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无线电电子与电气工程百科全书 USB电压记录仪具有示波器、频谱分析仪和频率响应仪功能。 无线电电子电气工程百科全书
该记录仪的硬件部分是一个ADC，配备有通过USB总线与计算机进行高速通信的通道，使用可编程逻辑芯片（FPGA）实现。 作者开发的计算机程序不仅可以将数字化信号记录到文件中，还可以显示其波形图、频谱，甚至可以测量滤波器或其他线性设备的幅频响应（AFC），记录仪内置的发生器将测试信号施加到其输入。 在所考虑的记录器中，ADC 以 960 kHz 频率获取的所研究信号样本被馈送到 FPGA 的输入，FPGA 将 ADC 的并行代码转换为串行代码。 在进一步传输到 UART-USB 转换器的每组 XNUMX 个 XNUMX 位字节中，FPGA 放置四个 XNUMX 位 ADC 代码。 此外，信息通过USB传输至计算机进行处理和存储。 与计算机的通信协议以及记录仪中的其他功能都是使用微控制器来实现的。 FPGA 和微控制器通过用于传输信息的同一个 UART-USB 转换器进行编程。 为了与记录仪配合使用，在LabVIEW环境中开发了一个程序，用于实现信息的接收、显示和存储。 此外，它还实现了一种算法，用于消除连接到录音机的外部电路在 0,1 Hz 至 480 kHz 频率范围内的频率响应。 该算法的一个显着特点是，为了估计所研究电路的幅频特性，使用了记录器微控制器生成的矩形脉冲的重复频率的谐波。 原则上，开发一种设备，以 15 kHz 的采样率和 15 位二进制数字的分辨率，向计算机连续实时传输 960 至 +2232 V 瞬时电压读数的设备，可以在没有 FPGA 的情况下使用 ADC 和具有在虚拟 COM 端口模式下运行的内置 USB 端口的微控制器来解决。 然而，在这种情况下信息传输的速度不够高。 当与ADC和微控制器一起使用时，FT12H UART-USB接口转换器微电路以XNUMXMbps的速度提供信息传输，因此存在着寻找其UART能够以这样的速度运行的微控制器的问题。 因此，我们选择了一种与之前的方法不同的方法，即使用 FPGA 以并行代码读取 ADC 生成的信息，并将其转换为 UART 特有的串行格式。 该器件采用具有并行输出和最大采样率为 10030 MHz 的十位 ADC30 ADC。 他的工作结果由EPM3064ALC44-10N FPGA接收和处理，该FPGA包含64个可编程逻辑宏单元和44条I/O线。 ADC 生成的每个输入信号样本都是一个十位二进制代码，FT2232H UART-USB 转换器接收八位字节的信息。 因此，FPGA 实现了一种将每四个样本打包为 12 个字节的设备。 接下来，它为每个字节提供起始位和停止位，并以 2232 Mbaud 的串行代码将它们传输到 FTXNUMXH 芯片，以便通过 USB 传输到计算机。 记录仪原理图如图所示。 1. 它由 7 ... 9 V 恒定电压供电，该电压从 XP3 连接器提供给集成稳定器 DA6 7805，并通过位置 4-1 处的可拆卸跳线 S2 提供给 3,3 V LM1117-3.3 (DA7) 稳压器。 为了在调试过程中方便使用设备，可以通过 USB 端口为其供电。 为此，应将可拆卸跳线 S4 重新布置到位置 2-3。 然而，在正常操作期间，这样的电源是不可接受的，因为从USB端口获取的电压通常与5V明显不同，这导致ADC中正在研究的信号的转换规模发生变化。
用于 ADC 和 FPGA 的 24 MHz 时钟发生器基于 DD2 74HC04D 芯片的元件构建，并由 ZQ2 石英谐振器稳定。 为了实现与计算机通信的协议、离散信号的形成和矩形脉冲的生成，记录器中引入了 DD1 ATMega8A 微控制器，以 16 MHz 的时钟频率运行，由 ZQ1 石英谐振器指定。 计算机和微控制器之间的信息交换也使用 FT2232H (DD4) 芯片进行，但通过不同的通道。 为了与 FPGA 和微控制器通信，必须在与记录器配合使用的计算机的操作系统中组织两个虚拟 COM 端口。 所研究的信号通过 XP1 连接器馈送到 DA2 AD825ARZ 运算放大器级的输入，该运算放大器级是一个 15 倍反相信号衰减器。 运算放大器 DA2 输出端的零电平可以使用微调电阻器 R1 进行偏置。 这样，所研究的信号就达到了 ADC 输入电压变化的允许范围。 运算放大器 DA2 由 +/-15 V 电压供电，该电压将 +5 V DC 单极电压转换器形成为双极 AM1D-0515DH30Z (U1)。 电阻器 R19 和 R20 是转换器正确运行所需的最小负载。 通过将可拆卸跳线 S1 和 S2 从位置 2-3 重新排列到位置 1-2，您可以切换为使用施加到 XP2 连接器的 +/- 15 V 外部电压为 DA4 微电路供电。 如果需要，您可以通过转换器 U1 为外部设备供电，电流消耗不超过 35 mA。 ADC DA5 的参考电压由运算放大器 DA3.1 和 DA3.2 根据 ADC 描述中推荐的方案形成。 ADC 输出的并行代码进入 DD3 FPGA，并在其中转换为串行 UART 代码。 然后进入DD4 FT2232H芯片。 XP2 连接器旨在通过八个通道通过 3,3 V 逻辑电平信号控制外部设备，此外，3,3 V 直流电压和公共线连接到该连接器以为外部设备供电。 连接器 XP5 和 XP6 设计用于连接到其电源电压为 3,3 V 的编程设备。 XP7 连接器输出 3,3 V、5 V 电压和为外部设备供电的公共线，频率为 24 MHz（ADC 和 FPGA 的时钟频率）的脉冲信号。 该连接器的引脚 4 连接到 DD14 FPGA 的引脚 3，该器件在所述版本的设备中未使用。 LED 连接到 XP8 连接器，指示转换器的操作模式： HL1 - 存在电源电压； HL2 - 从微控制器到计算机的信息传输； HL3 - 从计算机到微控制器的信息传输； HL4 - 将信息从 FPGA 传输到计算机； HL5 - 将信息从计算机传输到 FPGA； HL6 - 包括矩形脉冲发生器； HL7 - 微控制器允许从 FPGA 传输信息； HL8 - FPGA 传输信息。 PCB 导体图如图 2 所示。 1（侧面3）和图。 2（第 4 面）。 元件在板的这些侧面上的位置 - 分别如图所示。 5和图。 1. 该板为图中未显示的元件提供了空间，您可以在其中在 XP4 连接器和 R2 电阻之间组装一个 U 形输入衰减器或滤波器，以及在运放的 DA5 输出之间组装一个 L 形滤波器和 DA5 ADC 输入。 为了在没有衰减器和滤波器的情况下传递信号，安装了表面安装跳线而不是串行元件。 如果需要精确选择ADC参考电压，则可以用另外两个跳线代替与电阻R8和RXNUMX串联的电阻。
对于PLCC-3封装的DD44 FPGA，板上必须安装面板。 一体式稳定器 DA6 安装在尺寸为 22x20x15 mm 的肋状散热器上。 录音机组装在Gainta G715机箱内，外观如图6所示。 1. LED 固定在前面板上，并为 XP2、XP4、XP7、XP1 连接器打孔。 从后面板可以访问开关块 SA1、连接器 XS5、XP6、XPXNUMX。
FPGA中实现的器件结构用VDHL语言描述。 翻译和调试在 Quartus 11 Version 10.1 开发环境中进行。 输入信号： clk——时钟信号； P - 来自微控制器的信号阵列； ADC_data - 来自 ADC 的信号数组； rx - 来自 FT2232H 的信号。 输出信号： P1 - 用于微控制器的信号； tx - 用于 FT2232H 的信号； PHL - 控制 LED HL8 的信号； PPD——ADC断电信号； POE——ADC输出使能信号； POUT - 输出到 XP7 连接器的信号。 变量： count - 传输字节数的计数器； start_bit - 字节传输开始的指示； stop_bit - 数据传输完成的标志； ADC_data_buf——ADC信息存储缓冲区； rx_bit - 开始接收信息的标志。 当时钟信号从低电平转变为高电平时，检查启动放电的接收情况（表 1）。 然后，如果传输正在进行，则传输字节计数器的内容加一（表 2）。 当计数器的内容达到值100时，根据表发生。 如图3所示，将其设置为零，并检查是否存在传输完成命令(P(6)＝0)。 表1
