Пульт измерения фазовращателей

Электронный пульт управления стендом измерения параметров фазовращателей на пин-диодах.

Испокон веков параметры фазовращателей на ВУМ измеряли при помощи полумеханических пультов и стрелочных индикаторов. Однако время не стоит на месте и уверенно глядя в будущее мы должны признать, что настало время точной электроники и цифровых технологий. Шестой технологический уклад основан на роботизации и автоматизации труда. Страны, невошедшие в данный уклад, обречены на отсталость.

Задержать темпы – это значит отстать. А отсталых бьют. Но мы не хотим оказаться битыми. Нет, не хотим! История старой России состояла, между прочим, в том, что ее непрерывно били за отсталость. Били монгольские ханы. Били турецкие беки. Били шведские феодалы. Били польско-литовские паны. Били англо-французские капиталисты. Били японские бароны. Били все – за отсталость. За отсталость военную, за отсталость культурную, за отсталость государственную, за отсталость промышленную, за отсталость сельскохозяйственную. Били потому, что это было доходно и сходило безнаказанно. Помните слова дореволюционного поэта: “Ты и убогая, ты и обильная, ты и могучая, ты и бессильная, матушка Русь”. Эти слова старого поэта хорошо заучили эти господа. Они били и приговаривали: “ты обильная” – стало быть, можно на твой счет поживиться. Они били и приговаривали: “ты убогая, бессильная” – стало быть, можно бить и грабить тебя безнаказанно. Таков уже закон эксплуататоров – бить отсталых и слабых. Волчий закон капитализма. Ты отстал, ты слаб – значит ты не прав, стало быть, тебя можно бить и порабощать. Ты могуч – значит ты прав, стало быть, тебя надо остерегаться.Вот почему нельзя нам больше отставать.

Сталин И.В. О задачах хозяйственников: Речь на Первой Всесоюзной конференции работников социалистической промышленности. 4 февраля 1931 г.

Данный пульт был разработан с оглядкой на измерение типовых фазовращателей на высоком уровне мощности с соответствующими требованиями к уровням напряжений, токов и помехозащищённости.

В настоящее время сборка пульта приостановлена на неопределённое время, однако наработки по проекту, возможно, представляют для кого-то научный интерес и могут быть развиты и реализованы на производстве.

Итак, пульт в нынешней версии может:

  • измерять прямое и обратное напряжение на диодах до +/-12В и до +/-55В соответственно с частотой измерений до 1..10КГц.
  • измерять прямые и обратные токи диодов до 400мА и 30мкА соответственно с частотой до 1..10КГц
  • измерять амплитуду импульса детектирования от 1 до 500мВ с частотой до 1..10КГц и длительностью не менее 10мкс (в перспективе до 1мкс)
  • измерять потери СВЧ мощности в приборе через ваттметры типа М3-22А со скоростью 5 измерений в секунду (в перспективе и с блоком Я2М-66)
  • переключать фазовые состояния диодов в любых комбинациях со временем переключения от 10 до 50мкс синхронизировано в паузе между импульсами СВЧ
  • переключать полярность подключённых источников питания
  • измерять температуру с помощью выносного контактного термодатчика
  • выводить все данные на дисплей 4 строки по 20 символов
  • записывать все данные на карту памяти SD на протяжении произвольного времени с дальнейшим построением графиков по этим данным на ПК

В перспективе он мог бы:

  • плавно управлять напряжением (до 60В) и токами через диоды со снятием соответствующих зависимостей мощностных и ВАХ-характеристик
  • управлять подачей СВЧ сигнала посредством коммутации задающего генератора с усилителем, либо контактором кнопки, запускающей СВЧ
  • управлять шаговыми двигателями на конвеере автоматической подачи приборов в камеру и с произвольным временем выдержки под СВЧ
  • управлять уровнем мощности на приборе посредством привода шагового двигателя (ШД) к механическому аттенюатору и обратной связью на основе измерения мощности
  • получать данные о частоте СВЧ сигнала посредством электронно-счётного частотомера с КОП-интерфейсом (типа Ч3-66), либо посредством механической перестройки волномера ШД
  • коммутировать каналы СВЧ тракта посредством включения-выключения питания обмоток электромагнита на электрически управляемом циркуляторе либо управлением серво-привода, приспособленного к свч-крану

Методы измерений, использованные в данном пульте могут быть применены к любым другим полупроводниковым приборам СВЧ, где требуется высокое разрешение графиков зависимостей потерь или температуры от токов и напряжений на диодах или произвольных датчиках.

