Система ПЭВМ IBM PCAT автоматический фазометр (стр. 2 из 4)
Рис.3. Временные диаграммы системы перехода через ноль
Реализация делителя напряжения, гальванической развязки
Так как следует сделать защиту от перенапряжения до 500В, а на вход компаратора нельзя подавать напряжение большее чем напряжение источника питания (5В), то на входе компаратора следует поставить ограничитель напряжения. Схема включения компаратора указана ниже.
Рис.4. Блок гальванической развязки
Опишем функциональное значение каждого компонента данного узла. В качестве компаратора в данном узле используется операционный усилитель (ОУ) DA1. 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, тем более рассчитанные на частоту работы 50 МГц, никто не производит. Поэтому таймер в данной работе будет реализован следующим образом. В качестве генератора импульсов будет использован генератор/делитель фирмы DALLASSemiconductorDS1065-60, частоту которого можно менять программным способом в широком диапазоне частот (30 кГц..60МГц). Программирование этой микросхемы осуществляется по однопроводному интерфейсу MicroLan. К выходу этого генератора будет подсоединен счетчик импульсов, который будет считать такты этого генератора, когда на выходе системы перехода через ноль будет высокий уровень напряжения. В конце цикла счета МК считает число тактов с выхода счетчика и определит эквивалентное время разности фаз эталонного и измеряемого сигналов.
Определим разрядность счетчика для того, чтобы разность фаз определялась с заданной точностью. Так как погрешность измерения фазы 0.2%, то число которое должен хранить счетчик минимум должно быть
Но учитывая, что частота генератора не может быть установлена в точности в 500 раз большая чем у измеряемого сигнала, но может, максимум, отличаться в 2 раза то число которое должен хранить счетчик соответственно удваивается и равно N=1000. Разрядность счетчика для такого числа равна
Так как в качестве секций счетчика будут использованы 4-разрядные счетчики, то для полного использования их возможностей надо взять Np=12. 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 Гц, будет измерять сам микроконтроллер с помощью интегрированного таймера.
Принцип измерения фазы
Измерение фазы ведется в такой последовательности:
1) микроконтроллер с помощью встроенного таймера измеряет частоту сигнала;
2.1) если частота сигнала меньше 7.5 Гц, то разность фаз между сигналами он измеряет сам;
2.2) 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 Nраз, гдеN – максимально возможное число меньшее 4096);
2.3) если частота сигнала больше 15кГц, то в генератор импульсов записывается константа так, чтобы его частота равнялась 60МГц;
3) микроконтроллер в конце цикла измерения считывает значение фазы;
4) микроконтроллер передает по каналу UART два числа соответствующие частоте сигнала и его фазе.
Расчет блока питания
Для данной системы понадобиться двухканальный блок питания. Напряжение обоих каналов +5В. Два канала питания берется для того, чтобы сделать гальваническую развязку системы измерения фаз с диагностируемым устройством. Так как до гальванической развязки стоят два компаратора, то для них нужен отдельный канал питания. Это компараторы NE5682N фирмы PHILIPS.Компаратор потребляют максимум 40 мА. Поэтому первый канал источника должен иметь нагрузочную способность минимум 40 мА. Второй канал источника будет запитывать всю остальную часть схемы. Посчитаем на какой ток должен быть рассчитан второй канал. Генератор потребляет 50 мА, каждый счетчик 15 мА, триггер – 8 мА, инвертор – 4 мА, микросхема 2И-НЕ 4 мА, система согласования сигнала с оптопары – 6 мА, микроконтроллер – 20 мА, преобразователь уровней – 10 мА. То есть суммарная нагрузка на второй канал блока питания равна 153 мА. Будем рассчитывать второй канал на ток 200 мА. Потребляемая мощность всех элементов платы чуть более 1 Вт.
Блок питания будет строиться по стандартной схеме – переменное напряжение 220В подается на вход трансформатора, где амплитуда этого напряжение уменьшается до необходимой величины, затем переменное напряжение выпрямляется с помощью мостового выпрямителя и сглаживается стабилизатором КР142ЕН8.
Для конструирования блока питания возьмем стандартные элементы. В качестве трансформатора – трансформатор питания типа ТПП – ТПП234-127/220-50 (ток вторичных обмоток 200 мА, номинальная мощность – 10Вт, напряжение вторичных обмоток 10В).
Каждый диод выпрямителя должен выдерживать обратное напряжение
и прямой ток 
мА. Согласно этому в качестве диодов мостового выпрямителя был выбран диод КД504А (Iпр=0.16А, Uобр=40В). При стандартном подключении стабилизатора КР142ЕН8 на его входе и выходе следует включить конденсаторы номиналом 20 мкФ марки К50-6.Расчетная часть
Рассмотрим алгоритм измерения фазы и частоты сигнала.
Частота сигнала будет измеряться с помощью сигнала с выхода усилителя на транзисторе VT2. Этот сигнал будет подсоединен к входу внешнего прерывания INT0. Микроконтроллер будет настроен так, чтобы прерывание вызывалось когда на этом выводе будет сигнал низкого уровня. А подпрограмма обработки прерывания будет иметь вид:
Freq:
IncDPTR
reti
Перед измерением частоты сигнала в регистр DPTR заносится ноль, разрешается прерывание INT0 (причем срабатывает оно при низком уровне сигнала на выводе INT0). Когда на этом входе буде сигнал низкого уровня то прерывания будет вызываться и увеличивать значение регистра DPTR на 1. Как только значение на этом входе станет равным 1 следует сохранить значение DPTR. Подсчитаем сколько циклов занимает одно выполнение подпрограммы прерывания.
Один цикл занимает определение условия возникновения прерывания; по два цикла инкремент регистра и выход из подпрограммы прерывания. С учетом, что время цикла МК составляет 1 мкс, то подпрограмма обработки прерывания занимает 5мкс и позволяет измерить временные отрезки 5мкс (200 кГц)..5мкс·65536(3Гц). С учетом того, что меряется только время половины периода (отрицательный полупериод сигнала) диапазон измеряемых частот буде составлять 1-100 кГц. При этом значение регистра DPTR будет прямопропорционально периоду сигнала. Пересчет в частоту будет осуществляться следующим образом:
, где N – содержимое регистра DPTR после измерения частоты сигнала. Исходя из этого частоте 15 кГц соответствует число 6, а частоте 7.5 Гц – 15333.Фаза сигнала с помощью МК будет измеряться таким же методом, но с учетом, что МК измеряет фазы сигналов только с малой частотой. Сигнал с помощью которого определяется фаза подсоединен к входу внешнего прерывания INT1. Разность фаз прямопропорциональна сигналу низкого уровня. Подпрограмма обработки этого прерывания будет иметь следующий вид: