CC BY
2УДК 621.317.08
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СТЕНДА ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФУНКЦИЙ РАВНОАМПЛИТУДНЫХ
ГАРМОНИЧЕСКИХ РЯДОВ
Лукъянчиков Алексей Андреевич, магистрант, направление подготовки 11.04.04 Электроника и наноэлектро-ника, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]
Демешко Артем Алексеевич, студент, направление подготовки 11.03.04 Электроника и наноэлектроника, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]
Третьяков Михаил Андреевич, магистрант, направление подготовки 11.04.04 Электроника и наноэлектрони-ка, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]
Научный руководитель: Фролов Сергей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной электроники и информационно-измерительной техники, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]
Аннотация. В данной статье представлены результаты разработки макета стенда для автоматизированного измерения амплитудно-частотных (АЧХ) и фазо-частотных характеристик (ФЧХ) линейных четырехполюсников с применением в качестве тестовых воздействий функций равноамплитудных гармонических рядов (РАП). Особенность функций - прямоугольность амплитудного спектра и нулевые значения фазового спектра. Указанные свойства облегчают повышение точности измерений и эффективности работы измерительных систем АЧХ и ФЧХ. Рассмотрена структура стенда, принцип его работы в совокупности с программным обеспечением микроконтроллера (МК) и особенности формирования функций гармонических рядов, связанных с архитектурой МК. Использован микроконтроллер из серии STM32. Полученные результаты могут быть полезными для специалистов в области электроники, измерительной техники и автоматизации измерительных процессов.
Ключевые слова: автоматизированное измерение, измерение частотных характеристик, прямоугольный спектр, равноамплитудный косинусоидальный ряд, равноамплитудный комплексный спектр, равноамплитуд-ный синусный ряд.
Для цитирования: Лукъянчиков А. А., Демешко А. А., Третьяков М. А. Разработка автоматизированного стенда измерения частотных характеристик с использованием функций равноамплитудных гармонических рядов // Шаг в науку. - 2024. - № 3. - С. 36-42.
DEVELOPMENT OF AN AUTOMATED STAND FOR MEASURING FREQUENCY CHARACTERISTICS USING FUNCTIONS OF EQUAL-AMPLITUDE
HARMONIC SERIES
Lukyanchikov Alexey Andreevich, postgraduate student, training program 11.04.04 Electronics and nanoelectronics, Orenburg State University, Orenburg e-mail: [email protected]
Demeshko Artem Alekseevich, student, training program 11.03.04 Electronics and nanoelectronics, Orenburg State University, Orenburg e-mail: [email protected]
36 Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. © А. А. Лукъянчиков, А. А. Демешко, М. А. Третьяков, 2024
Tretyakov Mikhail Andreevich, postgraduate student, training program 11.04.04 Electronics and nanoelectronics, Orenburg State University, Orenburg e-mail: [email protected]
Research advisor: Frolov Sergey Sergeevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of industrial electronics and information and measuring technology, Orenburg State University, Orenburg e-mail: [email protected]
Abstract. This article presents the current results of work on the development of a bench layout for automatic measurement of amplitude-frequency (AFC) and phase-frequency characteristics (PFC) of linear harmonic quadripoles using functions of equal-amplitude series as test influences. Specialfunctions are the squareness ofradius radiation and zero values ofphase radiation. These properties improve the accuracy of measurements and the operating efficiency of measuring systems for frequency response and phase response.
The structure of the stand, the principle of its operation in conjunction with microcontroller (MC) software and the features of the formation of harmonic series functions associated with the architecture of the MC are considered. The microcontroller used is from the STM32 series. The results obtained can be useful for specialists in the field of electronics, measurement technology and automation of measurement processes.
Key words: automated measurement, measurement of frequency characteristics, rectangular spectrum, equal-amplitude cosine series, equal-amplitude complex spectrum, equal-amplitude sine series.
Cite as: Lukyanchikov, A. A., Demeshko, A. A., Tretyakov, M. A. (2024) [Development of an automated stand for measuring frequency characteristics using functions of equal-amplitude harmonic series]. Shag v nauku [Step into science]. Vol. 3, pp. 36-42.
Информационно-измерительные системы (ИИС) актуальны во многих областях производства и жизнедеятельности: нефтедобыча, газодобыча, электромашиностроение. В частности, при диагностике механических, электромеханических конструкций и в медицине востребованы ИИС, работающие на ин-франизких и низких частотах (НИИС).
Для того чтобы информационные измерительные системы, работающие на инфра-низких и низких частотах, могли обрабатывать измерительную информацию с достоверностью, удовлетворяющей техническим условиям, в процессе их разработки, промышленного производства и технического обслуживания требуется контроль и измерение параметров ампли-тудно-фазочастотных характеристик (АФЧХ) [3] линейных электронных узлов - четырёхполюсников, входящих в измерительные и информационные каналы указанных информационвыхизмерительных систем, работающих на инфра-низких и низких частотах.
