Hordozható adatgyűjtő

Hasonló dokumentumok
ÖNÁLLÓ LABOR Mérésadatgyűjtő rendszer tervezése és implementációja

Áramkörszámítás. Nyílhurkú erősítés hatása

A/D és D/A konverterek vezérlése számítógéppel

ÁLTALÁNOS SZENZORINTERFACE KÉSZÍTÉSE HANGKÁRTYÁHOZ

* Egyes méréstartományon belül, a megengedett maximális érték túllépését a műszer a 3 legkisebb helyi értékű számjegy eltűnésével jelzi a kijelzőn.

Villamos jelek mintavételezése, feldolgozása. LabVIEW 7.1

6 az 1-ben digitális multiméter AX-190A. Használati útmutató

Elektronika laboratóriumi mérőpanel elab panel NEM VÉGLEGES VÁLTOZAT! Óbudai Egyetem

Mérés és adatgyűjtés

Villamos jelek mintavételezése, feldolgozása. LabVIEW előadás

D/A konverter statikus hibáinak mérése

I. C8051Fxxx mikrovezérlők hardverfelépítése, működése. II. C8051Fxxx mikrovezérlők programozása. III. Digitális perifériák

Szimmetrikus bemenetű erősítők működésének tanulmányozása, áramköri paramétereinek vizsgálata.

OP-300 MŰSZAKI ADATOK

LOGSYS LOGSYS SZTEREÓ CODEC MODUL FELHASZNÁLÓI ÚTMUTATÓ szeptember 16. Verzió

Felhasználói kézikönyv

Mechatronika és mikroszámítógépek. 2016/2017 I. félév. Analóg-digitális átalakítás ADC, DAC

Jelfeldolgozás a közlekedésben. 2017/2018 II. félév. Analóg-digitális átalakítás ADC, DAC

Akusztikus MEMS szenzor vizsgálata. Sós Bence JB2BP7

Digitális multiméterek

The modular mitmót system. 433, 868MHz-es ISM sávú rádiós kártya

Milyen elvi mérési és számítási módszerrel lehet a Thevenin helyettesítő kép elemeit meghatározni?

Felhasználói kézikönyv

MÓDOSÍTOTT RÉSZLETEZŐ OKIRAT (1) a NAH / nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

Nagyfrekvenciás rendszerek elektronikája házi feladat

T Bird 2. AVR fejlesztőpanel. Használati utasítás. Gyártja: BioDigit Kft. Forgalmazza: HEStore.hu webáruház. BioDigit Kft, Minden jog fenntartva

DIÓDÁS ÉS TIRISZTOROS KAPCSOLÁSOK MÉRÉSE

2. Elméleti összefoglaló

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Gingl Zoltán, Szeged, dec. 1

Műveleti erősítők. 1. Felépítése. a. Rajzjele. b. Belső felépítés (tömbvázlat) c. Differenciálerősítő

Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok

Példaképpen állítsuk be az alábbi értékek eléréséhez szükséges alkatrészértékeket. =40 és =2

10.1. ANALÓG JELEK ILLESZTÉSE DIGITÁLIS ESZKÖZÖKHÖZ

2. rész PC alapú mérőrendszer esetén hogyan történhet az adatok kezelése? Írjon pár 2-2 jellemző is az egyes esetekhez.

Felhasználói kézikönyv

Multi-20 modul. Felhasználói dokumentáció 1.1. Készítette: Parrag László. Jóváhagyta: Rubin Informatikai Zrt.

Műveleti erősítők. Előzetes kérdések: Milyen tápfeszültség szükséges a műveleti erősítő működtetéséhez?

Gingl Zoltán, Szeged, :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok

A/D és D/A átalakítók gyakorlat

Felhasználói kézikönyv

Nemzeti Akkreditáló Testület. RÉSZLETEZŐ OKIRAT a NAT /2015 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

Analóg-digitális átalakítás. Rencz Márta/ Ress S. Elektronikus Eszközök Tanszék

PCS-1000I Szigetelt kimenetű nagy pontosságú áram sönt mérő

RÉSZLETEZŐ OKIRAT (1) a NAH /2019 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

