2801

Литература

1. ГОСТ 7505-89 Поковки стальные штампованные, допуски, припуски и кузнечные напуски. М.: Госстандарт, 1985. 52 с.

Воронежский государственный технический университет

51

УДК 621.9

С.А. Мухин, Л.Н. Никитин

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ЧАСТОТОМЕР НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ

Рассматриваются способы измерения частоты с помощью микроконтроллеров

В радиолюбительской практике наиболее распространены два способа измерения частоты с помощью микроконтроллеров. В первом способе выбирают фиксированный интервал времени и подсчитывают число колебаний входного сигнала в течение этого интервала. Именно этот способ используется в предлагаемом устройстве. Подсчитав число периодов входного сигнала за известное время (100 мс, 1 с или 10 с), он приводит его к секундному интервалу и показывает на индикаторе значение частоты в герцах или кратных им единицам. Второй способ заключается в измерении интервала времени между приходом нескольких импульсов входного сигнала, число которых обычно кратно десяти. Этот способ можно применять только в случае сигналов низкой частоты. Структурная схема частотомера приведена на рисунке.

Структурная схема частотомера

52

Частотомер построен на микроконтроллере фирмы «Atmel» модели ATmega8515-16PI. Восьмиразрядные RISC-

микроконтроллеры AVR являются одними из самых быстрых микроконтроллеров в мире. Одной из причин, обуславливающей большое быстродействие, является использование двухуровневого конвейера. Поэтому они могут выполнять команды в каждом такте (в отличие от популярных микроконтроллеров PIC фирмы Microchip и других). Единственным недостатком, впрочем, весьма относительным, является меньшее распространение микроконтроллеров AVR по сравнению, например, с микроконтроллерами PIC фирмы Microchip.

Для надежной работы на входе счетчика должен быть установлен формирователь, превращающий исходный сигнал любой формы и амплитуды в последовательность нормированных по амплитуде импульсов с крутыми перепадами. Практически все остальные узлы, необходимые для измерения частоты и вывода результата на индикатор, имеется в микроконтроллере, что делает этот прибор весьма удобным для реализации на нем частотомера. Трудность состоит лишь в сравнительной низкочастотности счетчика, встроенного в микроконтроллер. Это вынуждает добавлять между выходом формирователя и входом микроконтроллера предварительный делитель частоты импульсов, понижающий ее до приемлемого значения (в 16 раз).

Частота на входе микроконтроллера должна быть в 2 раза меньше тактовой частоты микроконтроллера (тактовая частота микроконтроллера равна 8 МГц). Однако чтобы гарантировать обнаружение фронтов внешнего сигнала, частота на входе микроконтроллера должна быть даже в 2,5 раз меньше тактовой частоты микроконтроллера. Так как предварительный делитель уменьшает частоту в 16 раз, то это позволяет измерять сигналы с частотой до 50 МГц.

Принцип измерения состоит в следующем. Сформированные импульсы поступают на вход предварительного делителя частоты (синхронного четырехразрядного двоичного счетчика с асинхронным сбросом). Частота импульсов на одном из выходов счетчика и на

53

счетном входе микроконтроллера в 16 раз меньше исходной. В начале цикла измерения на вход разрешения счета счетчика подается низкий уровень и счет не производится. Кратковременным сигналом низкого уровня, сформированным на выходе микроконтроллера, счетчик устанавливается в нулевое состояние. Затем на время, зависящее от выбранного режима измерения (0,1 с, 1 с или 10 с) на вход разрешения счета подается высокий уровень. Двоичный счетчик производит подсчет импульсов. На счетный вход микроконтроллера поступают импульсы с одного из выходов двоичного счетчика, эти сигналы подсчитывает встроенный 16 битный счетчик микроконтроллера Т1. По истечении счетного интервала программа запрещает дальнейший счет и считывает состояние выходов внешнего счетчика. Далее она обрабатывает результаты работы предварительного двоичного и встроенного счетчиков, вычисляет значение частоты и выводит его на двустрочный символьный ЖКИ. Описанный цикл периодически повторяется. Также частотомер может запоминать текущее значение частоты и выводить его на дисплей в каждом следующем измерительном цикле.