Сама же платформа Arduino может быть задействована на ВУМ в таких применениях как:
— коммутация источников напряжения (до 250-600-1200В) с нагрузкой
— измерение и запись значений напряжений, токов, осциллограмм, мощности
— измерение времени восстановления (через пк и цифровой осциллограф)
— контактное измерение и запись значений температуры
— измерение и запись значений высоких напряжений через аттестованный делитель
— измерение токов в цепях с гальванической развязкой до 5-6КВ
— управление драйверами БПТИЗ и силовых ПТ, коммутирующих сеточное напряжение на высоковольтных лампах (типа гми-2б)
— измерение вибрационных частот при помощи вибродатчиков
— измерение произвольных величин напряжений и токов с различных преобразователей (датчиков)
— управление шаговыми двигателями различной мощности для выполнения циклических операций
— калибровка детекторных секций на точное измерение мощности посредством точного сопоставления амплитуды импульса и уровня мощности
— снятие данных о форме импульса с частотой выборки до 5msmpl без осциллографа и более 1гига выборки при использовании цифровых осциллографов
— да и много чего ещё…

Главное преимущество платформы Arduino состоит в простоте её программирования, которое может быть последовательно освоено большинством специалистов без профильного образования так же, как и работа с мультиметром и осциллографом, что особенно ценно в условиях дефицита квалифицированных кадров. Простота программирования в свою очередь ведёт к быстроте изготовления конечных устройств для измерения параметров приборов и решения многих задач автоматизации. Такая необходимость появляется особенно часто, когда требуются какие-либо нестандартные или специфические условия и требования к измерениям. Гибкость и простота платформы может всё это обеспечить.

Далее следует краткий обзор основных модулей и принципов их действия, проверенных и работающих в данный момент.

Основной модуль — ключ, коммутирующий прямое и обратное напряжение (различных полярностей) на одном диоде или разряде из нескольких диодов. Верхняя пара комплиментарных ПТ открывает/запирает источник обратного смещения, нижняя пара — источник прямого тока. Напряжением на затворах ПТ управляют биполярные транзисторы, которые в свою очередь управляются с выходов регистров сдвига 74HC595. На один разряд таким образом нужно 4 управляющих сигнала. Сопротивление Р5 физически состоит из фиксированного резистора 50Ом 2Вт и подстроечного до 200Ом 0.5Вт, что обеспечивает балансировку токов в разрядах в зависимости от количества параллельно включённых диодов.
Прямой ток до 400мА, напряжение до 12В, обратный ток измеряется до 0.01 до 30мкА, обратное напряжение от 15 до 55В. Эти значения могут быть увеличены/уменьшены подбором соответствующих компонентов. Быстродействующие диоды UF4002 до 100В защищают транзисторы от напряжения неправильной полярности на стоке (коллекторе). Делители в цепях БТ стоят для подтяжки/понижения напряжения на затворах до уровня максимум +/-20 относительно истока. Делители измерения прямого и обратного напряжения нужны для согласования уровня измеряемого напряжения с уровнями АЦП контроллера. Измерительные сопротивления (после которых идёт распараллеливание на разряды) стоят сразу после источников для снятия малого дифференциального напряжения, пропорционального протекающим прямым и обратным токам.

razryad
Ниже изображена схема вывода байтов логического состояния этих разрядов (6 штук) из МК на транзисторы. Используются 3 микросхемы 74HC595 — 3 сдвиговых регистра, которые управляют 24 транзисторами (6х4). Используются три вывода из мк (data, shift, latch pins) и функция из стандартной библиотеки shiftOut. Нетрудно заметить, что подобным каскадированием сдвиговых регистров можно управлять произвольным количеством разрядов или диодов, с ограничением по времени обновления состояний, определяющимся частотой следования shift-импульсов (которая может быть увеличена до 4мгц при использовании аппаратного spi, т. е. до 4Млн транзисторов за секунду или 4млн/4транзистора/4разряда = 250тыс.фазовращателей в секунду. Впрочем, данные расчёты носят теоретический характер).

Пример кода, отправляющего байты логических состояний выходов на транзисторы

shiftOut(data_pin,shift_pin,MSBFIRST,B00000000);
shiftOut(data_pin,shift_pin,MSBFIRST,B00000000);
shiftOut(data_pin,shift_pin,MSBFIRST,B00000000);
digitalWrite(latch_pin,HIGH);
digitalWrite(latch_pin,LOW);

Аналогичный кусок кода вызывается в фукции-прерывании в мк, которое происходит после прихода импульса синхронизации с Г5-54.