При автомаеихескем анализе частотных харанте-
Dn (х) = -
ристик фильтров применяются следующие методы:
- воздействие ЛЧМ-импульсом (свипирование частоты) с индикацией или анализом результата детектирования отклика;
- воздействие на четырёхполюсник шумом, близким к «белому»;
- автоматизация метода «генератор синуса - осциллограф».
Однако у перечисленных методов есть недостатки
[7]:
- первым и вторым методами не измеряется фа-зочастотная характеристика;
- неравномерность амплитуды ЛЧМ-импульса измерителей не меньше 0,3 дБ;
- при тестировании (с помощью ЛЧМ-импуль-сов) узлов звуковых устройств требуется время от единиц до нескольких десятков секунд.
В данномработе вестовыми сигнавммивыстрыаюм равноамплитудные ряды косинусов (РРК) и синусов
(рт-ыы
Nx
(1)
Dn (х) = ■
Nx
(2)
2
x
2
2
2
x
2
Что касается РРК, в работе [6] выделены следующие преимущества:
- фазовый спектр - нулевой, поэтому методическая погрешность оценки ФЧХ, обусловленная формированием тестового сигнала, будет отсутствовать;
- амплитудный спектр абсолютно прямоуголен - в области низких частот его неравномерность SA = 0, после некоторой частотыf он нулевой.
Для вычисления выходного спектра исследуемого четырёхполюсника потребуется минимальное количество временных выборок, определяемое теоремой Котельникова. Что же касается РРС, на данном этапе
он еще не исследован полностью, но можно выделить одно преимущество по отношению к РРК: при оцифровке РРС искажения, обусловленные квантованием, меньше, чем при оцифровке РРК.
Автоматизированная система измерения частотных характеристик (ЧХ) состоит из отладочной платы NUCLEOL073-RZ, двух блоков согласования, избирательного устройства (ФНЧ) и персонального компьютера. В дальнейшем планируется исследование и с другими фильтрами в качестве избирательных устройств. Схема системы изображена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема системы
Источник: разработано автором А. А. Лукъянчиковым
Принцип работы системы состоит в следующем: массив отсчетов РАП формируется и разделяется на отрицательные и положительные массивы значений на компьютере, массивы отсылаются в микроконтроллер, после чего отсчеты поступают на блок согласования (дифференциальный усилитель) через два ЦАП с целью согласования по мощности, затем сигнал поступает на избирательное устройство (фильтр). Сигнал реакции фильтра попадает на второй блок согласования (схема сдвига уровня) из-за того, что АЦП
работает с однополярным сигналом и нам нужно избежать этого. После блока согласования сдвинутый сигнал поступает на АЦП микроконтроллера, где оцифровывается и вычисляется спектр сигнала реакции фильтра, используя дискретное преобразование Фурье.
Для формирования массива РАП используем математический пакет Mathcad. Диаграмма равноампли-тудного ряда косинусов во временной области представлена на рисунке 2.
Рисунок 2. Временная диаграмма равноамплитудного ряда косинусов
Источник: разработано автором А. А. Лукъянчиковым
Для отправки в ЦАП данные разделили на 2 массива [1]: положительных и модулей отрицательных значений (Positive и Negative на рисунках 3 и 4).
3686 О О О О
о о о о о о о о о о о
3319 2348 1107 0 0 0 0 0 372 474 305 0 0 0 0
201 269 181 0 0 0 0 0 141 193 132 0 0 0 0
112 155 108 0 0 0 0 0 96 134 94 0 0 0 0
87 122 86 0 0 0 0 0 83 116 82 0 0 0 0
81 115 82 0 0 0 0 0 83 119 85 0 0 0 0
89 127 91 0 0 0 0 0 100 143 103 0 0 0 0
118 172 125 0 0 0 0 0 152 224 165 0 0 0 0
226 342 260 0 0 0 0 0 476 со 665 0 0 0 0
0 0 0 0 665 785 476 0 0 0 0 0 260 342 226
0 0 0 0 165 224 152 0 0 0 0 0 125 172 118
0 0 0 0 103 143 100 0 0 0 0 0 91 127 89
0 0 0 0 85 119 83 0 0 0 0 0 82 115 81
0 0 0 0 82 116 83 0 0 0 0 0 86 122 87
0 0 0 0 94 134 96 0 0 0 0 0 108 155 112
0 0 0 0 132 193 141 0 0 0 0 0 181 269 201
0 0 0 0 305 474 372 0 0 0 0 0 1107 2348 3319
Рисунок 3. Массив Positive для отправки в ЦАП
Источник: разработано автором А. А. Лукъянчиковым
0 0 0 0 0 665 785 476 0 0 0 0 0 260 342 226
0 0 0 0 0 165 224 152 0 0 0 0 0 125 172 118
0 0 0 0 0 103 143 100 0 0 0 0 0 91 127 89
0 0 0 0 0 85 119 83 0 0 0 0 0 82 115 81
0 0 0 0 0 82 116 83 0 0 0 0 0 86 122 87
0 0 0 0 0 94 134 96 0 0 0 0 0 108 155 112
0 0 0 0 0 132 193 141 0 0 0 0 0 181 269 201
