Разработка структурной схемы часов
Проанализируем как должно работать разрабатываемое устройство. Часы обязательно должны содержать устройство измерения времени, которое в свою очередь всегда состоит из генератора эталонных интервалов времени и счётчика этих интервалов. Структурная схема устройства измерения времени приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема устройства измерения времени
В качестве генератора эталонных импульсов в различное время использовали различные устройства. Это и вытекание воды или песка из какой-либо ёмкости и движение тени от солнца по циферблату и даже горение нити в огненных китайских часах.
В простейшем случае генератор импульсов эталонной длительности должен вырабатывать минутные импульсы. В простейшем случае генератор импульсов эталонной длительности должен вырабатывать минутные импульсы. Однако реализовать стабильный генератор такой длительности достаточно сложно. Даже в механических часах в качестве генератора импульсов эталонной длительности использовался маятник с периодом колебаний от одной до нескольких секунд.
В качестве генератора эталонных импульсов мог бы подойти кварцевый генератор, так как этот тип генераторов обладает высокой стабильностью колебаний. Но кварцевые генераторы вырабатывают колебания в диапазоне от 1 до 30 МГц. Это соответствует временным интервалам от 0.03 до 1 мкС. Тем не менее, если воспользоваться делителем частоты, выполненном на двоичном счетчике, то можно получить импульсы с периодом 1 минута.
Выберем частоту работы кварцевого генератора. Здесь можно использовать кварцевый резонатор с частотой 32768Гц, предназначенный для использования в часах. Этот резонатор специально разрабатывался для применения в часах, поэтому его частота кратна степени двойки (2 15 = 32768). В результате можно использовать обычный двоичный делитель.
Здесь хотелось бы отметить, какая грандиозная задача была решена разработчиками кварцевых кристаллов. Дело в том, что если посчитать длину акустической волны в кварце, то кварцевый резонатор получился бы впечатляющих размеров. Толщину кристалла кварца можно определить по общеизвестной формуле для длины волны. Как известно скорость распространения звуковой волны в кристалле кварца равна 5570м/с, тогда длина волны будет равна:
То есть толщина кварцевого резонатора должна быть как минимум равна половине длины волны — 8,5см. Ну, как, впечатляет? Длина кварцевого кристалла соответственно должна быть, по крайней мере, в пять раз больше. Казалось бы, это неразрешимая проблема для малогабаритных и дешёвых устройств, однако разработчики кварцевого резонатора сумели решить её.
Первым решением проблемы является то, что низкочастотные кварцевые резонаторы изготавливаются с использованием не объемных, а поверхностных волн. Точнее крутильных колебаний. В результате в резонаторе используется вся его длина. Скорость распространения волны по поверхности кварца значительно ниже скорости распространения волны в его объеме и равна 3515м/с. Однако даже в этом случае размеры кварцевого резонатора получаются значительными:
Решением проблемы оказалась разработка кварцевого резонатора, реализованного по принципу камертона. В таком резонаторе возбуждаются не объемные колебания, а колебания двух параллельно расположенных стержней, как это показано на рисунке 2.
В такой конструкции частота резонанса зависит от упругости кварца, длины и толщины зубьев получившейся вилки камертона.
Стоимость часовых кварцевых резонаторов оказалась минимальной из всех кварцевых резонаторов. Благодаря своей распространённости, малой цене, габаритам и малой частоте часовые кварцевые резонаторы начинают применяться практически во всех цифровых устройствах.
Для нас полезными свойствами часового кварцевого резонатора является малая цена, малые габариты, кратность частоты одному герцу и относительно малая частота резонанса. Последнее свойство определяет частоту задающего генератора, и, как следствие, малое потребление тока этим генератором от источника питания.
Итак, для формирования секундных импульсов (частота 1 Гц) потребуется делитель частоты на 32768. Для формирования из секундных импульсов минутных импульсов потребуется ещё один делитель частоты. Так как в минуте содержится 60 секунд, то нам потребуется делитель на 60. Уточнённая структурная схема разрабатываемого цифрового устройства приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Уточнённая структурная схема устройства измерения времени
Теперь займёмся схемой счётчика временных интервалов. Он будет состоять из счетчика минут и счётчика часов. Мы знаем, что счётчик минут должен работать по основанию 60. В то же самое время мы привыкли воспринимать числа в десятичной системе счисления. Поэтому будет удобно разбить счётчик минут на два счётчика: на десятичный счётчик и счётчик, считающий до шести.
