Разработка автоматического устройства для регистрации крутильной волны в персональном компьютере, страница 3

Второй модуль – это персональный компьютер (ПК), в корпусе которого располагается АЦП и ОЗУ.

Принцип работы:

1)  ГС вырабатывает высокочастотный импульс 1,25 МГц. Амплитуда сигнала равна 10мВ.

2)  В волноводе ЭМАП генерирует крутильную волну со скоростью 5100 м/с.

3)  Отраженная волна принимается ЭМАП и поступает на вход предварительного усилителя.

4)  Предварительный усилитель принимает сигнал и увеличивает его амплитуду в 100 раз, то есть имеет фиксированный коэффициент усиления во всём диапазоне частот.

5)  АЦП аналоговый сигнал в диапазоне ±0,5 вольт преобразует в цифровой код и передаёт по шине PCI в ОЗУ.

6)  Центральный процессор обрабатывает сигнал с использованием программного продукта «Осциллограф».

7)  Данные программы отображаются на мониторе ПК.

 

Описание генератора

 

Г6-45	0,01Гц-100МГц (синус, треугольник, прямоугольник)
Широкий диапазон генерируемых колебаний Электрическая имитация в реальном режиме времени звеньев и устройств телекоммуникаций и электрический анализ и синтез тестовых черно-белых и цветных изображений НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ Генератор сигналов сложной формы Г6-45 (далее генератор) предназначен для генерирования электрических сигналов: синусоидальной формы в диапазоне частот 0,01 Гц до 100 МГц; прямоугольной формы в диапазоне частот от 0,01 Гц до 10 МГц со скважностью 50 %; треугольной и пилообразной формы в диапазоне частот от 0,01 Гц до 100 кГц. Генератор имеет возможность формирования сигналов с различными видами модуляции, функциональных и телевизионных сигналов. Область применения генератора: исследование, настройка и испытание систем и приборов, используемых в радиоэлектронике, автоматике, акустике, вычислительной и измерительной технике, геофизике, биофизике, машиностроении и приборостроении. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Диапазон частот генерируемых сигналов:
- синусоидальной формы;	От 0,01 Гц до 100 МГц
- прямоугольной формы;	От 0,01 Гц до 10 МГц
- треугольной и пилообразной формы.	От 0,01 Гц до 100 кГц
Пределы допускаемой основной относительной погрешности установки частоты, %, не более	± 5·10-3
Относительная нестабильность частоты синусоидального сигнала на частотах более 20 Гц,%, не более	5·10-4
Допускаемое значение изменения частоты синусоидального сигнала при уменьшении уровня выходного сигнала на 10 дБ,%, не более	± 1,5·10-4
Максимальная амплитуда напряжения выходных сигналов:
в диапазоне от 0,01 Гц до 10 МГц, В, не менее	1
в диапазоне от 10 МГц до 100 МГц, В, не менее	0,5
Пределы допускаемой основной относительной погрешности установки амплитуды напряжения выходного сигнала синусоидальной формы в диапазоне частот до 10 МГц, %, не более	± 0,5
Относительная нестабильность амплитуды напряжения выходного сигнала синусоидальной формы,%, не более:
-за любые 15 минут работы	± 0,1
-за любой 3-х часовой интервал времени	± 0,1
Неравномерность амплитуды напряжения выходного сигнала синусоидальной формы, %, не более	± 1,0
Предельно допустимый коэффициент гармоник сигнала синусоидальной формы в диапазоне частот до 100 кГц,%, не более	0,5
Ослабление наибольшей по амплитуде гармоники сигнала синусоидальной формы относительно его первой гармоники, дБ, не менее	40
Предельно допустимый коэффициент нелинейности сигнала треугольной формы на уровне от 0,1 до 0,9,%, не более	1
Параметры сигнала прямоугольной формы:
- длительность фронта, среза, нс, не более	40
- выбросы за фронтом и за срезом, %, не более	5
- неравномерность вершины ,%, не более	1
Пределы допускаемой основной относительной погрешности коэффициента заполнения 0,5 сигнала прямо-угольной формы в диапазоне до 100 кГц,%, не более	1 %
Масса генератора, кг, не более	5
Габаритные размеры генератора, мм, не более	270х110х360
Потребляемая мощность, В А, не более	30
Средняя наработка на отказ, ч, не менее	8000
Среднее время восстановления работоспособного состояния генератора ,ч, не более	4 ч
Рабочие условия применения :
- температура	от плюс 10 до плюс 35 °С
- влажность	80 % при 25 °С
- напряжение питающей сети , В	220 ± 22
- частота питающей сети, Гц	50 ± 1

 

Описание предварительного усилителя

 

Предварительный усилитель обеспечивает фильтрацию и предварительное усиление сигнала без ограничения и имеет регулируемый коэффициент усиления. Предварительный усилитель должен иметь малые собственные тепловые шумы.

 

Расчет частоты дискретизации

            Максимальная частота регистрируемых звуковых сигналов равна 1,25 МГц. Согласно теореме Котельникова для восстановления сигнала по его дискретным отсчетам частота дискретизации должна быть в два раза больше максимальной частоты сигнала. На практике берут в 4-5 раз больше. То есть минимальное значение частоты дискретизации должно быть равным 5 МГц.

 

Выбор АЦП

Выбираем АЦП. Рассмотрим быстродействующие платы аналого-цифрового преобразования для шины PCI ЗАО «Руднев-Шиляев».