74HC595
Следующий модуль — схема гальванически развязанного измерения тока на основе усиления малого дифференциального напряжения на сопротивлении шунта оптроном типа HCPL7840 в линейном режиме. Входная цепь оптрона питается от батареи Крона со стабилизатором на 5В. Потенциометр параллельный Кроне задаёт точку +200мВ относительно минуса Кроны. Эта точка привязывается к выходу источника отрицательного смещения и к минусовому входу оптрона. Точка +200мВ выбрана не случайно, так как именно в диапазоне от 0 до 400мВ оптрон находится в линейном режиме и может усилять напряжения разных знаков. Коэффициент усиления оптрона фиксирован на уровне 8, что удобно при расчётах. rc-цепи на входах оптрона нужны для сглаживания Uвх.д. Диоды Шоттки на входах ограничивают дифф.напряжение на уровне +/-200мВ.
С выхода оптрона дифференциальное напряжение поступает на инструментальный усилитель АД620, с программируемым коэффициентом усиления примерно 100k/Rg в данном случае равному 10. Пятый вывод усилителя служит для опорного нуля на выходе, который задаётся на уровне 2.5В потенциометром Р8 и буферным усилителем 4558Д или аналогом. Нормализованное напряжение с АД620 поступает на АЦП мк, где может быть прочитано всего одной строчкой кода
analogRead(An)
возвращая значение от 0 до 1023, где 0 соответствует току примерно [ (-2.5В /8 /10) /0.1Ом ]A, а 1023 соответствует [ (+2.5В /8 /10) /0.1Ом ]A
точные значения коэффициентов для умножения на отсчёты подбираются экспериментально.
(прим. — для канала Uобр R1 = 6800 Ом и k2=1, а для канала Uпр R1 = 0.1 Ом и k2=8)

current_measure
По идее расщепление питания Кроны на двухполярное можно и надо было бы делать по нижеследующей схеме, но у меня и так всё заработало. Также существует альтернативный вариант с измерением напряжения через spi-ацп и передачей значений через цифровой оптрон или гальваноразвязку типа adum на сторону МК. У него есть свои неоспоримые плюсы и в перспективе лучше перейти именно на такой способ.

87897786785676567567567657
Оцифровка значений импульса детектирования происходит через аналоговый мультиплексор для выбора нужного разряда для подключения ко входу схемы выборки и хранения. Входные конденсаторы образуют с резистором Р6 рц-цепь с постоянной примерно в десять раз больше длительности импульса СВЧ, так что полка импульса детектирования проходит почти без искажений (амплитуда при этом уменьшается примерно в 5 раз).
Входные резисторы на 500 ом нужны для ограничения импульсного тока через мультиплексор, который питается от напряжений +/-12В (на схеме 5В). 12В нужны для того, чтобы амплитуда импульса в момент переключения и мощного выброса +/-60В с Uпр на Uобр не сильно превышала напряжение питания (впрочем на этот случай стоят защитные диоды). Отрицательное питание для схем формируется микросхемой 7660 или её аналогом. Текущий адрес (А0, А1, А2) коммутируемого входа на мультиплексоре задаётся логическими сигналами с мк, которые также могут заводиться через сдвиговый регистр.
Диоды параллельно Р6 ограничивают максимальную амплитуду Uдет.
АД620 усиливает сигнал Uдет в 100k/20k = 5 раз (или больше по необходимости), нормализуя его относительно уровня 2.5В, задаваемого потенциометром и буферным усилителем для понижения импеданса.
Усиленный сигнал подаётся на вход схемы выборки-хранения LF398, которая запоминает значение на входе в момент прихода сигнала с контроллера длительностью не менее 10мкс. Этот момент должен быть синхронизирован с генератором Г5-54 путём выбора соответствующей задержки на Г5-54 (около 35мкс), равной времени установки функцией digitalWrite() логической единицы на входе LF398 (всё происходит в прерывании само собой). С выхода выборки сигнал подаётся на АЦП контроллера, где принимается за амплитуду импульса детектирования относительно 2.5В.

U-detect

Альтернативно, вместо использования лф398 можно использовать ацп 32 битного контроллера типа arduino due во free-run режиме (около 1млн выборок в секунду), либо использовать внешний малоразрядный ацп типа ca3306, подключённый к шести входам ардуины. Это даёт около 5млн выборок в секунду с 6-битной точностью, так что любители оцифровывают 1мкс импульсы прямо с ардуины. И схема достаточно простая. Ещё можно не маяться дурью и подключить цифровой осциллограф, получая отсчёты значений импульса через usb и простой программный интерфейс NI visa. Но для этого к пульту потребуется подключить целый компьютер.

