Разработка системы автоматической регулировки напряжения на выходе возбудителя радиопередатчика

Техническое задание

На разработку системы автоматической регулировки напряжения на выходе возбудителя радиопередатчика.

1. Область применения:

Возбудители радиопередающих устройств КВ диапазона.

2. Назначение:

Разработать систему автоматической регулировки напряжения на выходе возбудителя радиопередатчика.

3. Технические требования:

· Блок управления системой АРН построить на базе микроконтроллера серии MCS-96,

· Предусмотреть возможность ручного изменения номинального выходного напряжения возбудителя,

· Общее время установки выходного напряжения не должно превышать 5мс.

4. Экономические требования:

Рассчитать возможные затраты на проектирование и изготовление опытного образца.

5. Требования по охране труда:

Произвести расчет электромагнитного излучения монитора персонального компьютера.

Аннотация

В северных регионах Сибири, как и десятилетия, тому назад, ведутся интенсивные работы по добыче нефти, газа, редких металлов и минералов. Для таких работ необходимо непрерывно осуществлять сбор и передачу различной телекоммуникационной информации, прием и передачу «речевой» служебной информации.

К современным и перспективным системам связи в настоящее время принято относить волоконно-оптические линии связи, системы сотовой связи. Однако для северных регионов России, да и в целом для Сибири и Дальнего Востока, названные перспективные системы связи охватят все обширные территории лишь в далеком будущем.

В настоящее же время передачу информации, служебную связь осуществляют радиорелейными линиями, по КВ каналам связи. Причем работники различных служб связи северных регионов самостоятельно или используя помощь и консультации различных фирм поддерживают радиоаппаратуру разработки 15−20 летней давности в исправном состоянии и даже модернизируют её.

В частности достаточно успешно, в организации Управление технологической связи ООО «УГП» проводят модернизации и доработки КВ-передатчиков на основе возбудителя типа «Лазурь». Бывшими выпускниками ОмГТУ по специальности 201 200 и сотрудниками УТС ООО «УГП», обучающимися в ОмГТУ в настоящее время, решаются следующие задачи:

— Модернизация антенных систем;

— Разработка или модернизация усилитей мощности радиопередатчиков под конкретные рабочие частоты;

— Разработка различных устройств сопряжения и согласования для получения лучших энергетических параметров радиопередатчиков.

Хотя возбудитель является наиболее сложным устройством в радиопередатчике и к нему в первую очередь предъявляются жесткие требования по стабильности частоты, диапазону и времени перестройки частоты, уровню выходной мощности и уровню побочных составляющих выходного сигнала, но естественно и другие функциональные узлы также определяют параметры устройства в целом.

В данной работе была поставлена важная задача по проектированию системы автоматического регулирования выходного напряжения возбудителя радиопередатчика.

В данной работе используются следующие ключевые слова: система автоматической регулировки напряжения (АРН), микроконтроллер, аттенюаторы, блок управления АРН, источник опорного напряжения.

Объектом исследования и разработки является система автоматической регулировки напряжения на выходе возбудителя радиопередатчика.

Цель работы — разработать систему автоматической регулировки напряжения возбудителя радиопередатчика.

В первой главе представлена вводная часть работы. Во второй главе проводится анализ существующих методов автоматического регулирования и применение микропроцессорной техники в системах контроля и регулировки, описание предлагаемой к замене системы АРН. В четвертой главе производится разработка принципиальной схемы, выбор элементарной базы. В пятой главе описывается блок-схема алгоритма работы системы. В шестой главе производится оценка быстродействия системы. В седьмой главе производится разработка вопросов охраны труда и техники безопасности. В восьмой главе произведен расчет затрат на проектирование и изготовление опытного образца системы АРН.

Пояснительная записка сл., рисунков, источников.

The summary

In the given work the following key words are used: system

Automatic adjustment of pressure (АРН), the microcontroller, аттенюаторы, the block of management АРН, a source of a basic pressure.

Object of research and development is the system of automatic adjustment of a pressureon an outputof the activator of a radio transmitter.

The purpose of work — to develop system of automatic adjustment of a pressure of the activator of a radio transmitter.

In the first chapter the prologue of work is submitted. In the second chapter the analysis of existing methods of automatic control and application of microprocessor engineering in monitoring systems and adjustments, the description of system ARN offered to replacement will be carried out. In the fourth chapter development of the basic circuit, a choice of elementary base is made. In the fifth chapter the block diagram of algorithm of work of system is described. In the sixth chapter the estimation of speed of system is made. In the seventh chapter development of questions of a labour safety and the safety precautions is made. In the eighth chapter calculation of expenses for designing and manufacturing of a pre-production model of system ARN is made.

Explanatory note сл., figures, sources.

Введение

В самых различных областях современной техники методы автоматического регулирования нашли широкое применение. Более того, сейчас трудно назвать такую отрасль техники, где бы ни использовались в том или ином виде системы автоматического регулирования: от детских игрушек до космических аппаратов. В этом отношении, естественно не является исключением радиотехническая аппаратура. В современных приемниках, передатчиках различного назначения (связных, радиолокационных, вещательных, телевизионных и т. п.), а также других видах РЭА широко используются многочисленные виды цепей автоматического регулирования и контроля.

Назначение любой системы автоматического регулирования (АР) — поддерживать регулируемые параметры в пределах жестко заданного интервала значений при изменении условий работы аппарата (также в определенных пределах) и наличии вредных воздействий (изменении окружающей температуры, влажности, уровня полезного сигнала, наличии помехи т.п.) на него извне.

Назначение системы АР, в отличие от ручных, поддерживают регулируемый параметр на единственно оптимальном уровне самостоятельно, без помощи оператора.

Введение

в схему автоматических регулировок вместо ручных повышает эксплуатационные удобства устройства и качество его работы, так как система АР выбирает оптимальное положение значительно более точно, чем оператор и всегда значительно быстрее его.

Системы АР начали применяться еще в 30-х годах прошлого столетия для автоматического регулирования усиления (АРУ) в радиоприемниках. Развитие радиотехнических устройств, непрерывное усложнение решаемых ими задач привело не только к повышению требований к качеству работы систем АР, но и к их функциональному усложнению, в результате чего многие технические задачи уже не могут быть решены с помощью систем АР, базирующихся на аналоговой или дискретной цифровой технике, поэтому в настоящее время применяются системы АР и контроля, построенные на базе современной микроэлектроники и микропроцессорной техники.

В настоящем дипломном проекте приведен пример подобной системы автоматической регулировки напряжения на выходе возбудителя радиопередатчика.

1. Анализ состояния вопроса

1.1 Анализ состояния вопроса

Автоматическим регулированием называют процесс поддержания на заданном уровне или изменения по заранее заданной программе какого-либо параметра специальным устройством — автоматическим регулятором.

Автоматическое регулирование является разделом более общей науки об управлении кибернетики, получившей широкое развитие в последние десятилетия. Круг задач, решаемых кибернетикой, весьма обширен и многообразен. Она включает в себя вопросы управления самыми различными объектами: от сложных технических комплексов до живых организмов.

Системы АР функционируют на основе автоматического измерения и дальнейшего преобразования сигнала, в качестве которого могут использоваться различные его параметры: электрическое напряжение в системах стабилизации источников питания, частота или фаза напряжения в системах автоматической подстройки частоты, направление прихода радиолокационного сигнала в системах автоматического сопровождения радиолокационных станций (РЛС) по угловым координатам отслеживаемого объекта и т. д.

В системе автоматического сопровождения цели РЛС объектом управления является электромеханическое устройство — антенна РЛС, продольная. Угол ось, которой автоматически следит за направлением на сопровождаемый объект. Угол отклонения продольной оси антенны от выбранного направления отсчета углов определяет выходной сигнал системы автоматического сопровождения цели РЛС.

Выходной сигнал объекта управления b (t) измеряется при помощи специального устройства — датчика или детектора (Д), связанного с устройством управления.

Подавляющее большинство систем АР в радиоаппаратуре построено именно по принципу контроля самого регулируемого параметра и выработке сигнала компенсации, изменяющего непосредственно этот параметр на необходимую величину (хотя существуют и другие методы, например, в некоторых синтезаторах частоты опорный генератор помещается в термостат, т. е. за счет контроля и обеспечения постоянства температуры генератора реализовывается постоянство частоты выходного сигнала).

В этом случае системе принципиально безразлично, каким именно воздействием вызвано отклонение регулируемого параметра, что делает систему АР универсальной, позволяющей компенсировать ошибку, вызываемую самыми разнообразными дестабилизирующими факторами и их комплексным воздействием на объект.

Любая система регулирования имеет определенные параметры и характеристики. Рассмотрим основные, имеющие для нас наиболее важное значение.

Пределы регулирования — интервал значений изменяющегося во времени параметра, в пределах которого система автоматического регулирования в состоянии выработать сигнал, компенсирующую ошибку.

Выбранный предел должен во всех случаях позволять устанавливать любое значение, регулируемое параметра в пределах оговоренных норм на этот параметр.

Инерционность также является важнейшим параметром любой системы регулирования, как ручной, так и автоматической. Под инерционностью (быстродействием) системы регулирования необходимо понимать время, проходящее от момента внешнего воздействия на систему до момента установления нового значения регулируемого параметра. Инерционность автоматических систем не всегда не желательна. В качестве примера можно указать на систему АРУ радиоприемника, в которой инерционность системы умышленно делают порядка 0,05−0,1 сек. С тем, чтобы система не успевала вырабатывать сигнал ошибки, пропорциональный величине низших модулирующих частот полезного сигнала, подводимого к детектору, т. е. в основном за величиной несущей.

Тем не менее, в большинстве случаев желательно уменьшать до возможных пределов время срабатывания автоматических систем регулирования.

Помехоустойчивость любой системы регулирования характеризуется ее способностью сохранять требуемые параметры регулирования при нарушении нормальной работы систем за счет внешних воздействий (или влияний), к которым относят электрические помехи атмосферного и промышленного характера, изменения температуры и влажности, магнитные и электрические поля, всевозможные виды наводок и т. п.

В любом радиоэлектронном устройстве всегда присутствуют, какие либо из указанных дестабилизирующих факторов, поэтому повышение помехоустойчивости любой системы регулирования является обязательной задачей при ее конструировании.

Для чего же необходима система автоматической регулировки напряжения (АРН) в РЭА и, в частности, в радиопередающих устройствах? Конечно, можно ввести ручную регулировку напряжения, обычно более простую в конструктивном исполнении, чем автоматическая. Однако при комплексном воздействии дестабилизирующих факторов оператор будет вынужден больше заниматься поддержанием номинального уровня выходного сигнала, а не осуществлением связи. Стоит также отметить, что из-за субъективной боязни перегрузки усилителя мощности уровень сигнала будет поддерживаться ниже номинального, что скажется на качестве связи.

В то же время, система АРН позволяет выбрать оптимальное значение выходного напряжения значит6ельно быстрее человека, позволяет избавиться от неприятных случайностей со стороны оператора.

Основная опасность в случае отсутствия регулировки напряжения в тракте радиопередатчика заключается в перегрузке и выходе из строя активных элементов каскадов передатчика, особенно оконечных и в особенности транзисторных.

Создание высокочастотных транзисторов, генерирующих мощности сотни — десятки ватт на частотах в сотни мегагерц, открыло возможности для замены ламп транзисторами в каскадах радиопередающих устройств (РПДУ) самых различных назначений.

Отсутствие цепи канала, низкое питающее напряжение, большой срок службы и т. п. являются безусловными достоинствами транзисторов. В условиях правильной эксплуатации их не приходится менять в течении всего срока службы аппаратуры. Однако в мощных каскадах передатчиков транзисторы неизбежно используются на пределе по току, напряжению и, соответственно, нагреву. Если учесть их высокую чувствительность к перегрузкам и высокую стоимость из-за чрезвычайно сложной технологии производства (генераторные транзисторы на большие уровни мощности значительно отличаются от транзисторов других назначений), то становится понятным применение всевозможных мер по созданию развитой системы защиты транзисторов для работы в изменяющихся условиях. Из-за высоких значений токов, напряжений в мощных каскадах системы защиты и регулировки приходится также строить на мощных и, соответственно, дорогих электронных компонентах.

Применение системы АРН в возбудителе РПДУ позволяет поддерживать номинальный уровень выходного сигнала возбудителя и, соответственно, входной сигнал усилителя мощности передатчика.

· БУ АРН — блок управления системы АРН, обеспечивает формирование команд управления аттенюаторами линейного тракта с целью поддержания выходного напряжения изделия в допускаемых пределах, отслеживает появление на шине управления команд, необходимых для работы блока.

Сигнал с пикового детектора поступает в блок управления все время работы изделия, и система постоянно отрабатывает его изменения. При изменении рабочей частоты по шине управления поступает команда «перестройка», затем происходит следующее:

1. размыкание кольца «плавной» АРН, разряд конденсатора в цепи ПД (он необходим для того, чтобы не вырабатывался сигнал ошибки на воздействие низкочастотных составляющих выходного сигнала),

2. все аттенюаторы устанавливаются в положение максимального затухания,

3. включается кольцо «грубой» АРН, т. е. блок управления вырабатывает команды на переключение дискретных аттенюаторов «крупного» шага в сторону уменьшения затухания в тракте до момента, когда выходной сигнал перейдет границу на 5дБ ниже номинального значения. Для этого специально формируются два источника опорного напряжения (ИОН) — 0 дБ и — 5дБ,

4. после этого подаются команды на переключение дискретных аттенюаторов «мелкого» шага, остановка которых происходит при достижении выходным напряжением номинального уровня,

5. заключительный этап — включение кольца «плавной АРН», т. е. уровень выходного напряжения поддерживается плавно в диапазоне 9 дБ (-6дБ, +3 дБ).

При поступлении из шины команды «перестройка» алгоритм начинается сначала. В изделии предусмотрена возможность ручной регулировки напряжения (РРН). Включение такой регулировки обеспечивается переводом тумблера «АРН-РРН», расположенного на задней стенке изделия, в соответствующее положение (подача соответствующей команды по шине управления в блок управления АРН). В этом случае будут включены все дискретные аттенюаторы тракта на максимальное затухание и напряжение выходного сигнала станет минимальным. Увеличить его до необходимого значения можно нажатием кнопки «+», расположенной на панели изделия. Каждое нажатие отключает очередную ступень аттенюаторов.

Прежняя система АРН построена на дискретных цифровых элементах, обладает значительными массогабаритными показателями, высоким потреблением энергии, сложностью в настройке, нестабильностью в эксплуатации и т. п. В тоже время системы контроля и регулировки, построенные на базе микроконтроллеров и микропроцессоров, обладают существенными преимуществами с точки зрения расширения возможностей этих систем, уменьшение времени для осуществления необходимых операций и обработки результатов, надежности, гибкости и высокой компактности. Создание технических средств на принципиально новой элементной базе приводит к изменению процесса и процедур проектирования изделий новой техники и к корректировке традиционной технической терминологии, а разработка и изготовление аппаратуры на базе микропроцессорной техники включает в себя разработку и изготовление аппаратных средств системы, создание и отладку программного обеспечения, разработку конструкции и ее материализацию.

Согласно техническому заданию необходимо построить систему АРН на базе встраиваемого микроконтроллера фирмы «Intel» серии МСS-96.

Встраиваемый или однокристальный микроконтроллер, который в отечественной литературе раньше называли однокристальной микроЭВМ, представляет собой изготовленную на одном кристалле микропроцессорную систему, ориентированную на реализацию алгоритмов цифрового управления различными объектами и процессами. Микроконтроллер содержит центральный процессор, внутреннюю постоянную и оперативную память, параллельные и последовательные порты ввода-вывода данных, широкий набор периферийных устройств: таймеры аналогово-цифровые преобразователи, широтно-импульсные модуляторы, контроллеры прерываний, модули обработки сигналов (событий) в реальном времени. Таким образом, на базе микроконтроллера с включением минимального числа дополнительных компонентов можно построить сложнофункциональную цифровую систему.

По совокупности функциональных возможностей и технических характеристик микроконтроллеры ориентированы, в первую очередь, на реализацию управления различными приборами и устройствами. Они используются также как компоненты в системах управления технологическими процессами, информационно-измерительных и контрольно-диагностических системах. Огромная номенклатура выпускаемых микроконтроллеров, их значительные функциональные возможности, высокие технологические параметры, относительно низкая стоимость позволяют удовлетворить запросы широкого круга потребителей — разработчиков различной электронной аппаратуры. К сожалению, отечественная электронная промышленность производит сейчас весьма ограниченную номенклатуру 8-разрядных микроконтроллеров, которые являются аналогами не самых современных зарубежных моделей. В тоже время либерализация внешней торговли открыла российский рынок электронных компонентов для продукции иностранных компаний, что позволяет российским специалистам использовать в своих разработках практически любые модели микроконтроллеров зарубежного производства.

1.2 Обзор литературы

Вопросы, связанные с созданием систем автоматического регулирования рассмотрены в большом количестве литературы. Очень большое внимание уделяется принципам действия, методам анализа качества работы, синтеза и моделирования систем регулирования и систем радиоавтоматики, построению структурных и функциональных схем, например [1,3], однако стоит отметить, что в большинстве случаев авторы ограничиваются лишь математическим описанием и оценкой характеристик систем АР, без практического приложения.

Более практические решения, связанные с построением принципиальных схем, можно встретить в литературе, посвященной системам АР в радиоприемных устройствах [2,4].

В изложены основы применения микропроцессоров и микроЭВМ в современных радиоэлектронных средствах, радиотехнических устройствах и системах различного назначения и в автоматизированных системах контроля радиоэлектронных средств.

[7,8] полностью посвящены микроконтроллерам серии MCS-96. кроме анализа архитектуры, структуры и особенностей функционирования, рассматриваются также методы и средства проектирования, программирования и отладки цифровых систем, реализованных на их базе.

1.3 Выбор направления проектирования

Учитывая информацию, полученную в процессе анализа состояния вопроса и технического задания, можно выделить основные этапы проектирования:

· разработать систему АРН на базе качественных современных элементов, удовлетворяющую техническим требованиям;

· использовать минимально возможное количество электронных компонентов;

· составить наиболее оптимальный алгоритм работы системы.

2. Выбор и обоснование структурной схемы системы АРН

· АК — дискретный аттенюатор «крупного» шага, диапазон регулировки 28 дБ, с шагом в 4 дБ,

· АМ — дискретный аттенюатор «мелкого» шага, диапазон регулировки 4, 125 дБ, с шагом в 0,375 дБ;

· ПД — пиковый детектор;

· БУ АРН — блок управления системы АРН, обеспечивает формирование команд управления аттенюаторами линейного тракта с целью поддержания выходного напряжения изделия в допускаемых пределах, отслеживает появление на внешней шине (ВШ) команд, необходимых для работы блока и т. п.

· ВШ — внешняя шина, служит для обмена необходимыми для работы командами между блоком управления АРН и внешними устройствами;

· УИОН — управляемый источник опорного напряжения, задает уровень выходного напряжения, задает уровень выходного напряжения изделия;

· УВВ — устройство ввода вывода.

· МК — микроконтроллер, объединяет в себе аналого-цифровые преобразователи (АЦП), компаратор (К) — устройство для сравнения поступающих на него сигналов, устройство управления (УУ). МК — выполняет функцию сравнения сигнала ПД с напряжением УИОН, в соответствии с этим, формирование команд управления аттенюаторами, ПД, команд сигнализации на ВШ и т. д. (полный перечень команд и их назначение будет приведен ниже).

Отсутствует аттенюатор плавной регулировки напряжения, поскольку необходимая точность установки выходного напряжения (4В±10%) обеспечивается шагом дискретного аттенюатора «мелкого» шага (0,375 дБ).

Наличие дискретного аттенюатора «крупного» шага необходимо для того, чтобы быстро устанавливать напряжение на выходе, поскольку при изменении частоты, для того чтобы не допустить импульсных перегрузок усилителя мощности, затухание в тракте передачи сигнала в начальный момент устанавливается максимальным. Дискретный аттенюатор «мелкого» шага устанавливает напряжение выходного сигнала с достаточной точностью.

При этом элементы регулировки работают на достаточно низкой частоте (128 кГц), что обеспечивает достаточно широкий выбор элементной базы, однако такое расположение аттенюаторов ведет к уменьшению такого важного параметра РПДУ, как отношение сигнал/шум. Например, в результате работы изделия под воздействием дестабилизирующих факторов (температуры, влажности, изменения частоты и т. п.) возникает отклонение сигнала от номинального значения на 10 дБ, то система АРН отрабатывает данное отклонение, уменьшая входное напряжение на эти 10 дБ. Уровень шума в тракте ПЧ и ШУ не изменяется. Соотношение сигнал/шум на выходе уменьшается на 10 дБ.

В этом случае соотношение сигнал-шум остается постоянным, однако мв сталкиваемся с проблемой реализацией элементов регулировки. Дело в том, что аттенюаторы с набольшим шагом регулировки строятся на основе цифроаналоговых преобразователей и операционных усилителей. Частота выходного сигнала достигает значения 80 МГц, мощность порядка 300 мВт, что привело бы к использованию очень и очень дорогостоящих элементов.

Реализация подобных аттенюаторов на дискретных компонентах приводит к достаточно дешевому варианту и … значительной нестабильности шага аттенюации (порядка 15−20%от номинала). Например, нестабильность дискретного аттенюатора АК в модернизируемой системе АРН составляет 1дБ на каждый шаг регулировки.

Значительная часть регулировки расположена в блоке широкополосного усилителя (АК), уменьшение соотношения сигнал/шум обусловлено наличием АМ в тракте ПЧ (в самом худшем случае порядка 4 дБ), это необходимо учитывать при настройке коэффициентов усиления в траке (тем более, что при проектировании тракта передачи сигнала всегда оставляют приличный запас по усилению).

Значения затухания для элементов регулировки АК и АМ (28 дБ и 4,125 дБ) выбраны исходя из обеспечения необходимого диапазона регулировки сигнала в тракте (не хуже, чем у модернизируемого аналога).

Применение в БУ микроконтроллера связано с тем, что использование дискретных интегральных схем, например, регистров, триггеров, счетчиков, и логических элементов в настоящее время экономически и энергетически невыгодно (вывод на основе анализа модернизируемой системы АРН). Можно отметить ряд наиболее существенных факторов:

— большая потребляемая мощность устройства в целом из-за большого количества интегральных схем;

— значительные размеры и масса изделия;

— отсутствие гибкости алгоритма работы, устройство разрабатывается для функционирования по строго определенному интервалу.

Производя поверхностную оценку при выборе соотношения между программными и аппаратными средствами, можно сделать вывод, что он на данном этапе экономического и технического развития наиболее эффективным решением будет использование программно-управляемой микропроцессорной системы (в частности микроконтроллера).

Для сохранения функции ручной регулировки напряжения источник опорного напряжения выполнен управляемым, т. е. имеется возможность изменить уровень выходного напряжения. При этом сохраняется основная функция системы АРН (оператор может выбрать необходимый номинальный уровень выходного напряжения и в дальнейшем система продолжает обработку возможных отклонений уровня выходного сигнала возбудителя от номинального значения).