Felhasználói kézikönyv

ÁGAZATI SZAKMAI ÉRETTSÉGI VIZSGA VILLAMOSIPAR ÉS ELEKTRONIKA ISMERETEK KÖZÉPSZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ A MINTAFELADATOKHOZ

Felhasználói kézikönyv

Mérés 3 - Ellenörzö mérés - 5. Alakítsunk A-t meg D-t oda-vissza (A/D, D/A átlakító)

Felhasználói kézikönyv

Mérés és adatgyűjtés

Logaritmikus erősítő tanulmányozása

Műveleti erősítők - Bevezetés

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

A 27/2012 (VIII. 27.) NGM rendelet (12/2013 (III.28) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

Programozható Vezérlő Rendszerek. Hardver

TxRail-USB Hőmérséklet távadó

Felhasználói kézikönyv

The modular mitmót system. 433, 868MHz-es ISM sávú rádiós kártya

Áramgenerátorok alapeseteinek valamint FET ekkel és FET bemenetű műveleti erősítőkkel felépített egyfokozatú erősítők vizsgálata.

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Négyszög - Háromszög Oszcillátor Mérése Mérési Útmutató

07. mérés Erősítő kapcsolások vizsgálata.

Elektronika Előadás. Digitális-analóg és analóg-digitális átalakítók

Felhasználói kézikönyv

Vegyes témakörök. A KAT120B kijelző vezérlése Arduinoval

Tartalom. Port átalakítók, AD/DA átalakítók. Port átalakítók, AD/DA átalakítók H.1. Port átalakítók, AD/DA átalakítók Áttekintés H.

Mikrokontrollerek és alkalmazásaik Beadandó feladat

Minden mérésre vonatkozó minimumkérdések

T Bird 2. AVR fejlesztőpanel. Használati utasítás. Gyártja: BioDigit Kft. Forgalmazza: HEStore.hu webáruház. BioDigit Kft, Minden jog fenntartva

Tápegység tervezése. A felkészüléshez szükséges irodalom Alkalmazandó műszerek

Mérési jegyzőkönyv a 5. mérés A/D és D/A átalakító vizsgálata című laboratóriumi gyakorlatról

Bevezetés a méréstechnikába és jelfeldolgozásba. Tihanyi Attila 2007 március 27

USB I/O kártya. 12 relés kimeneti csatornával, 8 digitális bemenettel (TTL) és 8 választható bemenettel, mely analóg illetve TTL módban használható.

Felhasználói kézikönyv

Felhasználói kézikönyv

Led - mátrix vezérlés

Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok

Mintavételezés és AD átalakítók

Számítási feladatok a 6. fejezethez

Ismerkedés az MSP430 mikrovezérlőkkel

Iványi László ARM programozás. Szabó Béla 6. Óra ADC és DAC elmélete és használata

Bipoláris tranzisztoros erősítő kapcsolások vizsgálata

Felhasználói kézikönyv

Nemzeti Akkreditáló Testület. RÉSZLETEZŐ OKIRAT a NAT /2015 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

MÓDOSÍTOTT RÉSZLETEZŐ OKIRAT (1) a NAH / nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Újrakonfigurálható eszközök

TxBlock-USB Érzékelőfejbe építhető hőmérséklet távadó

MSP430 programozás Energia környezetben. Kitekintés, további lehetőségek

ALPHA és ALPHA XL műszaki leírás

Első egyéni feladat (Minta)

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Analóg-digitál átalakítók (A/D konverterek)

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

0 Általános műszer- és eszközismertető

Felhasználói kézikönyv

Felhasználói kézikönyv 760D Digitális Multiméter

Felhasználói kézikönyv

MAGYAR KERESKEDELMI ÉS IPARKAMARA. Országos Szakmai Tanulmányi Verseny. Elődöntő KOMPLEX ÍRÁSBELI FELADATSOR MEGOLDÁSA

Átírás:

Hordozható adatgyűjtő Témalaboratórium jegyzőkönyv 2016/17. I. félév Vagner Jázon Konzulens: Dr. Kovácsházy Tamás

Tartalomjegyzék Specifikáció... 2 Bevezetés... 2 A téma értelmezése... 2 Az elvégzendő feladatrészek... 2 A kapcsolás... 3 1-es csatorna... 3 2-es csatorna... 5 Az analóg tápfeszültség előállítása... 5 Hőmérő... 5 A nyomtatott áramkör... 6 A szoftver... 6 Mérési eredmények... 7 5 khz szinusz, f s = 400 khz... 7 1 khz négyszög, f s = 400 khz... 8 Mellékletek...10 Felhasznált segédanyagok...10 1

Specifikáció Két analóg csatorna beállítható érzékenységgel Méréshatárok: 0,5V / 1V / 5V / 10V 5kHz-es sávszélesség 100V tartós elviselése meghibásodás nélkül Bevezetés A feladat megvalósításához egy STK3700 (Giant Gecko) fejlesztőpanelt használtam. A téma értelmezése Az adatgyűjtés azt takarja, hogy mintavétélezni kell a két csatorna feszültségét valamilyen mintavételi frekvenciával, és kiolvashatóan tárolni a mért értékeket. (Az elkészített tesztprogram rögtön elküldi UART-on az eredményeket a mérés után, de ezt minimális kódváltoztatással meg lehetne változtatni.) Az elvégzendő feladatrészek Kapcsolás tervezése a specifikáció alapján Nyomtatott áramkör tervezése Szoftver írása a Simplicity Studio fejlesztőkörnyezetben C nyelven a fejlesztőpanelen lévő mikrovezérlőre 2

A kapcsolás A méréshez a mikrovezérlő belső ADC perifériáját használom, így külső ADC IC-t nem használok, a tervezett áramkör csak a jelkondicionálást végzi el. 1-es csatorna A bemeneti fokozatnak a fő részei az osztó, az analóg kapcsoló IC, és a PGA (programmable gain amplifier). Mintavevő-tartó áramkör nincs a kapcsolásban, viszont az ADC-ben van (először beállítható ideig mintát vesz (acquisition phase), majd átalakít (approximation phase)). Az analóg kapcsoló és a PGA áramkörök kimenete rail-to-rail. Mivel az ilyen kimenet is csak megközelíteni tudja a feszültségtartomány határait, 0V bemenő feszültségnél nagyjából 7mVot mértem a PGA kimenetén. A felső, V MCU -s határral nincs ilyen gond, mert ezek az IC-k 5Vról járnak. Ez viszont probléma is lehetne egyben, hiszen így ha a bemeneti feszültség nagyobb a beállított méréshatárnál a V MCU -nál nagyobb feszültség is kerülhet az ADC bemenetre. Ezt oldja meg a kimeneten a soros 100Ω-os ellenállás, amely ilyen esetben korlátozza az áramot a mikrokontroller vágódiódáin. Az osztónak 25-ös és 2,5-es leosztású kimenete van, ez a két pont az analóg kapcsolóval kapcsolható a PGA-ra. A választott TS12A12511DGKR típus R on vezetési ellenállása aszimmetrikus 5V-os tápfeszültségen legfeljebb 12,5Ω, de mivel a PGA bemenő árama DC feszültségre a teljes működési hőmérséklettartományon legfeljebb 250pA (szobahőmérsékleten 1pA), az okozott feszültségesés elhanyagolható (<3,125nV). A PGA bemeneti kapacitása 15pF. A PGA-t SPI-n lehet beállítani. Itt elkövettem azt a hibát, hogy nem jutott eszembe a szintillesztés. Mivel MISO vonal nincs, ezért csak a 3,3V -> 5V iránnyal lehetne gond, de a 3,3V-os magas szintet a PGA már magasnak érzékeli, ezért így is működik a kapcsolás. 3

Analóg kapcsoló IC helyett relét is lehetne használni, de a feladat szempontjából nem lenne előnye, cserébe sokkal nagyobb, többet fogyaszt, és további elemek kellenek a működtetéséhez, ezért nem azt választottam. Az előírt méréshatárokhoz úgy határoztam meg az alkatrészeket, hogy a bemenő feszültségtartomány a PGA kimenetén a 0-3,2V tartományba képződjön le. Az ADC referenciafeszültségének a V DD -t használom (a panelen V MCU ), amely névlegesen 3,3V, így tehát a teljes tartomány nagy részét kihasználom, valamint így az ellenállásértékek hibájából adódó esetleges eltérések miatt sem éri el a 3,3V-ot (1%-os tűrésű ellenállásokkal). Sajnos csak utólag derült ki, hogy a 3,3V-osnak feltételezett V MCU valójában 3,2V-os, így az 5V-os méréshatárban például nem lehet teljesen 5V-ig mérni. Egyenfeszültségen az összes méréshatárban megmértem, hogy mennyit mér az ADC a FS értéknél, ezen értékek felhasználásával számolja ki az eszköz a mért feszültséget. A fentebb említett 3,2V probléma miatt az 5V-os méréshatárban már 4,976V-nál 4095 a mérési eredmény, ebből következtetve 5V-on 4115-nek kellene lennie ez 12 biten nyilván lehetetlen. Az MCP6S21 típusú PGA lehetséges erősítései 1; 2; 4; 5; 8; 16; 32 V, az ezekből és lehetséges V osztásokból adódó méréshatárok [V]-ban: U határ = 3,2V leosztás PGA erősítés 1x 2x 4x 5x 8x 10x 16x 32x 2,5 8 4 2 1,6 1 0,8 0,5 0,25 25 80 40 20 16 10 8 5 2,5 Zöld háttérrel emeltem ki a specifikációban szereplő értékeket, a pirossal áthúzottak nem lehetségesek a védelem miatt, a fennmaradó 8 további méréshatár szintén használható. Ebből a 8-ból csak 7 különbözik, a 8V-os határnál volt választásom, hogy melyiket használjam. Azért nem a piros 8-ast választottam, mert a PGA erősítéshibája 1x-es erősítés esetén csak 0,1%, míg a többi esetben 1%, továbbá a kisebb leosztástól és a kisebb erősítéstől azt remélem, hogy a kimenet kevésbé lesz zajos. A kompenzált osztó azért szükséges, hogy kompenzálható legyen a jelvezeték kapcitása, ha ez szükséges. Ezen kívül a TVS diódának van ráadásul feszültségfüggő tértöltés-kapacitása, de ezt nem vettem figyelembe, így a kondenzátorértékeket csak az osztó ellenállásaihoz méreteztem úgy, hogy teljesüljön a 22nF 45kΩ = 33nF 30kΩ egyenlőség. A TVS dióda a 2,5-es osztópont feszültségét korlátozza. A választott típus 3,3V-os, ez alatt a tipikus szivárgási árama 5µA. 10mA-hez legalább 5,2V kellene. A 10V-os méréshatárban itt legfeljebb 4V lehet, ezért nem meglepő, hogy a méréstartomány felső része nemlineáris. Ezt már a tervezéskor tudtam, de azért nem 5V-os diódát választottam, mert akkor az analóg kapcsolóra 5,5Vnál nagyobb feszültség is juthatna, ennyi viszont a maximum az adatlap szerint. 100V-os bemenő feszültségnél az osztó felső ellenállásai (R 9 és R 10 ) korlátozzák az áramot. A legnagyobb teljesítmény ekkor a 43kΩ-os ellenálláson disszipálódik, ez a diódán eső feszültséget 3V-nak véve (így van némi ráhagyás) P d (100 3) 43 45 43 200mW. Emiatt 1206-os tokozású ez az egy ellenállás. 4

2-es csatorna Nem kellett, hogy a 2-es csatornát is a specifikáció szerint tervezzem meg, a szoftvernek viszont tudnia kell kezelni két csatornát, ezért ide egy egyszerű osztót tettem. Ennek kimenete elvben konstans 2,5V. A fejlesztőpanel dokumentációjában a bővítő csatlakozó lábkiosztásánál sajnos nem szerepelt, hogy a PD6-os lábra tették a fényérzékelőként használt fototranzisztort, így ez a csatorna fényérzékeny lett. Mivel ez a csatorna nem olyan fontos, ez nem jelent nagy gondot. Az analóg tápfeszültség előállítása Mivel a digitális áramkörök tápfeszültsége a kapcsolások miatt zajos, az analóg tápfeszültség ebből szűréssel állítható elő, ehhez LC szűrőt használtam. Az L 1 alkatrész kimondottan erre a célra való ferrit bead. Az analóg oldalon a 100µF-os elektrolitkondenzátor a kisfrekvenciás, a 100nF-os kerámia a nagyfrekvenciás zajok szűrésére alkalmas, az előbbinek ugyanis jelentősen csökken a kapacitása a frekvencia növelésével. Hőmérő Bár nem tartozik a feladatomhoz, egy LM75A típusú, I 2 C buszra illeszthető hőmérő IC-t is terveztem a panelre, így megismerkedhettem mind a hőmérőnek, mind az I 2 C-nek a használatával. 5

A nyomtatott áramkör A tervezéshez a KiCAD programot használtam. Az alkatrészek elhelyezésekor törekedtem arra, hogy az analóg részek egymáshoz közel legyenek. Az elkészült panel: A szoftver Az ADC-t scan módban használom, ami azt jelenti, hogy szoftveres beavatkozás nélkül egymás után mintavételezi a megadott csatornákat. A konverziós parancsot a mintavételi frekvenciával kell kiadni, ehhez egy timer-t használtam. Hogy a CPU-t tehermentesítsem, a konverziót nem megszakításból indítom, erre a célra a legjobb a PRS (peripheral reflex system). Ezt használva az ADC közvetlenül a timer-től kapja (túlcsorduláskor) a konverziós parancsot. A scan mód miatt a 2-es csatornán kis késéssel történik a mintavétel az 1-eshez képest. Az ADC órajele 12 MHz, az acquisition time 2 órajelciklus, és 12 bites felbontást használok, így egy mintavétel ideje 12+2 12 MHz 1,17µs. Ennyit késik a 2-es csatorna mérése. Ha az alkalmazásban ekkora a késés nem engedhető meg, akkor 2db külső, különálló AD átalakítót kellene használni. Az eredményeket DMA vezérlővel olvasom ki. Ha a mérés elkészült, a DMA megszakításában tiltom a timert. Így a CPU a mintavételezés kezdetétől a végéig szabad. Az eredmények elküldése UART-on történik, ezt is meg lehetne oldani DMA-val, de mivel ez nem időkritikus, ezzel nem foglalkoztam. 6

Feszültség [mv] Feszültség [mv] Mérési eredmények Ezeket a méréseket 5V-os méréshatárban végeztem, és az oszcilloszkóp által kijelzett érétkeket tekintettem referenciának. 5 khz szinusz, f s = 400 khz 1-es csatorna 5V-os méréshatárban 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Minta sorszáma 2-es csatorna 1000 950 900 850 800 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Minta sorszáma Az áthallás a 2-es csatornára -29dB. U off = 2,56V; U PP = 4,43V; U offmért = 2,457; U PPmért = 4,379V A középérték mérési hibája 2,56 2,457 2,56 A peak-to-peak mérési hibája 4,43 4,379 4,43 100% 4% 100% 1,15% A specifikáció szerinti 5kHz-es sávszélességet teljesíti. 7

Feszültség [mv] Feszültség [mv] Feszültség [mv] 1-es csatorna 5V-os méréshatárban 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Minta sorszáma Egy periódusnyi minta a regisztrátum elejéről. Ez a várakozásnak megfelelően 400kHz 5kHz = 80 mintából áll. 1 khz négyszög, f s = 400 khz 5000 4000 3000 2000 1000 1-es csatorna 0 0 200 400 600 800 1000 Minta sorszáma 2-es csatorna 1000 950 900 850 800 0 200 400 600 800 1000 Minta sorszáma 8

U off = 2,57V; U PP = 4,51V; U offmért = 2,493; U PPmért = 4,329V A középérték mérési hibája 2,57 2,493 2,57 A peak-to-peak mérési hibája 4,51 4,329 4,51 100% 3% 100% 4% Az áthallás itt is -29dB, és láthatóan frekvenciafüggetlen, tehát valamilyen rezisztív osztás állhat a hátterében. Ennek még nem sikerült megtalálni az okát. 9

Mellékletek KiCAD_project mappa: a teljes hardverterv KiCAD projectje. TLAB mappa: a szoftver Simplicity Studio projectje. schematic.pdf: a teljes kapcsolási rajz Felhasznált segédanyagok Használtam fel mintakódokat a Simplicity Studio mappájából (C:\SiliconLabs\SimplicityStudio\v3\developer\sdks\efm32\v2\an) o /an0021_efm32_adc/main_adc_timer_prs.c o /an0021_efm32_adc/main_adc_calibration.c o /an0013_efm32_dma/memory_scatter_gather.c 10