表2
表3
在时钟信号从高电平转变为低电平时，在开始传输之前，将对来自 ADC 的信息进行缓冲（表 4），以防止其在传输过程中发生变化。 表4
其余步骤是检查微控制器是否允许传输信息。 在启用状态下，如果收到请求字节，则 HL8 LED 会亮起，并且传输完成的标志会被删除（表 5）。 起始位和停止位的传输按照表进行。 6、来自ADC缓冲器的信息-表。 7（每个位在两个计数周期内传输）。 表5
表6
表7
微控制器的程序是在ImageCraft开发环境中用C语言编写的。 设备上电后，初始化单片机外设，然后进入主循环，单片机UART处于接收待机模式。 收到字节后，将启动中断处理程序（表 8）。 该字节被写入 rx_arr 数组中的 rx_count 索引处（如果接收到数据包的第一个字节，则 rx_count=0），之后 rx_count 加 0。 随后定时器 XNUMX 重新启动，定时器 XNUMX 到期作为数据包结束的标志。 表8
如果在指定时间内未接收到下一个字节，则根据定时器 0 的请求发生中断。在该中断的处理程序中（表 9），定时器被停止，并且接收结束标志 f_rx 被置位。 表9
当收到信息包（f_rx = 1）时，主循环开始解析它，执行其中包含的命令，并生成响应。 首先，检查数据包的标头和结尾，然后检查命令代码。 检查成功后，开始执行包中包含的命令。 如果检测到错误，则会生成负收据。 程序中实现了以下命令： - “测试” - 用于检查连接； - “设置 IO 状态”- 设置连接到 XP2 连接器的微控制器引脚上的指定逻辑电平。 连接器引脚2（IO1电路）对应于命令数据字节的LSB，引脚9（IO8电路）对应于MSB； - “设置 FPGA 相关 IO 状态”- 设置与 FPGA 相关的微控制器输出 PD4-PD7、PB1、PC2、PC3 的指定逻辑电平。 输出按其各自的命令数据字节位从 3 到 XNUMX 的顺序列出。 该字节的最低有效（零）字节的值可以是任意的，因为 PDXNUMX 输出的状态不可通过此命令更改。 用于接收来自FPGA的中断请求； - “启动矩形脉冲发生器（周期为 2 秒的倍数）” - 启动指定的矩形脉冲发生器（记录仪生成的所有脉冲的占空比等于 2）。 命令数据字节必须包含脉冲重复周期的值，该值可以在 2-254 秒的间隔内，步长为 3 秒。 通过软件在定时器 1 的中断处理程序中切换其状态，在微控制器 PB5 的输出处生成脉冲。它们被输出到 XP2 连接器的引脚 XNUMX； - “启动 ADC 后启动矩形脉冲发生器（周期为 2 秒的倍数）” - 与之前的命令不同，它与从 FPGA 到计算机的信息传输同步启动发生器; - “启动方波发生器”- 启动频率为 30 Hz 至 8 MHz 的方波发生器。 数据的四个字节必须包含以赫兹为单位的频率值。 通过将频率设置为零来关闭发电机。 由于生成的脉冲的重复周期始终是微控制器机器周期持续时间的倍数，因此其重复的实际频率可能与指定的不同。 其精确值（分辨率为 1 Hz）包含在对命令的响应中。 脉冲输出到 XP5 连接器的引脚 2，连接到微控制器的 PB3 输出。 要开始从 FPGA 传输信息，需要通过在 FPGA 的输入 16 处设置高逻辑电平来启用它，然后通过 COM 端口向 FPGA 传输一个字节。 引入该权限是为了方便通过将 FPGA 的输入 16 设置为逻辑零来终止传输。 由于微控制器允许传输，为了使 FPGA 的传输开始与计算机开始接收信息同步，后者必须向微控制器发送任意请求字节。 微控制器以 1 Mbaud 的速率与计算机进行通信，其中有 2232 位无奇偶校验位和 1 位停止位。 要在计算机操作系统中通过记录仪的 FTXNUMXH 芯片通过 USB 交换信息，需要安装可在 Internet 页面上找到的驱动程序 [XNUMX]。 将程序加载到 FPGA 和微控制器中。 FPGA编程按照[2]中描述的方法进行。 在启动之前，需要设置 DIP 开关 SA1 - SA3 到如图所示的位置。 7a. 微控制器使用 AVRDude 程序和 SinaProg 图形 shell 进行编程，可从 Internet 页面上的链接下载 [3]。 SinaProg 需要在计算机上安装 LabView RunTime Library [4]。