Имеется возможность программной модернизации и модификации устройства. При написании программы использовались методы так называемого «безопасного программирования», то есть даже в результате какой-либо непредвиденной ошибки программа либо продолжит работу, исправив ошибку, либо сбросит микроконтроллер, в результате чего восстановится нормальное функционирование программы. Если же при написании программы не использовать методы «безопасного программирования», то в результате ошибки прибор может работать, но выдавать неверный результат. Работоспособность восстановится только при следующем включении частотомера.

Устройство разработано, основываясь на аналогичном, описанном в [4]. Схема устройства существенно изменена, исправлена ошибка формирования импульсов, подающихся на вход микроконтроллера. Дело в том, что синхронизация внешнего сигнала осуществляется с частотой тактового генератора (состояние вывода Т1 считывается по нарастающему фронту).

54

Для обнаружения фронта внешнего сигнала необходимо, чтобы не частота была меньше допустимой, а длительность импульсов была больше периода тактового сигнала микроконтроллера, что более точно. Проще говоря, время удержания импульса на входе микроконтроллера должно быть больше периода тактового сигнала и тогда импульс будет зафиксирован. В частотомере, приведенном в [4], производится тоже деление частоты в 16 раз, но затем стоит дешифратор (видимо для полного использования логических элементов микросхемы), который при переполнении счетчика выдает импульс с длительностью такой же, как и до делителя, но частотой в 16 раз меньше. Поэтому частотомер на частотах уже выше 4 МГц работает не корректно (хотя заявлено 32 МГц). Данный недостаток исправлен в предлагаемом устройстве. Элементная база значительно изменена, например, вместо микросхемы счетчика с граничной частотой 32 МГц используется быстродействующая с граничной частотой 110 МГц. В частотомере, описанном в [4], имеется только один режим измерения (импульсы подсчитываются в течение 100 мс), для большей точности в разработанном приборе уже три режима измерения (импульсы подсчитываются в течение 100 мс, 1 с или 10 с). Программа была переписана заново, введена балластная задержка, благодаря которой на время измерения не оказывает влияние число прерываний по переполнению шестнадцатиразрядного таймера/счетчика, как это происходит в частотомере, описанном в [4], что избавляет от дополнительной погрешности.

Таким образом, погрешность измерения практически зависит только от нестабильности кварцевого генератора. При применении температурной стабилизации эту погрешность можно свести к минимуму. Чувствительность и максимальная амплитуда входного сигнала является достаточными для большинства измерений. Что же касается верхней граничной частоты, то её можно увеличить, используя внешний высокочастотный делитель. Применение высокочастотного делителя в составе данной конструкции не целесообразно, он должен быть выносным.

Исходя из вышеизложенного можно сделать заключе-

55

ние: во-первых, предлагаемое устройство просто схемотехнически, что позволяет собрать его в радиолюбительских условиях; во-вторых, частотомер собран на современной, но доступной и дешевой элементной базе, что позволяет использовать его в учебно-конструкторском процессе; в-третьих, исходя из основных технических характеристик можно сказать, что прибор конкурентоспособен по сравнению с частотомерами, изготовленными на предприятиях.

Литература

1.Мортон Джон. Микроконтроллеры AVR. Вводный курс /Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Додека ХХI», 2006. – 272 с.

2.Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL, 4-е изд., стер. – М.: Издательский дом «Додека ХХI», 2007. – 560 с.

3.Хлюпин Н. Частотомер – цифровая шкала с цифровым индикатором. – Радио, 2004, № 7. С. 64, 65.

4.Хливенко И. Частотомер с ЖК индикатором. - Радио, 2006. № 9. С. 32 - 34.

5.Web-сайт компании Atmel: www.atmel.com, www.atmel.ru.

