Чекасин Виктор Васильевич / RadioAmateur: Измерительная Лаборатория РадиоЛюбителя

Цели проекта:
— Протестировать микроконтроллер на возможность создания на его основе простой для повторения радио-измерительной лаборатории.

— Разработать алгоритмы, прототип и прошивку для такого устройства

Описание задачи:

  1. Ключевые задачи:
  • Исследовать МК на максимально возможные рабочие частоты по входам/выходам;
  • Исследовать МК на максимальные фактические возможные скорости работы АЦП, генерации ШИМ, измерение временных интервалов;
  • Исследовать аналоговые и преобразовательные свойств АЦП (Линейность, шумы, стабильность и прочее);
  • Исследовать возможность и методы использования АЦП для разработки осциллографа, в том числе — метода эквивалентного времени выборки (Equivalent-Time Sampling — ETS);
  • Исследовать возможность и методы использования АЦП для разработки высокоточного измерителя постоянного напряжения;
  • Разработать рабочие прототипы алгоритмов и прошивок для решения указанных выше ключевых задач.
  1. Технические и иные требования:
  • С целью облегчения повторения конструкции схемотехнические решения не должны включать другие компоненты, кроме обязательных: МК, источники вторичного питания и рекомендуемые производителем МК при эксплуатации элементы; 
  • Устройство будет иметь внешний графический интерфейс, подключаемый через интерфейс UART;
  • Это устройство должно использовать стандартизированный протокол обмена сообщениями с внешними устройствами.
  • Источники опорной тактовой частоты должны быть стабильными (кварцевая стабилизация);
  • Диапазон выходных и входных напряжений — от 0 до 3 Вольт, не менее;
  • Диапазон входных частот — максимально возможные, но не менее 10 Мгц;
  • Разрешение при измерении напряжения постоянного тока не менее 50 мкВ;
  • Разрешение при измерении напряжения переменного тока не менее 3.0 мВ;
  • Погрешность задания и измерения частоты  — 8 действительных десятичных знаков.

Ключевые особенности реализации:

  1. Используемый микроконтроллер:
    • К1921ВГ015.
  2. Алгоритмы/программное обеспечение:
    • Описание алгоритма прошивки см. в файле «ИРЛР прошивка».
    • Использовались IDE Syntacore, SDK от НИИЭТ, в том числе настроенные примеры и шаблоны.
    • Никакая ОС не поддерживается, «Голое железо».
  3. Аппаратная часть:
    • При разработке и отладке использовались
      1. ПЛАТА МАКЕТНО-ОТЛАДОЧНАЯ ДЛЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА К1921ВГ015КФДЛ.441461.029;
      2. Функциональный генератор на базе микросхемы ICL8038;
      3. Частотомер E330;
      4. Мультиметр EM361;
      5. ПК с ОС Windows 10;
      6. WebGUI собственной разработки.
  4. Образовательный или промышленный контекст:
    • Это проект может быть использован в учебных целях, в том числе изделие.

Результаты:

  • Удалось протестировать К1921ВГ015 на предмет применимости в проекте ИРЛР. Основной функционал — быстрый осциллограф реализован. Дополнительная возможность – ETS метод реализован, хотя и с некоторыми ограничениями. Другой функционал частью реализован, частью — не сложно реализовать.
  • Получившаяся скорость выборки, 5MSPS при 8 бит разрешения значительно выше, чем у известных мне МК, в том числе зарубежных. Низкое энергопотребление позволяет на основе этого МК сделать прибор с батарейным питанием. Очень гибкие настройки позволяет реализовать и другую нужную для лаборатории функциональность. 

Выводы:

  • Проведено исследование применимости МК и разработка проекта Измерительной Лаборатории. Ожидается доработка и публикация проекта, чтобы опубликовать на любительских и учебных ресурсах. Устройство может быть собрано в условиях студенческой лаборатории как для исследования устройства, так и для другого применения. Может быть создано бюджетное устройство с хорошими, не бюджетными возможностями, в том числе радиолюбителями.
  • МК К1921ВГ015 на RISC-V не только доказал свою всестороннюю эффективность но и является перспективной разработкой.]

Перспективы:

  • Проект будет мною дорабатываться, в том числе в части внешних элементов. После исправления имеющейся проблемы с USB скорость связи с GUI многократно возрастет, что значительно расширит функциональность. Для случая батарейного питания возможно переключение на режим микротокового потребления в паузы.
  • После широкой публикации проекта ожидается заинтересованность производителей и рынка. Простые вещи за небольшую цену всегда востребованы.

Демонстрация Осциллографа и ШИМ

Скорость выборки АЦП 5 Мвыб/сек. Выход TRM1 CAPCOM[2] ШИМ подключен на вход 0 ADCSAR и выдает меандр частотой 100 кГц.

Несмотря на то, что скорость выборки в 50 раз превышает частоту меандра, осциллограмма  выглядит искаженной. 

Скорость выборки АЦП 5 Мвыб/сек. Выход TRM1 CAPCOM[2] ШИМ подключен на вход 0 ADCSAR и выдает сигнал  5 кГц, скважность 10%.

Скорость выборки в 1000 раз превышает частоту ШИМ, осциллограмма  выгляди идеальной.

Примечание.

На мониторе — Приложение Serial Web GUI — графический интерфейс, специально разработанный мною под этот проект.

Реализация ETS метода

На рисунке ниже показано как выглядит реализация

Здесь:

— частота входного меандра 10Мгц,

— скорость выборки 9992 Гц

Видим, что на осциллограмме получилось снять 5 замеров на периоде.   Для получения большей достоверности этого не достаточно.

Можно оценить постоянную времени этой тестовой цепи на уровне 1/5 периода, т. е. 20 нС. У меня между источником ШИМ и входом АЦП включен резистор 47 Ом.  В РП указано минимальное время измерения 3..5 нС,  что соответствует постоянной времени входных цепей АЦП приблизительно 1 нС. Там же в РП в таблице показан прирост +3 нС на каждые 50 Ом входного сопротивления источника сигнала. Расчет дает входную емкость 5..8 пФ. Исходя из постоянной времени входной цепи АЦП в 1нС следует ожидать во входной цепи внутри кристалла последовательное сопротивление в 125..200 Ом.

Можно оценить выходное сопротивление канала GPIO. При емкости 3..5 пФ и постоянной времени 20 нС, сопротивление в RC цепи должно быть 20*103 / 5 = 4 .. 7 кОм.

Таким образом моя оценка выходного сопротивления GPIO – 4 кОм.

Моя оценка полосы пропускания входа АЦП по уровню -3 дБ, это 1 ГГц. Тот интегрированный меандр 10 МГц что я вижу на осциллограмме — это по причине высокого  сопротивления источника сигнала моей тестовой схемы.

ВЫВОД: EST метод для МК К1921ВГ015 применим до частот 0,5..1 ГГц.    

Еще пример реализации

Здесь:

— частота входного меандра 5Мгц,

— скорость выборки 1000,14 Гц

Видим, что на осциллограмме получилось снять 8 замеров на периоде.   Для получения большей достоверности этого не достаточно.

Причина в том, что этот МК не позволяет получить частоту выборки как можно ближе к частоте сигнала с достаточным разрешением.

Однако, считаю, что для любительских и учебных целей результат неплохой

На этих рисунках для настройки используется количество тактов длительности одной выборки, а не ее частота. Так удобнее.