在 avrdude.conf 文件中，需要重新分配 2ftbb 编程器的引脚，并用表中所示的部分补充文件的文本。 10. 表10
本文的附录包含程序 AVRDude 和 SinaProg，其中已设置所有必要的参数。 开始对微控制器进行编程时，应将寄存器的开关 SA1-SA3 设置到图 7 所示的位置。 1b，然后将录音机的XS2连接器连接到计算机的USB端口并运行SinaProg程序。 在其窗口的“Programmer”字段中，应设置参数 9600ftbb、FTDI、11。然后依次按屏幕上的按钮“<”和“Search”，之后消息窗口中应出现类似于表 0 所示的文本。 十一. 使用通过按“保险丝”字段的“高级”屏幕按钮调用的菜单，设置微控制器配置：高 - 9xC0，低 - 12xFF。 在“Hex 文件”字段中，指定带有微控制器程序代码的 HEX 文件的名称，然后单击“Flash”字段中的“编程”按钮。 成功完成编程后，消息字段中应出现以表 XNUMX 所示行结尾的文本。 XNUMX. 表11
表12
如果记录仪用于连接到 XP6 或 XP7 连接器的编程设备，则 SA1-SA3 开关必须设置到图 7 所示的位置。 7、c. 记录仪正常工作时开关的位置如图 XNUMX 所示。 XNUMX、g。 电脑程式 USB-960 是在LabVIEW 2011环境下开发的，如果计算机上没有该环境，则需要安装包[5]和[6]。 该程序包含十一个虚拟子设备（VP）： - ACPPLISUC_IOUC 设置微控制器输出端口输出到外部连接器的状态； - ACPPLISUC_FREQ 启动发生器并随后测量生成的频率； - ACPLISUC_TEST 检查与微控制器的连接； - ACPPLISUC_AFR_H 测量外部电路在五个频率值（不低于30,5 Hz）下的频率响应； - ACPPLISUC_AFR_L 测量外部电路在分数到几十赫兹的频率下的频率响应； - ACPPLISUC_GEN2S 启动一个矩形脉冲发生器，其重复周期为 2 秒的倍数； - ACPPLISUC_UNPACKDATA 将从注册器接收到的信息转换为 ADC 代码值数组； - ACPPLISUC_ADCDATA 读取指定时间内从注册器收到的信息； - ACPPLISUC_IOPLIS 设置与 FPGA 相关的微控制器输出端口的状态； - ACPPLISUC_GEN 启动重复率为 30,5 Hz 及更高的矩形脉冲发生器； - ACPPLISUC_GEN2Ss 启动矩形脉冲发生器，周期为两秒的倍数，与开始从注册器读取信息同步； - ACPPLISUC_COM 通过与微控制器关联的虚拟 COM 端口接收和传输信息。 主程序运行在一个无限while循环中，循环内部有一个case结构，其当前页面由主程序窗口中选项卡的选择确定。 信号记录选项卡 如图所示8. 按“开始”按钮开始在“测量时间，s”字段中指定的时间内接收所研究信号的读数。 为此，允许从 FPGA 传输信息 - 将值 128 写入 ACPPLI-SUC_IOPLIS VI。实际读取是使用 ACPPLISUC_ADCDATA VI 执行的，其参数是测量时间。 该VI通过传递空字节来请求信息并在指定时间内读取该信息。 过期后，通过向 ACPPLISUCJOPLIS VI 写入零值来禁用传输。
