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无线电电子与电气工程百科全书 组合测量仪器的新模式。 无线电电子电气工程百科全书
在组合仪器[1]的运行过程中，其微控制器的程序得到了显着的改进。 除了逻辑分析仪中测量输入信号频率和单次扫描的已有模式之外，该程序的新版本 2.03 还为用户提供了这些模式。 新功能以纯软件方式实现，无需对设备硬件进行任何更改。 单次扫描模式从一开始就在仪器的示波器中提供，但笔者并没有在逻辑分析仪中实现，尽管它在逻辑分析仪中的用处并不逊色。 在新版本的微控制器程序中，这一遗漏得到了纠正。 现在我们可以说，逻辑分析仪就像仪器的示波器一样，有两种扫描模式：常规扫描和单次扫描。 它们几乎相同，但有两个例外。 首先，逻辑分析仪不测量输入信号的电压。 该操作在这里没有意义，因为检查的是标准逻辑电平的信号。 其次，逻辑分析仪模式下屏幕上显示的关于信息帧在时间轴上的位置的附加信息不会叠加在示波图的区域上，不会干扰它们的观察。 因此，没有必要关闭它。 逻辑分析仪单次扫描模式下指示器屏幕上的图像示例如图 1 所示。 XNUMX.
在分析仪的常规扫描模式下，按“5”键即可进入该模式。 它有以下控制键： "4" - 将帧向左移动（到缓冲区的开头）； "5" - 停止沿信号计数移动； "6" - 将帧向右移动（到缓冲区的末尾）； “0” - 选择移动步长（计数或帧）； "D" - 退出单次扫描模式。 没有给出单次扫描模式的完整描述，因为[2]中相对于示波器对其进行了相当全面的描述。 至于频率测量模式，ATxmega 系列的微控制器允许您实现其多个选项。 除了对每单位时间测量信号的周期数进行经典计算外，该微控制器的定时器计数器还能够直接测量输入信号脉冲的重复周期，从而可以轻松计算其重复频率。 该方法的优点是测量时间短，但只有在不超过几十千赫兹的频率下才能保持可接受的精度。 对此，装置中信号频率的测量是通过上述经典方法进行的。 它的原理很简单。 一个定时器计数器生成测量时间间隔，第二个定时器计数器对该间隔期间的输入信号脉冲进行计数。 如果测量间隔的持续时间为 1 秒，则在这段时间内第二个计数器中累积的数字就是信号频率（以赫兹为单位）。 然而，实施该方法存在困难。 首先，ATxmega[3]系列微控制器的所有定时器计数器都是16位的。 这意味着这种计数器正确测量的最大频率受到其计数寄存器溢出的限制，并且等于216 - 1 = 65535 Hz。 鉴于微控制器元件的运行频率高达 32 MHz，这显然还不够。 增加最大可测量频率的最简单方法是减少测量间隔。 例如，将其减少四倍将导致测量频率的最大值增加四倍。 同时，其测量的离散性将增加相同的系数，因为每个脉冲的“重量”将增加四倍。 因此，这条路是不合适的。 仅通过增加输入信号脉冲计数器的容量，就可以在不增加测量离散性的情况下实现最大测量频率的增加。 ATxmega 微控制器的架构通过允许串联多个定时器/计数器来实现这一点。 要获得 32 位计数器，将两个 16 位定时器计数器组合起来就足够了。 每秒 32 位计数器的溢出只能在 2 - 1 = 4294967295 Hz 的频率下发生，因此在这种情况下测量频率的上限仅受微控制器元件的频率特性限制，并且等于 32 MHz。 其次，有必要将输入信号从端口线“带到”定时器计数器并强制后者在其重复率的宽间隔内对脉冲进行计数。 第三，必须保证参与计数过程的所有单片机元件严格同步运行，而不管其其他节点的操作如何，以避免各种不可预测的计数故障。 ATxmega 系列微控制器中提供的一个出色的工具 - 事件系统 [4] - 将有助于克服这些困难。 借助它，您可以生成操作所需的所有信号，并以尽可能最低且最重要的是稳定的延迟将它们从信号源传输到接收器。 所考虑的设备中实现的频率计的功能图如图 2 所示。 XNUMX. 输入输出端口的设备允许您分析其每条线路的状态，并在它们发生变化时生成事件。 例如，为输入信号的每个上升沿或下降沿生成事件。 定时器/计数器不仅能够对微控制器的内部时钟脉冲进行计数，还能够对事件信号进行计数。 由此可以清楚地看出输入信号脉冲的计数是如何组织的。