Счетчик часов можно выполнить по основанию 12 и по основанию 24. Пусть в наших часах счётчик будет работать по основанию 24. При этом для удобства отображения информации, также как и в счётчике минут, реализуем его на двух десятичных счетчиках.
Следующий блок, который обязательно должен входить в состав часов — это устройство индикации. Ведь никого не устроят часы, которые будут точно отсчитывать время, но при этом мы не сможем увидеть результат!
Выберем в качестве устройства отображения времени светодиодные семисегментные индикаторы. В этом случае мы получим устройство, способное работать при отрицательной температуре и обладающее при этом наиболее простой схемой.
Для преобразования кода, в котором работает счётчик минутных импульсов, в семисегментный код нам потребуется дешифратор. То есть, блок индикации будет состоять из дешифраторов и собственно индикаторов. Уточнённая структурная схема часов приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Структурная схема часов
И, наконец, последнее замечание. Любые часы время от времени требуют коррекции своего значения с целью синхронизации своих показаний с всемирным временем. В нашей схеме это будет делать блок коррекции, который в свою очередь будет состоять из кнопок и схемы установки внутреннего состояния счётчика временных интервалов.
На этом можно завершить разработку структурной схемы. Полная структурная схема часов с учётом блока индикации и блока коррекции времени приведена на рисунке 4.
Рисунок 4. Уточнённая структурная схема часов
Теперь, после того как составлена структурная схема часов, можно приступить к разработке их принципиальной схемы.
Источник
10.6. Цифровой метод измерения интервалов времени
10.6. Цифровой метод измерения интервалов времени
Решение многих радиотехнических задач связано с измерением интервалов времени. Обычно приходится измерять как очень малые (единицы пико-секунд) так и очень большие (сотни секунд) интервалы времени. Интервалы времени могут также быть не только повторяющимися, но и однократными.
Различают два основных способа измерения интервалов времени: осцил-лографический и цифровой.
Измерение интервалов времени с помощью осциллографа проводится по осциллограмме исследуемого напряжения с использованием «линейной» развертки. Из-за нелинейности развертки, а также больших погрешностей отсчета начала и конца интервала общая погрешность измерения составляет единицы процентов. В последние годы интервалы времени в основном измеряются цифровыми методами.
Измерения интервалов времени с помощью цифрового частотомера.
Принцип измерения периода гармонического сигнала цифровым методом с помощью цифрового частотомера поясняется рис. 10.8, где приведены структурная схема устройства и соответствующие его работе временные диаграммы. Измерение интервала времени Тх цифровым методом основано на заполнении его импульсами , следующими с образцовым периодом Т0, и подсчете числа Mx этих импульсов за время Тх.
Основные элементы устройства и их действие были проанализированы в предыдущем разделе. В данном случае гармонический сигнал, период Tx, которого требуется измерить, после прохождения входного устройства (ВУ) (u1 — выходной сигнал ВУ) и формирователя импульсов (ФИ) преобразуется в последовательность коротких импульсов и2 с измеряемым периодом. В устройстве формирования и управления из них формируется строб-импульс u3 прямоугольной формы и длительностью Тх, поступающий на один из входов временного селектора (ВС). На второй вход этого селектора подаются короткие импульсы и4 с образцовым периодом следования Т0, сформированные декадным делителем частоты (ДДЧ) из колебаний кварцевого генератора (КГ).
Временной селектор пропускает на счетчик (СЧ) число Мх счетных импульсов и5 в течение интервала времени Тх равном длительности строб-импульса и3.
Из рис. 10.8, б следует, что измеряемый период определяется как
где △tД = △tн- △tк — общая погрешность дискретизации (дискретности); △tн и △tк — погрешности дискретизации начала и конца периода Тх.
Без учета в формуле (10.8) погрешности △tД число импульсов, поступившее на счетчик, Мх= Тх /То, а измеряемый период пропорционален Мх:
Выходной код счетчика, поступающий на цифровое отсчетное устройство, соответствует числу подсчитанных им счетных импульсов Мх, а показания ЦОУ — периоду Тх, поскольку период следования счетных импульсов и5 необходимо выбирать из соотношения Т0= 10-n, где п — целое число. В частности, при п = 6, ЦОУ отображает число Мх, соответствующее периоду Тх , выраженному в микросекундах.
Погрешность измерения периода Тх, как и при измерении частоты, имеет систематическую и случайную составляющие.
Систематическая составляющая зависит от относительной стабильности δкв образцовой частоты кварцевого генератора, а случайная определяется в основном погрешностью дискретизации △tД , рассмотренной в разделе 10.5. Максимальное значение этой погрешности удобно учитывать через эквивалентное изменение числа счетных импульсовМх на ± 1. При этом максимальная абсолютная погрешность дискретизации может быть определена разностью двух значений периода Тх, получаемых по формуле (10.9) при числах Мх ± 1 и Мх, и равна △Тх = ± То. Соответствующая максимальная относительная погрешность δ = ± △Тх /Тх = ± 1/Мх = ± 1/(Тхf0) ,
где f0=1/ То – значение образцовой частоты кварцевого генератора.
На погрешность измерения влияют также шумы в каналах формирования строб-импульса u3 и импульсов и4 (рис. 10.8, а), вносящие в их положение временную модуляцию по случайному закону. Однако в реальных приборах с большим отношением сигнал/шум погрешность измерения за счет влияния шума пренебрежимо мала по сравнению с погрешностью дискретизации.
Суммарная относительная погрешность измерения периода определяется в процентах по формуле:
δ Тх =±100 √ δкв2 + 1/ Тхf0 (10.10)
Из выражения (10.10) следует, что из-за погрешности дискретизации погрешность измерения периода Тх резко увеличивается при его уменьшении. Повышения точности измерений можно добиться за счет увеличения частоты f0 кварцевого генератора (путем умножения его частоты в Ку раз), т.е. путём увеличения числа счетных импульсов Мх. С этой же целью в схему после входного устройства вводят делитель частоты исследуемого сигнала с коэффициентом деления К (на рис. 10.8, а не показан). При этом выполняется измерение К исследуемых периодов Тх и в такое же раз уменьшается относительная погрешность дискретизации.
Погрешность дискретизации можно уменьшить и способом измерений с многократными наблюдениями. Однако это значительно увеличивает время измерений. Поэтому разработаны методы, уменьшающие погрешность дискретизации с малым увеличением времени измерения. Это метод интерполяции и нониусный метод.
Метод интерполяции. Суть этого метода состоит в том, что помимо целого числа периодов счетных импульсов, заполняющих измеряемый интервал времени, учитываются и дробные части периода, заключенные между началом интервала и первым счетным импульсом, а также между последним счетным импульсом и концом интервала.Принцип измерения временных интервалов методом интерполяции поясняет рис. 10.9.
Пусть измеряется интервал времени Тх, начало и конец которого заданы положением импульсов uн и ик соответственно (рис. 10.9, а). При этом предполагается,что начало измеряемого интервала не связано синхронно со счетными импульсами, приведенными на рис. 10.9,а, б. Для уменьшения составляющих погрешности дискретизации △tн и △tк в начале и конце интервала Тх, можно расширить в k раз интервалы △tн и △tк и измерять их, заполнив счетными импульсами. Учитывая еще и погрешности расширителей, на практике расширяют эти интервалы до большей длительности. Ими могут быть, например, вспомогательные расширенные интервалы τ1 = 2Tо – △tн и τ2 = 2Tо- △tк (рис. 10.9, в). Чтобы еще уменьшить погрешности дискретизации, вспомогательные интервалы можно в свою очередь также расширить. Полученные основные расширенные интервалы имеют длительности k1 τ1 и
k2 τ2 соответственно (рис. 10.9, г), где k1 и k2, — коэффициенты расширения. Расширители строят, используя обычно способ заряда и разряда конденсатора с разной скоростью.
Основные расширенные интервалы, а также интервал τ0 между концами импульсов τ1 и τ2 измеряют цифровым методом, используя каналы, содержащие временной селектор и счетчик. Счетные импульсы, поступившие на вход каждого счетчика при измерении основных расширенных интервалов, показаны на рис. 10.9, д. Измеряемые расширенные интервалы и интервал τ0, как следует из рис. 10.9, можно представить в виде:
k1 τ1 = N1T0+△tk1; k2 τ2 = N2T0+ △tk2; τ0=N0T0, (10.11)
где N1, N2, и n0 — числа счетных импульсов, заполнивших отмеченные интервалы, а △tk1 и △tk2 — погрешности дискретизации измерения основных расширенных интервалов.