如果之前按下了“写入文件”按钮，则正在研究的信号将保存在二进制文件中，其名称在“保存信号的文件”字段中指定。 默认情况下，保存到C盘根文件夹，这可能需要计算机操作系统以管理员权限运行程序。 矩形脉冲发生器的启动在“发生器启动”和“发生器以 2 秒倍数的周期启动”字段中进行。 接收完成后，“信号”字段中显示接收信号的波形图，“幅度频谱”字段中显示接收信号的频谱。 在“RMS，V”和“平均值，V”字段中，将分别显示信号的有效值和平均值。 示波器选项卡 如图所示9. 按屏幕上的按钮“START”启动 while 循环，其中根据与上述类似的算法重复（直到按“STOP”按钮）从注册器接收信息。 为了避免同步和手动偏移时出现信号削波，实际录制时长为指定时长的两倍。 完成后，信号搜索穿过指定阈值（使用“阈值，V”控制器设置）的时刻，并从中形成一个数组。然后，在该数组中，程序找到尽可能接近信号持续时间的 1/3 的元素。它将用作屏幕上显示的波形图的起点。
使用“偏移，%”滑块，您可以移动波形。 “保存当前信号”和“读取”按钮保存当前显示的信号并读取先前保存的信号。 选项卡“去除频率响应” 如图所示10. 通过同时或顺序将线性电路的输入暴露于各种频率的谐波信号，然后测量电路输出端这些信号的幅度，可以确定线性电路[7]的频率响应。 在考虑用于测量频率响应的设备中，使用微控制器生成的矩形脉冲来代替谐波信号。 占空比为2的矩形脉冲形式的信号是无数个谐波信号（谐波）的总和，其频率比脉冲重复率高奇数倍。 其谐波的幅度大约等于0,9（第一）、0,3（第三）、0,18（第五）、0,129（第七）、0,1（第九）脉冲幅度。 了解所研究电路输入端信号的谐波（频谱）比率并在输出端确定该比率，就可以计算该电路在谐波频率下的频率响应。
注册器使用占空比为 2、重复率为 0,1 的矩形脉冲消除频率响应； 0,5； 30,5、60,1、120,2、240、480,8、961,5、1923、3846、7692,3、15384,6、31250 和 61538,5 赫兹。 按“START 0,1 Hz”或“START 0,5 Hz”屏幕按钮之一将启动 ACPPLISUC_AFR_L VI，周期分别为 10 秒和 2 秒。 该VI的工作原理如下： - 使用VI ACPPLISUC_GEN2SS发送命令来启动给定周期的矩形脉冲发生器； - 在 1,5 个脉冲重复周期内接收来自 ADC 的信息； - 将接收到的信号通过 2000 Hz 数字低通滤波器，以在信号抽取之前去除高频分量。 如果不这样做，就会出现锯齿效应[8]； - 稀疏信号，丢弃每 47 个样本中的 48 个，以简化进一步的计算； - 从信号中提取持续时间恰好为一个脉冲重复周期的片段； - 计算该片段的幅度谱； - 从获得的频谱中提取与测试信号的奇次谐波相对应的分量，将它们划分为原始信号的相同谐波的已知幅度值。 结果是所研究电路在谐波频率下的频率响应。 当按下“START 30 Hz”屏幕按钮时，将启动 for 循环，其中执行 ACPPLISUC_AFR_H VI，其输入接收脉冲频率和测量时间值。 在该 VP 的输出处，获得给定频率的信号的五个谐波处的频率响应值。 作为循环的结果，形成三个阵列：测量频率响应的频率、用于计算频率响应的信号以及频率响应值。 接下来，对频率响应值数组进行排序，以便在屏幕上进一步显示其图形。 ACPPLISU_AFR_H VI 的工作原理如下： - 使用 VI ACPPLISUC_GEN 发送命令来启动发生器； - 在指定时间内从 ADC 接收信息； - 计算记录信号的幅度谱； - 从获得的频谱中提取与测试信号谐波相对应的五个分量，将它们的值除以施加到所研究电路输入的信号谐波的相对幅度。结果，获得频率响应的五个读数。 需要注意的是，分析信号的持续时间必须恰好是脉冲重复周期的倍数，否则在计算频谱时，就会出现其“展宽”[9]或“泄漏”[7]，导致分析结果失真。 按屏幕按钮“保存结果”和“读取”将当前显示的频率响应写入磁盘文件并读取之前记录的频率响应。 为了测试录音机在频率响应读取模式下的操作，根据图 11 所示的电路将组装在原型板上的节点连接到录音机。 1. 这些是 R2C2 低通滤波器和 R1C1 高通滤波器。 DA1,5 芯片运算放大器上的缓冲跟随器消除了发生器输出的相对较高的输出阻抗和录音机的较低（15 kOhm）输入阻抗对滤波器频率响应的影响。 如果将记录仪板上的每三个引脚相互连接，用于为 DA15 微电路供电的 +1 V 和 -4 V 电压可以从记录仪的 Xp1 连接器上移除，用于跳线 S2 和 S1（不要与图 2 中用于切换滤波器的跳线 S11 和 SXNUMX 混淆）。