该信号应用于 PF3 线，该线配置为输入并在信号的上升沿生成事件（每个周期一个事件）。 定时器计数器 TCC1 在事件路由器的通道 3 上传送的事件计数器模式下运行。 它还生成其 4 位计数寄存器的溢出事件 (OVF) 并将其发送到路由器通道 16。 它们由 TCD1 定时器计数器进行计数，该定时器计数器配置为作为通道 16 上传送的事件的 4 位计数器运行。 每秒一次，在 TCF0 定时器计数器（配置为对微控制器同步器脉冲进行计数）生成的计数间隔结束时，程序将 TCC1 和 TCD1 计数器定时器的结果“粘合”到一个 32 位字中，并将其值分配给一个变量。 然后它重新启动所有计时器/计数器，开始新的频率测量周期。 频率测量模式的主要特点
应考虑频率测量误差的主要来源： 1.微控制器时钟频率设置不准确，导致测量间隔的实际持续时间与一秒不同。 该误差有两个组成部分：系统误差和随机误差。 系统分量是时钟频率的实际平均值与标称频率不相等的结果。 它是永久性的并且可以得到补偿。 下面将讨论如何做到这一点。 误差的随机分量是由于时钟发生器频率的波动而产生的。 造成它的因素有很多。 这些因素包括电源电压的不稳定性和纹波、发生器元件的固有噪声、温度的影响等。在高端设备中，采用了一系列措施来最大限度地减少这些因素的有害影响，包括时钟发生器的热稳定性和振动保护。 但此类错误只能减少，并不能完全消除。 在作者的设备副本中，它不超过±0,001%。 这意味着 5 MHz 频率的测量误差为 ±50 Hz。 2、测量结果的离散化误差。 对于任何曾经使用过数字测量仪器的人来说，它都是熟悉的。 图 3 中的图表解释了该错误的根源。 6. 根据测量间隔边界与计数器记录的测量信号下降在时间轴上的相对位置，计数结果可能会相差一。 例如，在图中所示的情况下，可以以约7Hz的实际重复率（计数间隔为6,6s）对1或100个脉冲进行计数。 这种效应在测量频率和计数间隔的任何比率下都会保留。 当测量重复多次时，其结果的最低有效位在各个周期中“跳跃”一位。 该误差的相对值与测量频率成反比增长。 例如，测量 0,5 Hz 左右的频率时，平均相对误差为 ±XNUMX%。 在几兆赫兹及更高的频率下，采样误差可以忽略不计。 这里，测量间隔持续时间的随机分量占优势。
执行频率测量的程序块与整个程序一样，是在 BASCOM AVR 编程系统中开发的。 当进入频率计数器模式时，程序会适当设置微控制器内部结构中涉及频率测量的元素： - 接收输入信号的 PF3 线配置为在上升信号下降时生成事件的输入，以及事件路由器的通道 3 - 用于发送有关这些事件的信号： 端口f_pin3ctrl=1 evsys_ch3mux=&B01111011 - 配置定时器计数器 TCF0 以生成持续时间为 1 s 的测量间隔： 配置 Tcf0=Normal,Prescale=7 Tcf0_per=31249 - 配置 TCC1 定时器计数器对来自 PF3 线路通过路由器通道 3 的事件进行计数： 配置 Tcc1=正常 Tcc1_ctrla=&B00001011 Tcc1_ctrld=&B00001011 和路由器的通道 4 - 发出定时器计数器 TCC1 溢出的信号： evsys_ch4mux=&B11001000 - 配置定时器计数器来对来自路由器通道 4 的事件进行计数： 配置 Tcd1=正常 Tcd1_ctrla=&w00001100 Tcd1_ctrld=&w00011100 因此，TCC1 和 TCD1 定时器计数器形成一个 32 位计数器。 系统现在已准备好对测量信号的周期进行计数。 此外，它已经在进行中，因为每个所考虑的设备在初始化后立即开始工作。 但为了得到正确的结果，有必要在测量间隔开始时从零开始计数事件。 因此，测量周期应该从参与其中的所有三个定时器计数器同时清零开始。 将 TCC0 定时器计数器以最高速度运行的重启时刻绑定到测量间隔的开始（TCF1 定时器重新启动的时刻）尤为重要。 将重新启动定时器计数器TCD1的时刻严格绑定到测量间隔的开始的问题并不那么严重。 它必须计数的第一个事件仅在 TCC1 定时器计数器溢出时发生。 虽然微控制器中提供了同时重新启动多个定时器计数器的可能性，但它只能通过事件系统来实现。 它不能用于所考虑的情况，因为 TCC1 定时器计数器被配置为从通道 3 接收事件信号，并且在不重新配置的情况下无法从其他通道接收事件信号。 因此，只有处理器可以向定时器计数器发出重启命令，而且只能是一个接一个地发出。 频率测量周期由两个阶段组成：实际测量和结果的形成。 程序的以下五行描述了测量阶段： Tcf0_ctrlfset=&B00001000 Tcc1_ctrlfset=&B00001000 Tcd1_ctrlfset=&B00001000 Bitwait Tcf0_intflags.0，设置 evsys_ch3mux=&B00000000 该片段的前三行按 TCF0、TCC1、TCD1 的顺序重新启动定时器计数器。 因此，TCC1 定时器计数器不是在 TCF0 定时器计数器计数的测量间隔开始时开始计数事件，而是延迟了 Δt1 相对于此时（图4）。 它等于定时器计数器TCC1 的处理器复位操作的持续时间。 接下来，处理器以相同的延迟重新启动 TCD1 定时器计数器，然后开始等待测量间隔结束。 当该时刻到来时，TCF0 定时器计数器将在 TCF0_JNTFLAGS 寄存器的 XNUMX 位中设置溢出中断请求标志。
检测到该标志后，处理器必须禁止定时器计数器 TCC1 进一步对事件（测量信号的周期）进行计数。 这可以通过不同的方式来完成。 在我们的例子中，测量步骤的最后一个操作，处理器只是禁用事件路由器的通道 3。 对于这个操作，他需要时间Δt2 （图 4），在此期间继续计数。 如果 Δt2 ≠Δt1，事件计数（频率测量）的实际持续时间相差 Δt2 - Δt1 根据测量间隔的给定持续时间，这会产生测量误差的另一个组成部分。 为了消除它，有必要使这些延迟相等。 然而，在高级语言程序（包括BASCOM AVR）中，很难确定其持续时间的确切值，因为程序员不知道将所使用的语言结构翻译成机器命令的算法。 因此，在实际程序中，重新启动定时器计数器TCC！以及固定测量间隔结束和停止TCC！的片段都是用汇编语言编写的，并采取措施确保这些片段的执行持续时间相同。 这样就得到了等式Δt2 = Δt1 因此，给出的测量间隔的实际持续时间相等。 接下来，考虑在设备中实现的方法，以消除与微控制器时钟频率与标称值不相等相关的系统误差。 如上所述，这种差异的结果是测量间隔的持续时间与所需值 1 秒的偏差以及与其成比例的测量频率值与实际频率值的偏差。 首先，必须测量这个偏差。 这将需要具有几兆赫频率的示例性信号发生器或一组任何足够稳定的发生器和示例性频率计。 发生器信号被馈送到设备连接器 X8 的插槽 3 和 5（公共）。 本文所附文件 Osc-Volt-2_03.hex 中的代码被加载到设备微控制器的程序存储器中。 在接通之后，该装置被切换到频率计数器模式并且由其测量示例性发生器的频率。 必须重复测量10-20次，然后计算频率F的平均测量值修订。 修正系数由以下公式计算 K=Frr/F修订, 哪里frr -示例性发电机的频率。 要将系数 K 输入到程序中，请在 Osc-Volt-2_03.bas 文件（程序的源代码）中找到注释行 补偿：'Temp2=Temp2*1.000004 它被标记为补偿：以便更容易找到。 应取消注释，并将乘数 1.000004（该值对作者的器件副本有效）替换为修正系数 K 的找到值。之后，需要编译修正后的程序并将生成的 HEX 文件中的代码加载到微控制器的程序存储器中。 如前所述，必须测量频率的信号被馈送到设备 X8 连接器的插座 5，从这里进入微控制器输入 PF3。 显然，微控制器只能正确感知这样的信号，其电平对应于三伏或五伏逻辑中接受的电平。 要测量不同形式（例如正弦）信号的频率，需要额外的驱动器。 使用[5]中描述的比较器探针可以获得良好的结果。 可连接至设备的X5插座。 您只需从A费提交即可！ 设备连接到该连接器的空闲插槽 2 电压 +5 或 +3,3 V 为探头供电（它可以在任何指定的电压值下运行）。 按图 5 所示连接探头。 XNUMX.
频率计数器模式下仪器指示器的屏幕视图如图 6 所示。 XNUMX.
该模式是通过按“LA”键从逻辑分析仪的常规模式进入的。 按以下键将设备从频率计模式切换到其他模式： “OS”——进入示波器模式； “LA”——进入逻辑分析仪模式； “GN” - 在信号发生器模式下。 微控制器程序可以从 ftp://ftp.radio.ru/pub/2015/09/combi2-03.zip 下载。 文学
作者：A. Savchenko
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