Снижение уровня выходного сигнала возбудителя позволяет сократить мощность, потребляемую от источника питания усилителем мощности, в случаях, когда для осуществления связи не обязательна максимальная мощность излучения РПДУ. Подобный алгоритм работы системы АРН нашел продолжение в современных сотовых и некоторых транкинговых системах связи. Базовые станции постоянно отслеживают уровень сигнала, принимаемый от мобильных (носимых, возимых) станций, и по каналу управления передают информацию о необходимом изменении уровня излучаемой мощности мобильных станций.

Система АРН не является замкнутой и осуществляет обмен необходимыми командами с внешними устройствами:

· «перестройка» — поступает от внешнего устройства (блок контроля возбудителя или с передней панели) в случае изменения частоты, фактически служит сбросом для работы МК, т.к. при ее поступлении система возвращается в начальное состояние;

· «высокий» — сигнализирует о слишком высоком отклонении сигнала от нормального значения (большой уровень сигнала в тракте) и выходит за верхний предел регулирования системы АРН;

· «низкий» — также сигнализирует о слишком высоком отклонении от сигнала от нормального значения (низкий уровень сигнала в тракте) и выходит за нижний предел регулирования системы АРН. Команды соответствуют высокому логическому уровню («1») на соответствующем проводнике ВШ.

Описание работы системы АРН Рассмотрим основные моменты проектируемой системы АРН.

С момента подачи напряжения питания на систему МК начинает выполнение программы, записанной в ПЗУ (постоянном запоминающем устройстве). В начальный момент, вне зависимости от уровня выходного сигнала возбудителя, обеспечивается максимальное затухание в трактах ПЧ и ШУ для предотвращения возможных выбросов напряжения на выходе.

Затем производится разряд конденсатора в цепи пикового детектора, опрашивается источник опорного напряжения (ИОН), программно вычисляются значения дополнительных ИОН (ИОН2=минус 4 дБ, ИОН3=минус 0, 375 дБ).

Следующий этап — опрос пикового детектора, сравнение полученного

значения с вычисленным значением ИОН2. Если значение ПД меньше значения ИОН2, то формируется команда на отключение одной из ступеней аттенюатора крупного шага, т. е. затухание в тракте уменьшается на 4 дБ, затем повторяется опрос ИОН (необходимо в случае ручной регулировки напряжения) и т. д. до тех пор, пока уровень выходного сигнала не перейдет значение минус 4 дБ от номинального значения.

Далее повторяется предыдущий этап, но значение ПД сравнивается со значением ИОН3 и производится переключение АМ, пока уровень выходного напряжения не перейдет границу минус 0,375 дБ от номинального значения.

Такой уровень выходного напряжения удовлетворяет требованиям по его нестабильности (±10%).

Аналогично отслеживается и превышение номинального значения выходного сигнала. В этом случае сравниваются значения напряжения на ПД и ИОН1 и в зависимости от результата либо формируются команды на увеличение ослабления (уровень выходного сигнала превысил номинальное значение), либо повторяются предыдущие этапы (уровень выходного сигнала удовлетворителен).

В случае, если уровень сигнала принимает слишком высокое или низкое значение и выходит за пределы регулирования системы, то МК формирует команды на ВШ: «высокий» и «низкий», соответственно. Возможны различные варианты использования этих команд: индикация аварийных режимов, подача в блок управления и контроля возбудителя, отключение трактов ПЧ и ШУ, блок управления и контроля возбудителя, отключение трактов ПЧ и ШУ, снижение и отключение напряжения питания отдельных блоков возбудителя до устранения неисправностей и т. д.

При поступлении команды «перестройка» (формируется в блоке контроля и управления возбудителем) повторяются описанные выше процедуры (максимальное затухание в тракте и т. д.).

Необходимо обратить внимание, что номинальный уровень выходного напряжения соответствует затуханию аттенюаторов в тракте -6 дБ. Система АРН позволяет осуществлять регулировку напряжения в диапазоне 32 дБ:

· 12 дБ (=6 дБ…-6 дБ) — на отклонение сигнала в тракте под воздействием дестабилизирующих факторов и для подстройки номинального уровня выходного напряжения;

· 20 дБ (-6 дБ …-26 дБ) — на обеспечение глубокого затухания в начальный момент при перестройке частоты.

3. Разработка принципиальной схемы

3.1 Блок управления

В блок управления входят следующие устройства: микроконтроллер, источник питания АЦП микроконтроллера, источник опорного напряжения системы АРН.

3.1.1 Микроконтроллер

Семейство 16-ти разрядных микроконтроллеров MCS-96 выпускается корпорацией Intel с 1984 года. Первые модели микроконтроллеров этого семейства (8×95, 96, 97, 98ВНН) изготавливались с использованием n-МОП технологии. В 1986 году начался выпуск микроконтроллеров по более перспективной к — МОП технологии, которая в настоящее время доминирует в производстве микропроцессорной техники. В последующие годы развитие микроконтроллеров этого семейства шло в направлении расширения внутренней и внешней памяти, повышения тактовой частоты, расширения номенклатуры и совершенствования функционирования периферийных устройств, обеспечивающих связь микроконтроллера с внешними устройствами. В настоящее время семейство MCS — 96 включает более 50моделей микроконтроллеров, функциональные возможности и параметры которых рассчитаны на удовлетворение вопросов широкого круга потребителей. Проведем, сравнительны анализ микроконтроллеров три ветви к-МОП микроконтроллеров, отличающихся архитектурой периферийных устройств. К первой ветви относятся микроконтроллеры 8ХС196КВ/КС/KD, которые используют принятый в ранних моделях этого семейства способ приема и выдачи управляющих сигналов в реальном режиме времени с помощью специализированного блока быстрого ввода-вывода HSIO (High Speed Input-Output). Ко второй ветви относятся микроконтоллеры, в которых для обработки управляющих сигналов в реальном режиме времени используется специальный процессор событий EPA (Event Processor Array). К третей ветви относятся микроконтроллеры 8XC196MC/MD/MH, которые в основном идентичны микроконтроллерам второй ветви, но содержат дополнительные блоки, обеспечивающие генерацию на выходах трехфазных импульсных сигналов для управления электродвигателями. Эти специализированные микроконтроллеры ориентированы на применение в системах управления электроприводом, а поэтому не представляют для нас интереса.