0 0 0 0 0 305 474 372 0 0 0 0 0 1107 2348 3319
3686 3319 2348 1107 0 0 0 0 0 372 474 305 0 0 0 0
0 201 269 181 0 0 0 0 0 141 193 132 0 0 0 0
0 112 155 108 0 0 0 0 0 96 134 94 0 0 0 0
0 87 122 86 0 0 0 0 0 83 116 82 0 0 0 0
0 81 115 82 0 0 0 0 0 83 119 85 0 0 0 0
0 89 127 91 0 0 0 0 0 100 143 103 0 0 0 0
0 118 172 125 0 0 0 0 0 152 224 165 0 0 0 0
0 226 342 260 0 0 0 0 0 476 785 665 0 0 0 0
Рисунок 4. Массив Negative для отправки в ЦАП
Источник: разработано автором А. А. Лукъянчиковым
В программе было отлажено формирование сиг- рье (ДПФ): результат сформированного РРК сигнала нала РРК, управление периодом повторения, первая с регулировкой периода повторения можно видеть версия алгоритма дискретного преобразования Фу- на рисунках 5, 6. Из рисунков видно, что можно ре-
гулировать период сигнала при помощи управления модулем счета и предделителем частоты счета таймера Т1М2. На рисунке 7 показана разработанная печатная плата (2 блока согласования и стабилизатор напряжений ±5V для питания усилителей). Потенциометр нужен для регулирования амплитуды сигнала
отклика фильтра в целях согласования с диапазоном напряжений на входе АЦП. Конструкция системы рисунка 1 - отладочная плата микроконтроллера, плата согласующих усилителей и плата исследуемого фильтра - представляют собой многоэтажную сборку типа «сэндвич».
Рисунок 5. Сформированный равноамплитудный ряд косинусов с периодом 560 мс
Источник: разработано автором А. А. Лукъянчиковым
Рисунок 6. Сформированный равноамплитудный ряд косинусов с периодом 280 мс
Источник: разработано автором А. А. Лукъянчиковым
Рисунок 7. Разработанная печатная плата
Источник: разработано автором А. А. Лукъянчиковым
Рисунок 8. Интерфейс управления стендом
Источник: разработано автором М. А. Третьяковым
На рисунке 8 виден интерфейс, разработанный для управления системой с помощью компьютера.
В работе предлагается пользовательский интерфейс, написанный на языке программирования Python, c подключением библиотеки PyQt5. Средства и возможности языка, а также встраиваемых библиотек позволят реализовать обмен данными между ПК и МК, дадут пользователю возможность отправлять/ сохранять данные прямо из файла, помогут реализовать ввод данных напрямую, а также визуализировать полученный результат в виде графика.
На текущей стадии проекта был реализован пер-
вичный интерфейс для взаимодействия со стендом через ПК по протоколу UART. Была реализована плата согласованного генератора РРК. В программе отлажено генерирование сигнала, регулирование периода повторений при помощи таймера и отработан первоначальный алгоритм ДПФ.
По окончании испытаний стенда при обучении студентов и его совершенствования эту систему можно внедрить в производство и эксплуатировать в радиоэлектронных [5], измерительных [4], инфо- и телекоммуникационных системах [2].
Литература
1. Павлов П. А., Фролов С. С. Программно-аппаратный лабораторный формирователь равноамплитудного комплексного ряда // Шаг в науку. - 2024. - № 1. - С. 66-72.
2. Петросьянц В. В., Бурындина А. Д. Автоматизация процесса снятия амплитудно-частотных характеристик электронных устройств // Молодой учёный. - 2017. - № 22(156). - С. 65-68.
3. Способ измерения амплитудно-частотных характеристик : пат. 2 054 684 Рос. Федерация. №2 5055759/09; заявл. 22.07.1992; опубл. 20.02.1996 - 8 с.
4. Способ контроля амплитудно-частотной характеристики фильтра : пат. 2 721 018 Рос. Федерация. № 2019108858; заявл. 26.03.2019; опубл. 15.05.2020, Бюл. № 14 - 7 с.
5. Устройство для контроля и настройки амплитудно-частотных характеристик : пат. 2 025 899 Рос. Федерация. № 4676485/09; заявл. 11.04.1989; опубл. 30.12.1994 - 15 с.
6. Фролов С. С. Разработка методов повышения точности информационно-измерительных систем параметров амплитудно-фазочастотных характеристик: дис... канд. техн. наук. - Самара, 2008. - 191 с.
7. Фролов С. С., Шевеленко В. Д., Гусаров А. А. Метод аппроксимации синусоидального равноамплитудного полинома // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2006. - № 9 (59). - С. 317-325.
Статья поступила в редакцию: 06.05.2024; принята в печать: 03.09.2024.
Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