为了将测量到的频率响应与通过计算获得的频率响应进行比较，创建了程序“Comparison_AFC_with_calculation”，该程序计算给定 RC 电路的频率响应，并将其构建在与测量电路相同的坐标中。 结果如图所示。 图 12（低通滤波器）和图 13（低通滤波器） 1（高通滤波器）。 计算值显示为红色，测量值显示为白色。 另外，在C2、C8上并联容量为14μF的电容器，其特性如图15所示。 XNUMX和图。 XNUMX.
校准选项卡 如图所示16. 执行此操作时，需要设置记录仪输入端电压与ADC输出端代码值之间的关系。 由于这种相关性是线性的，因此输入其两点的坐标就足够了。 为此，将接近最大值的恒定电压施加到记录器的输入端。 其值记录在“Umax，V”字段中。 在“ADC-avg”字段中。 将显示程序平均的 ADC 输出代码的值。 可以手动将其输入“ADC-max”字段，或使用屏幕上的按钮“将当前 ADC 平均值写入为 ADC-max”。
将接近最小值的恒定电压施加到设备的输入后，类似地在“Umin、V”和“ADC-min”字段中输入值。 如前所述，在去除信号频率响应期间生成的信号的实际频率可能与指定值略有不同，因此不可能提前知道要分析的样本的确切持续时间，这必须是整数个信号周期的倍数。 必须首先测量实际频率值并计算样本持续时间。 这些操作在由按钮“定义读取频率响应的周期”调用的案例结构中执行，结果保存在文本文件中。 校准如下： - 通过连接 XP1 连接器的触点，将设备的输入连接到公共电线； - 在窗口“ADC-average”中设置微调电阻R1。 值从 511 到 513（通过单击“读取”屏幕按钮进行更新）； - 将直流电压源 +1...13 V 连接到 XP15 连接器，在“Umax, V”字段中输入该电压的准确值； - 单击“Read”屏幕按钮对信号进行数字化并确定 ADC 代码的平均值，然后单击屏幕按钮“Write the current value of ADC-average as ADC-max”； - 反转施加到 XP1 连接器的电压极性，在“Umin, V”字段中输入其值，单击“读取”屏幕按钮，然后“将 ADC 平均值的当前值写入 ADC 最小值” ; - 断开连接器 XP1 的电压源后，将该连接器的引脚 1 连接到连接器 XP5 的引脚 2，然后按屏幕按钮“确定逻辑电平电压 (IL1)”。 计算频率响应时需要该值； - 按屏幕上的按钮“定义获取频率响应的周期”并等待测量结束（该过程需要两分钟以上）。 测量结果存储在计算机硬盘上的文本文件中。 该文件的名称及其路径包含在“带有校准系数的文件”字段中； - 通过按下屏幕上的按钮“TEST”，测试命令将发送到微控制器，如果收到正确的答案，“TEST OK”指示灯将打开。 在“IO”字段中，您可以手动设置输出到 XP2 连接器的微控制器输出的状态，在“IO-PLIS”字段中 - 与 FPGA 相关的状态。 总之，可以指出的是，如果您基于带有 MicroBlaze 处理器内核的 Xilinx Spartan-3 FPGA 构建记录器，则无需使用微控制器。 Sprint Layout 5.0 格式的 PCB 文件以及 FPGA、微控制器和计算机的程序可以从 ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/11/usb-reg.zip 下载。 文学
作者：V.柴可夫斯基
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