрицательной полярности.
Исходя из этого, узел на микросхемах DD1-DD3 работает следующим образом. Объяснение работы схемы лучше всего начать с момента прихода положительного фронта на вход защелки триггера DD2.2 (переход эталонного напряжения из отрицательного значения в положительное). В этот момент времени на прямом выходе триггера DD2.2 установится логический «0», что вызовет установку на выходе триггера DD2.1 логического «0» (так как выход триггера DD2.2 связан со входом сброса триггера DD2.1), на выходе триггера DD2.2 вновь появится сигнал высокого уровня. Фактически по первому переднему фронту на защелке триггера DD2.2 происходит инициализация этой системы. Теперь она готова к работе. При переходе измеряемого напряжения из отрицательных значений в положительные, на вход C триггера DD2.1 поступает положительный фронт. Так как на его вход D поступает сигнал логической «1», то и на выходе триггера DD2.1 появится сигнал логической «1». До этого на его выходе был логический «0». Так как сигналы с выходов триггеров DD2.1 и DD2.2 поступают на входы микросхемы 2И DD3.1, то на ее выходе в промежуток времени между переходами измеряемого и эталонного напряжения через ноль будет сигнал логической «1». После того как напряжение эталонного сигнала перейдет из отрицательного значения в положительное, то произойдет процесс инициализации и на выходе системы вновь появится сигнал логического «0». Согласно этому, на выходе системы будет сигнал логической «1» в промежуток времени между событиями перехода из отрицательного значения в положительное напряжений измеряемого и эталонного сигналов. Для научного представления представим этот процесс в виде временных диаграмм.