Содержание
Введение
1. Выбор структуры автоматического фазометра
2. Расчет блока питания
3. Разработка алгоритма работы программы
4. Описание алгоритма программы для МК
5. Программа для МК
6. Описание алгоритма программы для ПК
7. Программа для ПК
Выводы
Фазометр - электроизмерительный прибор, предназначенный для измерения углов сдвига фаз между двумя изменяющимися периодически электрическими колебаниями. Фазой гармонического напряжения
U(t)=Umsin(ωt+φ0)
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) b U2(t) одинаковой частоты. Таким образом, если
U1(t)=U1msin(ωt+φ1), a U2(t)=U2msin(ωt+φ2),
то по определению угол сдвига фаз Δφ равен Δφ=|φ1 - φ2|. Если φ1 и φ2 постоянные, то Δφ+ от времени не зависит. При Δφ = 0 гармонические напряжения называются синфазными, при Δφ = ±π - противофазными. Выбор метода измерения угла сдвига фаз зависит от диапазона частот, амплитуды сигнала и 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.
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.
По заданию, а именно - максимальная частота сигнала fmax=100кГц и погрешность измерения фазы δ=0.2% определяем минимальное время измерения. 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 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 упрощаются. В данном случае микроконтроллер, один раз за период должен считывать данные со счетчика. Так как максимальная частота сигнала 100 кГц, то время считывания не должно превышать 10 мкс. К тому же контроллер должен поддерживать интерфейс UART для связи с компьютером. Согласно этим требованиям выбираем микроконтроллер фирмы Atmel ATMega48 с тактовой частотой 1МГц и временем цикла 1 мкс.
Структурная схема проектируемого устройства изображена на рис. 1
Рис. 1. Структурная схема фазометра
На систему определения фазы подается два сигнала. В момент прохождения одного сигнала через ноль включается таймер. В этот интервал времени таймер начинает считать такты генератора импульсов. Когда второй сигнал достигнет нулевого значения - в таймере будет храниться число, которое соответствует разности фаз эталонного и измеряемого сигналов, и произойдет сброс таймера. Это число считывается микроконтроллером и передается по интерфейсу RS-232, через преобразователь уровней в компьютер. В компьютере это число переводится в градусы и отображается на экран.
Определитель фазы выполняет следующие функции:
1) Как только измеряемый сигнал меняет полярность, на выходе этого устанавливается сигнал для запуска таймера.
2) Таймер продолжает работать пока другой сигнал не пройдет через ноль.
По заданию необходимо выполнить гальваническую развязку.
Функциональная схема этого узла изображена ниже.
Рис.2. Функциональная схема системы определения перехода через ноль
Работа системы определения фазы.
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, что выведет из строя компараторы. На выходе компаратора реализована развязка на оптических элементах.
Компараторы выдают сигнал высокого уровня если соответствующее напряжение больше нуля и сигнал низкого уровня - если меньше нуля. На выходе компараторов будет меандр. Далее эти сигналы поступают на вход защелки C D-триггеров DD2.1 и DD2.2. По переднему фронту меандра на выходе триггеров установится сигнал, который присутствует на D- входе.
В момент прихода положительного фронта на С-вход триггера DD2.2 на его прямом выходе установится логический "0", и это приведет к установке 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 системы. Теперь она готова к работе. При приходе положительного фронта на С-вход триггера DD2.1 на его выходе установится "1", т.к. на D-входе постоянно присутствует напряжение питания. Сигналы с выходов триггеров DD2.1 и DD2.2 поступают на входы микросхемы 2И DD3.1, и 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". Таким образом, на выходе системы присутствует логическая единица в промежуток времени между переходами через 0 напряжений измеряемого и эталонного сигналов.
Рис.3. Временные диаграммы системы перехода через ноль
Ограничитель напряжения, блок гальванической развязки
Максимальное допустимое входное напряжение компаратора не должно превышать напряжение источника питания (+5В). Поэтому на входе компаратора включают резисторный делитель напряжения. Схема включения компаратора указана ниже.
Рис.4. Блок гальванической развязки
В качестве компаратора выбираем Philips NE5682N. Резисторы R1 и R2 предназначены для деления напряжения сигнала. Их соотношение должно быть таким, чтобы при максимальной амплитуде входного сигнала (500В), напряжение на прямом входе ОУ не превышало 5В. Исходя из этого
Так как входное сопротивление ОУ составляет сотни килом, то сопротивление R2 можно взять достаточно большим. Возьмем R2=10 кОм. Тогда R1=990 кОм ≈1 МОм. Через сопротивление R3 заземляется инверсный вход ОУ. Сопротивление R4 используется как токозадающий элемент для оптопары. Его величину рассчитывают исходя из соотношения:
,
где - напряжение логической "1" на выходе компаратора (5В),
- напряжение на открытом светодиоде (около 1.5В),
- номинальный ток светодиода (30 мА).
Исходя из этого
Ом.
Описание таймера
В данное время большинство таймеров интегрированы в микроконтроллеры и являются его неотъемлемой периферией. Дискретные таймеры рассчитанные на частоту работы 50 МГц не выпускаются. Поэтому в данной работе будет реализован на дискретных компонентах. В качестве генератора импульсов используем генератор фирмы DS1065-60, с программируемой частотой (30 кГц .. 60 МГц). К выходу этого генератора подсоединим счетчик импульсов. Когда на выходе системы определения фазы установится высокий уровень напряжения, МК считает число тактов из счетчика и определит эквивалентное время разности фаз эталонного и измеряемого сигналов.
Определим разрядность счетчика для удовлетворения заданной точности. Погрешность измерения фазы 0.2%, следовательно максимальное число на выходе счетчика должно быть . Но учитывая, что частота генератора не может быть установлена в точности в 500 раз больше чем у измеряемого сигнала, но может, отличаться максимум в 2 раза N=1000. Разрядность счетчика тогда равна . 10-битные счетчики не выпускаются, поэтому выбираем 12-битный счетчик NXP 74HC4040. Тогда N=212=4096. Учитывая, что минимальная частота генератора равна 30кГц, то минимальная частота измеряемого сигнала равна. Поэтому фазу сигналов, частота которых меньших 7.5 данный прибор измерить не сможет.
Принцип измерения фазы
Измерение фазы ведется в такой последовательности:
1. Микроконтроллер с помощью встроенного таймера измеряет частоту сигнала;
2. Если частота сигнала находиться в промежутке от 7.5 Гц до 15кГц (60МГц/4000), то МК записывает в генератор импульсов константу так, чтобы его частота была в 4096 раз больше чем частота сигнала (точнее в N раз, где N - максимально возможное число меньшее 4096);
Если частота сигнала больше 15кГц, то в генератор импульсов записывается константа так, чтобы его частота равнялась 60МГц;
Страницы: 1, 2