Воронежский государственный технический университет

56

УДК 621.329

А.В. Литвиненко, Н.А. Поленова, Н.Э. Самойленко, Ю.С. Балашов

ПОДСИСТЕМА АНАЛИЗА НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

В данной статье представлена разработка подсистемы анализа надежности электронных средств с учетом различных методов резервирования: общее, раздельное, равномерно общее, равномерно раздельное, скользящее, общее резервирование

Существует огромное количество программных средств, позволяющих провести анализ надежности, но этому препятствует их большая стоимость, которая не позволяет приобрести данный продукт, если нет необходимых материальных ресурсов, эта проблема особенно актуальна для ВУЗов и малых предприятий..

Еще одним минусом является то, что многие специализированные программы это результат зарубежных разработок, требующих предварительной адаптации, а именно языковое соответствие программы и базы данных.

Разработка подсистемы по оценке надежности состоит из трех этапов: создание математического обеспечения, информационного и программного.

На стадии разработки информационного обеспечения выбрана реляционная (табличная) модель, состоящая из таблиц

Microsoft Excel.

Удобство программы заключается в свободной работе с базой данных, с возможностью формирования резервных блоков.

Для удобства программной обработки и минимизации машинной памяти создана единая структура таблиц для всех типов элементов, что позволило осуществить надежное хранение, быстрый поиск и удобную коррекцию данных по различным категориям – конденсаторы, резисторы, трансформаторы,

57

интегральные микросхемы, соединения, линии задержки. Подсистема “Analiz-n” имеет модульную структуру, что

важно для удобства ее последующей доработки и возможности интеграции с другими программами автоматизированного проектирования. Все таблицы находятся в папке базы данных подсистемы.

Для расширения базы данных, а именно добавления новой таблицы, достаточно просто добавить новую таблицу в папку БД.

Единственное условие заключается в том, что количество и типы столбцов таблицы должны соответствовать введенной унифицированной структуре, а именно интенсивность отказов должны находиться в пятом столбце таблицы.

Рис. 1. Структура базы данных подсистемы

58

Разработанная база данных позволяет провести ориентировочный и полной расчет надежности. Данный метод построен на влиянии на характеристики надежности конкретных условий эксплуатации и режимов работы элементов, они учитываются с помощью поправочных коэффициентов.

В зависимости от типа элемента, набор поправочных коэффициентов формируется индивидуально в соответствовии с математической моделью, отвечающей выбранному элементу.

Подсистема предназначена для использования в учебном процессе подготовки бакалавров и магистров по направлению конструирования и технологии электронных средств, а также для оценки надежности в ходе дипломного проектирования и на радиотехническом предприятии.

Математические модели для расчета эксплуатационной интенсивности отказов конденсаторов

Группа изделий

Виды математических моделей

Конденсаторы постоянной емкости: ∙

Керамические на номинальное напряжение менее 1600 В Керамические на номинальное напряжение 1600 В и выше

Тонкопленочные с неограниченным диэлектриком

Стеклянные, слюдяные, бумажные, оксидно- электролитические (кроме импульсных)

59

Продолжение таблицы

Оксидноэлектролитические импульсные

Объемно-пористые

Оксиднополупроводниковые

Комбинированные

высоковольтные

импульсные

Поликарбонатные и полипропиленовые

Конденсаторы подстроечные: с твердым диэлектриком, воздушные

Полный метод расчета надежности проводится по следующим математическим моделям, на которых, в свою очередь, основана работа программного комплекса.

В состав математического обеспечения подсистемы мы включили модели надежности для следующих видов резервирования – общего, раздельного, равномерно общего, равномерно раздельного и скользящего резервирования.

Также был разработан комплекс алгоритмов, обеспечивающих проведение расчета по выбранным моделям надежности; в качестве итогового показателя надежности целесообразно выбрать вероятность безотказной работы анализируемого блока.

Работа “Analiz-n” основывается на полном методе расчета надежности.

Подсистема позволяет оценить надежность резервированной и нерезервированной систем, при этом учитывая различные типы резервирования: общее, раздельное, равномерно общее, равномерно раздельное, скользящее резервирование.

Была разработана база данных, структура которой осно-

60