Большинство моделей выпускается в трех модификациях, которые отличаются реализацией ПЗУ. Эти модификации различаются по назначению цифры Х, входящей в идентификатор данной модели: Х=0, 3 или 7 первая модификация (Х=3) содержит внутреннее ПЗУ объемом от 4 до 32 Кбайт, которое программируется в процессе изготовления микроконтроллера с помощью специального фотошаблона (масочно-программируемое ПЗУ). Третья модификация (Х=7) содержит внутреннюю однократно программируемую пользователем память (OTPROM).Программирование осуществляется с помощью специального устройства — программатора. Третья модификация представляет собой особый интерес, поскольку в этом случае можно обойтись без внешнего ПЗУ.

Наиболее оптимальным вариантом будет серия 8XC196KC (модель 87С196КС) т.к. по функциональным возможностям и стоимости занимают промежуточное положение между многофункциональными дорогими и дешевыми простыми моделями. Модель 87С196КС имеет внутреннее электрически программируемое ПЗУ объемом 16 Кбайт, объем регистрового блока (ОЗУ) 512 байт.

Стандартные I/O порты. 87С196КС имеют пять 8-битных портов. Порт 0 — входной, он же порт аналоговых входов для АЦП. Порт 1 — квазидвунаправленный, он разделяет выводы с двумя выходами PWM. Порт 2 содержит три типа линий — квазидвунаправленные, входные и выходные линии совместно с Портом 2. Порты 3 и 4 являются двунаправленными портами с открытым стоком, они могут использоваться как шина адрес/данные.

Таймеры. 87С196КС имеет два 16-битных таймера: Таймер 1 и Таймер 2. При внутренней синхронизации значение Таймера 1 увеличивается каждые 8 тактов процессора (такт — два периода тактового генератора). При внутренней синхронизации Таймер 2 может наращиваться на каждом 1 или 8 такте. При внешней синхронизации значение Таймера 2 наращивается или уменьшается при каждом положительном или отрицательном перепаде. Любой внутренний или внешний источник может сбросить Таймер 2. Таймер 1 может сформировать прерывание при переходе границ 0FFFFh/0000h или 7FFFh/8000h. Микроконтроллер также позволяет использовать таймеры для задания скорости передачи информации и временного контроля WDT (watchdog timer)/ WDT — это отдельный внутренний таймер для сброса системы в случае, если программное обеспечение не сможет нормально функционировать.

Устройства высокоскоростного ввода.(HSI).HSI 87C196KC может записывать время внешних событий с разрешающей способностью в 9 тактов. HIS может следить за четырьмя независимыми линиями HIS и определять значения Таймера 1, когда произойдет событие. Четыре типа событий могут инициализировать захват: нарастающий фронт, спад сигнала, нарастание и спад или каждый восьмой нарастающий фронт.

Высокоскоростное устройство вывода. (HSO). HSO 87C196KC может инициализировать события в определенные моменты, базирующиеся на значения Таймера 1 и Таймера 2. Эти программируемые события заключаются в запуске аналого-цифрового преобразования, сброса Таймера 2, формировании до четырех программных временных задержек и установке или очистке одной или нескольких линий из шести выходных линий HSO. HSO хранит ожидаемые события и соответствующее время в файле памяти Content Addressable Memory (CAM). Этот файл хранит до восьми команд. Каждая команда определяет время действия, «природу» действия, имеет ли место прерывание, идет ссылка на Таймер 1 или Таймер 2. Каждый восьмой такт HSO инициализирует определенные события при совпадении времени. Команда стирается из САМ после выполнения или остается в САМ как запомненная точка входа САМ, тогда команда будет постоянно выполнятся при совпадении значения времени для этой точки со значением текущего времени в соответствующем таймере. Запомненная точка входа полезна в применениях, требующих периодических или повторяющихся событий, таких как повторяющаяся широтно-импульсная (ШИМ) последовательность.

Последовательный порт имеет один синхронный режим (Mode0) и три асинхронных (1,2,и 3). Асинхронные режимы полностью дуплексные, т. е. Они могут передавать и принимать данные одновременно. Приемник на 87С196КС буферизирован так, что прием второго байта может начаться до считывания первого. Передатчик также дважды. Наиболее общее применение синхронного «режима 0» — расширение возможностей устройств ввода-вывода 87С196КС, использующих регистры сдвигов. «Режим 1» — стандартный асинхронный режим, используемый для нормальных последовательных коммуникаций. Структура данных для режима 1 состоит из 10 бит: стартовый, 8бит данных (LSB первый) и стоповый бит. Если передача бита четности разрешена (PEN=1), бит дополнения до четности посылается вместо восьмого бита данных. «Режим 2» и «Режим 3» — девятибитные режимы общего пользования для межпроцессорных коммуникаций. Структура данных, используемых в этих режимах, состоит из 11 бит: стартовый, 9 бит данных (LSB первый) и стоповый бит. Устройства, работающие в «режиме 2», будут вырабатывать прерывание при приеме только тогда, когда девятый информационный1 бит будет установлен. Устройства, работающие в «режиме 3», всегда будут вырабатывать прерывание при приеме. «Режим 3» позволяет передавать 8 информационных бит плюс бит дополнения до четности.

Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) микроконтроллера имеет три выхода. Скважность импульса на выходе формирователя является переменной, импульсы повторяются каждые 256 или 512 тактов. Различные типы моторов требуют ШИМ — формирователя импульсов для наиболее эффективной работы. Кроме того, фильтрация этой ШИМ последовательности будет создавать постоянный уровень, который изменяется с изменением скважности.

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) конвертирует аналоговый вход в цифровой эквивалент. Разрешающая способность8 или 10 бит с программируемыми временами фиксации и преобразования. Основные компоненты АЦП: фиксирующий и хранящий конденсатор (CBX), 8-канальный мультиплексор (АМП) и 8- или 10-битный аналого-цифровой преобразователь поразрядного взвешивания. Преобразователь может начать преобразование немедленно, или HSO может инициализировать преобразование, а запрограммированное время. При завершении каждой конверсии преобразователь вырабатывает прерывание. Микроконтроллер имеет отдельные выводы питания, что исключает влияние помех на аналогово-цифровое преобразование по линии питании.