Плата	Количество каналов	Число разрядов, бит	Тактовая частота, МГц	Цена, руб.
ЛА-н10М6PCI	2 синхронных канала	8	100	17500
ЛА-н10М8-100PCI	2 синхронных (два однополосных канала)	8	100	22500
ЛА-н150-14PCI	2 синхронных (2 независимых АЦП)	14	7	20900
ЛА-н20-12PCI	2 синхронных (2 независимых АЦП)	12	50	29000

 

Модуль ЛА-н10М6PCI является наиболее подходящим, т.к. скорость преобразования соответствует нашим параметрам. Из-за крутизны фронтов зондирующего и отраженного импульсов считаю достаточной разрешающую способность равной 8 бит. К тому же по сравнению с платой ЛА-н150-14PCI имеет большую частоту дискретизации, что позволит отслеживать изменение времени прохождения крутильной волны с большей точностью.

 

ЛА-н10М6PCI АЦП 8 разрядов 2 канала для PCI шины

Назначение Быстродействующая плата аналого-цифрового преобразования для шины PCI. Отличительные особенности ·  частота дискретизации до 100МГц в одноканальном режиме; ·  режим задания частот дискретизации - фиксированный набор сетки частот кварцевого генератора; ·  ширина полосы пропускания (-3дБ) - 50МГц; ·  АЦП разрешением 8 бит со временем преобразования 20нс; ·  встроенная память для хранения данных; ·  два однополюсных входа для ввода аналоговых сигналов; ·  отключаемое дифференцирование аналоговых входов и входа внешней синхронизации; ·  внешняя или внутренняя синхронизация; ·  внешний или внутренний запуск аналого-цифрового преобразования; ·  программируемый коэффициент усиления; ·  защита от перегрузок по напряжению входов платы ±15В Применение ·  цифровой осциллограф со стробоскопическим эффектом; ·  спектроанализатор; ·  частотомер; ·  вольтметр; ·  наблюдение процесса изменения сигнала в масштабах реального времени; ·  радиолокация ·  испытание годности продукции ·  телефония ·  лабораторные исследования и т.д.

 

Технические характеристики

 

 

Программная поддержка

·  программы: «Осциллограф», «Стробоскопический осциллограф», «Спектроанализатор», «Частотомер», «Вольтметр»

·  библиотека драйверов для программирования в LabVIEW, LabWindows/CVI, Visual Basic, C, C++;

·  работа в MS DOS, WINDOWS 95/98, 2000

Описание ПК

 

PPC-S125

Низкопрофильный панельный полнофункциональный ПК с 12,1’’ TFT ЖК-дисплеем

·  Минимальная толщина корпуса – 54 мм;

·  Дисплей: цветной TFT с диагональю 12,1 дюйма и разрешением 800x600

·  Процессор: Intel Pentium III до 850 МГц;

·  Память ОЗУ: до 1 Гбайт SDRAM (2xDIMM)

·  НЖМД: 1 место для 2,5" НЖМД

·  Соединители IDE для подключения внешних НГМД и CD-ROM;

·  Контроллер Ethernet 10/100Base-T;

·  Порты ввода-вывода:

-        4 последовательных порта (3RS-232, 1хRS-232/422/485);

-        1 универсальный параллельный порт;

-        2 порта USB;

-        порты для подключения клавиатуры и мыши (PS/2);

-        входы и выходы звуковой подсистемы

·  Внешний модуль расширения для установки платы ISA/PCI;

·  Габаритные размеры: 311x237x54 мм;

·  Масса: 2,6 кг.
Устройство ввода

 

 

Расчёт объёма ОЗУ

 

Согласно выбранному АЦП разрешающая способность по амплитуде 256 точек, данное разрешение получается 8-ю двоичными разрядами.

Выбранная разрешающая способность по времени для аналогового сигнала составляет

100 000 000 точек за секунду.

Для хранения полученных результатов преобразования необходимо использовать ОЗУ. Определим необходимый объем микросхем памяти:

Необходимо хранить минимум 100 миллионов 8-ти битных выборок 1-го секундного сигнала. Выборку в 8 бит можно хранить в 8-ми битной ячейке микросхемы памяти. Следовательно, минимальный объем должен составлять 100 000 000 * (1байт) = 100 000 000 байт/сек  =  95 Мб/сек.

 

Блок-схема работы установки и программное обеспечение

           

            В качестве программного обеспечения может использоваться платформа распространенной операционной системы Windows. А также программа, реализующая осциллограф.

                                                                                                                           

 

 

Временная диаграмма работы установки

 

            Для полной проверки АЧХ усилителя потребуется 199 секунд или около 3,32 минуты.

 

 

1 – генерация зондирующего импульса частоты на ГС;

2 – донный импульс;

3 – усиление сигнала;

4 – режим работы АЦП;

5 - режим работы шины данных PCI;

6 – запись данных в ОЗУ;

7 – обработка сигнала с помощью ПО «Осциллограф»;

8 – отображение данных на мониторе ПК.

 

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы было разработано устройство автоматической регистрации крутильной волны с использованием персонального компьютера.

Разработанное устройство позволяет регистрировать аналоговый сигнал амплитудой от 0 до 100 мВ. Разрешающая способность по амплитуде 8 бит, по времени не менее 100 000 000 раз в 1 сек.

Начало регистрации сигнала происходит с момента генерации зондирующего импульса.

Для хранения регистрируемой информации используется ОЗУ емкостью 95 Мб для хранения 1 секунды сигнала.

Для связи и передача данных между ПК и датчиком, в том числе и устройством обработки сигнала, используются провода. Компоненты в корпусе, такие как ОЗУ и АЦП, соединены посредством PCI-магистрали.

 

Список литературы

 

1.  Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. – М. Радио и связь, 1988г.

2.  Цифровые интегральные микросхемы. Справочник. Мальцев П.П. и др. – М.: Радио и связь, 1994г.

3.  Сайты www.rudshel.ru, www.belvar.ru.