Из временных диаграмм на рис. 10.9 также видно, что искомый интервал можно определить как Tx= τ0+ τ1 – τ2. Подставляя в это выражение параметры τ0, τ1 и τ2, вычисляемые по (10.11), находим, что
Tx = N0T0+( N1T0 +△tk1)/k1 – (N2T0+ △tk2)/k2. (10.12)
При одинаковых коэффициентах расширения сторон измеряемого интервала (k1= k2 = k), получим
Tx =T0 ⌈N0+(N1- N2)/k⌉+(△tk1- △tk2)/k. (10.13)
Погрешности дискретизации △tk1 и △tk2 имеют равномерное распределение с пределами О…T0, а их разность △tk1- △tk2 распределена по треугольному закону с пределами ± Т0. Поэтому максимальная погрешность дискретизации при измерении интервала Тх равна T0 /k и уменьшается с ростом коэффициента расширения k. На практике этот коэффициент выбирают равным 128 или 256 (это связано с разрядностью дискретизаторов), так как при его дальнейшем увеличении существенно возрастает погрешность расширителей интервалов.
Нониусный метод. В измерителях интервалов времени применяют и дополнительные методы расширения рабочего диапазона в сторону малых значений △t . Одним из них является нониусный (нониус — указатель средства измерения в виде дополнительной шкалы). Этот метод позволяет снизить погрешность дискретизации, которая становится недопустимо большой при измерении коротких (десятки наносекунд) интервалов времени. С этим приходится иметь дело, например, при измерении длительности фронта импульсных сигналов. Практическая реализация нониусного способа обеспечивает временное разрешение порядка десятых долей наносекунды.
Современные измерительные приборы на основе микропроцессоров выполняют функции измерения интервалов времени и частоты на единой основе. Это связано с формированием и последующим измерением интервала времени, равного измеряемому интервалу (при измерении времени) или целому числу периодов измеряемого сигнала (при измерении периода и частоты). Сформированный интервал измеряется цифровым методом с интерполяцией для уменьшения погрешности дискретизации.
В таких приборах при измерении расширенных интервалов k1 τ1 , k2 τ2 и интервала τ0 (рис. 10.9) соответствующие числа счетных импульсов (N1, N2 и No), заполняющих эти интервалы, накапливаются в отдельных регистрах.
Длительность Tx одиночного измеряемого интервала вычисляется микропроцессором согласно формуле:
Tx=T0⌈N0+(N1- N2- △Nср)/k⌉ , (10.14)
где △Nср — поправочное число, учитывающее взаимное рассогласование расширителей и определяемое в процессе их автоматической калибровки с помощью микропроцессора.
При измерении повторяющихся интервалов (с усреднением) дополнительно подсчитывается число ne усредненных за время измерения интервалов. В этом случае измеряемый интервал времени вычисляется как
При измерении периода Тх число ne определяет количество усредняемых периодов. При этом период вычисляют по формуле:
Источник
Проектирование цифровых устройств на микроконтроллерах
Проектирование любого устройства начинается с анализа технического задания. В зависимости от предъявляемых требований для реализации устройства может потребоваться различная элементная база. В ряде случаев подходят готовые микросхемы, ведь обычно решаются однотипные задачи с небольшими изменениями параметров. Иногда, при решении новых уникальных задач, приходится использовать универсальные микросхемы.
Для обработки аналоговых сигналов применяются сигнальные процессоры, операционные усилители или в крайнем случае строится схема на транзисторах. Применение сигнальных процессоров оправдано на относительно низких частотах при повышенных требованиях к качеству сигнала (большой динамический диапазон, повышенные требования к частотной избирательности или необходимость реализовать в одном устройстве много блоков) при повышении значений обрабатываемых частот может потребоваться разработка схемы устройства на транзисторах, тем более, что габариты этих устройств в настоящее время невелики и вся схема целиком может занимать место, соизмеримое с местом, занимаемым микросхемой.
Для реализации быстродействующих цифровых устройств (в том числе и предназначенных для обработки аналоговых сигналов) обычно применяются программируемые логические интегральные схемы. Если же требуется построить малогабаритное устройство с достаточно сложным алгоритмом работы, то альтернативы устройствам, спроектированным на основе микроконтроллера, нет.
Рассмотрим пример разработки схемы и написания программы для микроконтроллера. Прежде всего не нужно забывать, что программа не может существовать отдельно независимо от схемы устройства. Если при написании программы для универсального компьютера, такого как IBM PC можно не задумываться о схеме, так как она стандартная, то перед написанием программы для микроконтроллера необходимо разработать схему устройства, в состав которого будет входить микроконтроллер. Мельчайшие изменения в принципиальной схеме устройства приводят к изменению программы, написанной для этого устройства.
При разработке схемы не стоит забывать о том, что некоторые решения легко реализуются схемно, но при этом могут потребовать чрезвычайно сложных программных решений или чрезвычайно высоких требований к производительности микроконтроллера. И наоборот. Элементарное программное решение может быть эквивалентно чрезвычайно сложному схемному решению. Поэтому чрезвычайно важно правильно разделять программную и аппаратурную часть реализации алгоритма работы разрабатываемого устройства.
При разделении аппаратурной и программной части устройства очень важно правильно выбирать конкретный тип микроконтроллера. Ведь в одних микросхемах присутствуют блоки, отсутствующие в других. При этом в случае разработки серийного устройства приходится учитывать возможность прекращения выпуска выбранного типа микросхем. С этой точки зрения лучше выбирать микроконтроллеры, выпускаемые как можно большим числом фирм-производителей микросхем.
Выберем в качестве примера разработку часов на микроконтроллере. Естественно использовать микроконтроллер для реализации часов неоправданно, так как существует огромное количество специализированных микросхем, реализующих эту задачу. Однако, если часы помимо основной функции должны будут выполнять ещё какие-либо задачи, то применение универсальной микросхемы — микроконтроллера может быть вполне оправдано. В нашем случае реализация часов рассматривается просто как учебный пример. Тем не менее, при необходимости, это устройство, при небольшом изменении схемы и программы, может выполнять дополнительные функции.
Как и разработка любого устройства, разработка микропроцессорного устройства начинается с разработки структурной схемы.
Разработка структурной схемы часов
Проанализируем как должно работать разрабатываемое устройство. Часы обязательно должны содержать устройство измерения времени, которое в свою очередь всегда состоит из генератора эталонных интервалов времени и счётчика этих интервалов. Структурная схема устройства измерения времени приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема устройства измерения времени (часов)
В простейшем случае генератор импульсов эталонной длительности должен вырабатывать минутные импульсы. В качестве генератора эталонных импульсов мог бы подойти кварцевый генератор, так как этот тип генераторов обладает высокой стабильностью колебаний. Но кварцевые генераторы вырабатывают колебания в диапазоне от 1 до 30 МГц. Это соответствует временным интервалам от 0.03 до 1 мкС. Тем не менее, если воспользоваться делителем частоты, выполненном на двоичном счетчике, то можно получить импульсы с периодом 1 минута.
Выберем частоту работы кварцевого генератора. Мы предполагаем использовать микроконтроллер семейства MCS-51, поэтому выберем частоту кварцевого генератора обычную для этих микроконтроллеров &mbrash; 12 МГц. Тогда для формирования секундных импульсов (частота 1 Гц) потребуется делитель частоты на 12000000. Для формирования минутных импульсов потребуется ещё один делитель частоты. Так как в минуте содержится 60 секунд, то нам потребуется делитель на 60.
Уточнённая структурная схема разрабатываемого микропроцессорного устройства приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Уточнённая структурная схема устройства измерения времени
Следующий блок, который обязательно должен входить в состав часов &mbrash; это устройство индикации. Выберем в качестве устройства отображения светодиодные семисегментные индикаторы. Для преобразования кода, в котором работает счётчик минутных импульсов, в семисегментный код потребуется дешифратор. То есть, блок индикации будет состоятьиз дешифратора и собственно индикаторов.
И, наконец, последнее замечание. Любые часы время от времени требуют коррекции своего значения с целью синхронизации своих показаний с всемирным временем. Это будет делать блок коррекции, который в свою очередь будет состоять из кнопок и схемы установки внутреннего состояния счётчика временных интервалов.
Структурная схема часов с учётом блока индикации и блока коррекции времени приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Структурная схема часов
После разработки структурной схемы часов определим какая часть будет реализовываться на аппаратных ресурсах микроконтроллера, что потребует дополнительных ресурсов, и какая часть может быть реализована программно.
Теперь можно приступить к разработке принципиальной схемы устройства.
Источник