Прерывания. Здесь 28 источников прерывания и 16 векторов прерывания, а также 2 дополнительных вектора прерывания Software Trap (пошаговое выполнение программ) и Unimplemented Opcodes (Неопознанные коды операций), используемых в системах отладки фирмы Intel или платах-прототипах. Когда контроллер прерывания определит одно из шестнадцати прерываний, он устанавливает соответствующий бит в один из двух регистров ожидания прерываний. Отдельные прерывания разрешаются либо запрещаются установкой или очисткой бит в регистре маски прерываний.

Когда контроллер прерывания производит обработку прерывания, он делает вызов программы обслуживания прерываний (ISR). Соответствующий вектор прерывания содержит адрес ISR.

В дополнение к нормальным режимам работы 87С196 КС имеет несколько режимов специального назначения. Режим Idle (режим холостого хода) и режим Powerdown (режим пониженного энергопотребления) снижают энергопотребление, если устройство не активно. Режим Once (режим внутрисхемной эмуляции) электрически изолирует микроконтроллер от системы, остальные специальные режимы обеспечивают возможность программирования энергозависимости памяти.

Снижение Мощности Потребления. В режиме Idle CPU прекращается выполнение команд, но периферийный задающий генератор остается активным. Энергопотребление падает на 40% от номинального. Любой аппаратный сброс и любой разрешенный источник прерывания может вывести устройство из режима Idle.

В режиме Powerdown вся внутренняя синхронизация замораживается в состоянии логического нуля, и генератор отключается. Внутреннее ОЗУ и большинство периферийной памяти сохраняет свое значение, если сохраняется напряжение питания. Энергопотребление падает до микроваттного уровня.

Программирование 87С196КС. Микроконтроллер поддерживает режим автопрограммирования, режим внешнего программирования и программирование во время работы

· режим автопрограммирования дает возможность 87С196 КС самому программировать себя от внешнего ППЗУ без программатора;

· режим внешнего программирования поддерживает программирование с ППЗУ — программатором. При использовании этого режима можно запрограммировать и проверить любое слово во внутреннем ПЗУ;

· программирование во время работы позволяет программировать куски собственного внутреннего ПЗУ во время обычного выполнения программы, когда это поддерживается программным обеспечением.

Вышеприведенное описание объясняет причины использования в блоке управления данного типа микроконтроллера (даже если не считать, что применение микроконтроллера из данного семейства входит в техническое задание проекта).

Для нормальной работы важно подключать неиспользуемые входы к напряжению питания Vп (+5В) или заземлить. Иначе на неиспользуемом входе может быть напряжение среднего уровня, что вызовет чрезмерный ток. Сигнал внешнего прерывания, такой, как NMI, если он не подключен, может вызвать ложное прерывание.

Подключение портов. Выводы Р0.0 и Р0.1 выполняют функции аналогового входа в АЦП. Остальные выводы порта Р0 могут быть оставлен неподключенными. Однако рекомендуется подключать неиспользуемые выводы Р0.2.Р0.7 к «земле».

Р2.0, Р2.5 выполняют функции выхода и предназначены для вывода на внешнее устройство сигналов сигнализации «низкий» и «высокий».

Вывод Р1.7 предназначен для разряда конденсатора в цепи пикового детектора путем подачи логического «0» (низкий уровень напряжения) и затем вывод переводится в высокоимпедансное (для того, чтобы не мешать работе АЦП).

Эти выводы можно оставлять неподключенными. В данной конфигурации системная шина адрес/данные (AD0-AD15) функционирует как Порты 3 и 4 с определенным по умолчанию значением 0FFFFh. Так как выходы Портов 3 и 4 с открытым стоком, то они будут плавающими, если их не подключить к внешней цепи. Чтобы исключить возможные проблемы, необходимо соединять выводы с землей (также, как и выводы Р2.2, Р2.3 и Р2.4). Порты Р1.0…Р1.7 используются для управления аттенюаторами. Вывод питания и земля. Питание в микроконтроллер поступает через несколько выводов. Vп — источник положительного напряжения для цифровой части устройства, в то время как VREF — источник положительного напряжения для АЦП и Порта 0. VП подсоединен к источнику +5 В. Чтобы уменьшить помехи во время А/Ц-преобразования VREF подсоединен к отдельному источнику питания +5 В. На выводах GND и AGND должен быть одинаковый потенциал около +/-50мВ. Для лучшей работы АЦП необходимо соединить AGND и GND в одной точке как можно ближе к устройству. Используйте кратчайший путь для соединения GND с землей. Необходимо добавить блокировочный конденсатор С1 между GND и VП. Опорный генератор. 87С196КС может или вырабатывать тактовый сигнал внутри кристалла, или использовать внешний тактовый входной сигнал. Чтобы использовать внутренний генератор, внешний кварцевый резонатор Q1 соединен с XTAL1 и XTAL2. Импульсные помехи на XTAL1 XTAL2 могут быть причиной сбоев внутреннего генератора. Емкостная связь между генератором и проводниками с быстронарастающими цифровыми сигналами может вызывать импульсные помехи. Для уменьшения этой связи необходимо располагать кварцевый резонатор и емкости около устройства и использовать короткие прямые проводники для подсоединения к XTAL1, XTAL2 и земли. Для более эффективного уменьшения воздействия импульсных помех необходимо заземлять металлический корпус кварцевого резонатора.

В процессе настройки может понадобиться сброс (RESET#) контроллера. RESET# должен оставаться установленным в течение по крайней мере одного машинного такта, после стабилизации VП и XTAL1, и удовлетворения условий работы, приведенных в спецификации на устройство. Конденсатор C4 емкость, которого 4.7 мкФ (может быть и больше), может обеспечить достаточное время для сброса при быстром нарастании напряжения питания. Непосредственно процедура сброса сводится к короткому замыканию контактов C4.

3.1.2 Источник питания АЦП микроконтроллера

В качестве источника питания АЦП микроконтроллера необходим стабилизированный источник питания +5 В с током нагрузки до 5 мА [7,8]. В радиотехнической литературе приведены множество различных схем стабилизированных источников напряжения, однако, получение высокого коэффициента стабилизации обычно достигается путем использования значительного количества электронных компонентов.

В [79,10] рассмотрены некоторые нестандартные варианты применения микросхемы К548УН1 (малошумящий усилитель). К несомненным достоинствам микросхем следует отнести наличие в их составе внутреннего двухступенчатого стабилизатора напряжения с высоким коэффициентом стабилизации.

Существенно снизить зависимость выходного напряжения стабилизатора от входного можно подачей положительного смещения на инвертирующий вход через резистор сопротивления 1 МОм.

При этом коэффициент стабилизации по напряжению возрастает до 1000… 1500. Нагрузочная способность ограничена встроенным узлом защиты по выходному току на уровне 13мА. Конденсатор С1 служит для защиты от помех.

3.1.3 Управляемый источник опорного напряжения

Управляемый источник опорного напряжения системы АРН строится также на базе микросхемы К548УН1. Схема УИОН (рис. 4.6) несколько отличается от приведенной выше за счет введения элементов регулировки выходного напряжения (К1, R2 и R4).Подстроечный резистор R2 служит для точной установки опорного напряжения в режиме автоматической регулировки напряжения. Переключатель К1: «АРН-РРН», позволяет выбрать режим ручной регулировки напряжения на выходе возбудителя. В режиме АРН К1 шунтирует переменный резистор R4 и выходное напряжение зависит от значения R2. В режиме «РРН» при помощи R4 можно вручную изменять выходное напряжение стабилизатора — опорное напряжение системы АРН — выходное напряжение на выходе возбудителя Резистор R# ограничивает максимальное выходное напряжение на уровне 4.9 В.

Переменный резистор R3 и переключатель К1 являются выносными элементами и расположены на панели управления возбудителя. Диапазон регулировки ИОН составляет 0,4…4,9 [ 9 ]. В режиме ручной регулировки напряжения диапазон регулировки составляет от 0,5 В до значения, которое определяется R2. В нашем случае номинальный уровень составляет 4 В, следовательно, диапазон РРН составит:

(4.1)

3.2 Аттенюаторы

3.2.1 Аттенюаторы мелкого шага

В качестве дискретного аттенюатора мелкого шага используются компоненты фирмы Analog Device: логарифмический ЦАП AD 7111, работающий в режиме суммирования токов и операционный усилитель AD7111.

Микросхема AD7111 применяется для регулирования аналоговых сигналов параллельным двоичным кодом. Приведем некоторые технические характеристики:

· динамический диапазон регулировки… 88,5 дБ;

· шаг регулировки…0,375 дБ;

· граничная частота…1 МГц;

· время переключения… около 90 нс;

· напряжение питания …+5 В;

· максимальный ток управления…1мкА;

· максимальная потребляемая мощность…20мВт;

· диапазон рабочих температур…-40, +85°С.

В качестве управляющих входов используются четыре цифровых входа: D0,…, D4. Входы D5,…, D7 заземлены. Для обеспечения постоянного чтения управляющих сигналов на выводы выборки кристалла (CS) и чтения (WR) подан низкий (нулевой) уровень напряжения. В таблице 4.1 приведена зависимость затухания от команд на входах управления.

Таблица 4.1

Схема с быстродействующим операционным усилителем AD711 рекомендована в. На вход ЦАП IN подается напряжение от модулятора (первая промежуточная частота — 128 кГц). В зависимости от управляющего кода, полученного из блока управления, уровень выходного тока ЦАП меняется и, соответственно, меняется уровень выходного напряжения операционного усилителя.

3.2.2 Аттенюатор крупного шага

Выполнен на базе микросхемы дискретного аттенюатора АК100−25 фирмы ALFA. Основные технические характеристики:

· динамический диапазон регулировки…30дБ;

· шаг регулировки…2 дБ;

· время переключения… около 20 нс;

· напряжение питания…+5 В, -5В;

· максимальный ток управления…100 мВт;

· управляемая мощность…500 мВт;

· диапазон рабочих температур…-40, +85°С.

Включение АК100−25 не требует каких-либо навесных элементов

В таблице 4.2 приведена зависимость затухания от команд на входах управления.

Таблица 4.2

Управление производится микроконтроллером по 3-разрядной шине. Напряжение на вход аттенюатора подается с селектора, а с выхода схемы подается на оконечный усилитель в блоке ШУ.

Выбор именно этих элементов для осуществления регулировки напряжения проводился с точки зрения наиболее простого и недорогого построения схемы.

Блок управления АРН выполняется в виде отдельного блока. Передача и прием необходимых команд, напряжение питания подается через разъем XS1. Аттенюаторы и элементы ручной регулировки напряжения располагаются непосредственно в тракте передачи сигнала и панели управления соответственно.

4. Описание блок-схемы алгоритма работы системы АРН

автоматический регулировка напряжение микроконтроллер Работа блока управления системы АРН производится по программе, располагающейся в ПЗУ микроконтроллера. Рассмотрим блок-схему алгоритма.

«Начало». В начальный момент в микроконтроллере происходят процессы необходимые для его нормальной работы: установка регистров в начальное состояние (после подачи напряжения питания конденсатор, подключенный к выводу RESET#, и внутренний резистор обеспечивают требуемую задержку для установки в начальное состояние), после установки начального состояния, когда на выводе RESET# устанавливается высокий уровень напряжения, из внутреннего ПЗУ производится загрузка байтов конфигурации в регистры конфигурации, затем выбирается первая команда программы из ячейки с адресом OFF2080H во внутреннем ПЗУ. Также производятся необходимые установки в управляющих регистрах портов.