Главная проблема оцифровки сигнала с ваттметра М3-22А состоит в необходимости добычи разъёма РПМ7-36Г для подключения к ваттметру. После этого стандартные логические сигналы можно считывать чем угодно. Например, расширителями портов ввода типа PCF8574. Для одного ваттметра достаточно трёх микросхем. Первая работает на выход, устанавливая режим дистанционного управления, предел, автоустановку нуля или автопредела. Вторая получает код предела, знак и значения 1 и 2 разрядов в BCD-коде. Третья получает значения 3 и 4 разряда.

m3-22a

Считывание и установка данных в pcf происходит по интерфейсу i2c с помощью простой и быстрой библиотеки wire:
Wire.beginTransmission(56);
Wire.write(B10110000); // установка конфигурации ваттметра
Wire.endTransmission();
Wire.beginTransmission(57);
Wire.write(B11111111); // установка 57 пцф в режим входа
Wire.endTransmission();

while( (digitalRead(2)) ) { // цикл ожидания прихода отрицательного синхроимпульса
continue ;
};
Wire.requestFrom(57,1);
while (!Wire.available()) { // цикл ожидания данных с и2ц
continue ;
};
pcf57 = Wire.read(); чтение данных в переменную по приходу

Адрес пцф задаётся подтяжкой А0-2 к земле или питанию. Через резисторы.
Так как в режиме входа выходы пцф не защищены по току, то каждый вывод обязательно подключать через резистор 1-10КОм.
Линии SDA и SCL ведущие к микросхемам желательно выполнять в виде витой пары с подтягивающими резисторами до 1КОм. Либо в условиях цеха вообще в виде двух коаксиальных кабелей со связью по земле через экран кабеля между ваттметром и контроллером. С таким подключением стабильность считывания цифровых сигналов была проверена на ВУМ в течение нескольких часов.
Вообще все кабели, ведущие на камеру с диодами и на источники питания желательно сделать коаксиальными, а все платы желательно собрать в экранированном металлическом корпусе.
Также для упрощения понимания схем я опустил конденсаторы по питанию и иногда по входам усилителей, которые желательно располагать как можно ближе к схемам. Рекомендуемая обвязка указана в typical application в даташитах к схемам.

Коммутация силовой нагрузки типа заземления плюса и минуса источника питания со схемой осуществляется стандартным 4реле-модулем для ардуино. Напряжения до 250В, токи до 10А. Всё просто )

relay
Я не стал приводить также очевидные схемы подключения дисплея 2004, модуля карты памяти формата sd и линейного термодатчика lm35, которым требуется 3-4 провода и столько же строк кода для практически прямого подключения к контроллеру. Ибо они очевидны.

https://pastebin.com/jetmppKh — тут пример кода для первого макета, способного только измерять прямое напряжение и ток, переключать разряды и синхронизировать переключение с генератором. многострочно, потому что демо.

https://pastebin.com/U07uZj7P — а тут программа-демка для собранного считывателя мощности м3-22а. пусть не смущают 450 строк, это просто демонстрация всевозможных режимов. по факту для управления м322 требуется в среднем около 50 строк.

В заключение хочется выразить надежду на то, что все эти рассуждения помогут кому-то хоть как-то повысить эффективность труда на каком-нибудь отдельно взятом предприятии опека до окончания программы перевооружения (через три года уже 🙂 и соответственно окончания финансирования отрасли президентом-мудаком, который вбухивает эти деньги в отрасль, зная, что они всё равно не помогут ни выпустить оружие, способное сбить томогавки, ни провести конверсию предприятия на потребительские нужды (промышленность наш президент и правительство душат всеми доступными способами), будучи разворованы эффективными менеджерами, мебельщиками, управленцами, перекладывающими бумажки, проводящими совещания и придумывающими бесполезную работу по перестановке столов/коробок за зарплату в несколько раз выше работников итр, просто блатными должностями и, конечно, нашим первым отделом, задача которого состоит в порче условий труда людям ради мнимой псевдосекретности, при которой все секретные документы автоматизировано воруются через закладки в сетевом оборудовании западных и восточных партнёров, через высшее начальство и через прочие источники утечки, коих в 21веке гораздо больше, чем может вместить в себе мозг среднего особиста.

Ариведерчи.
18.04.2017 / Якушин И.В.

Реклама
Categories: Без рубрики, Про жизнь | Метки: | Оставьте комментарий

Навигация по записям

Ответить

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s

Блог на WordPress.com.

%d такие блоггеры, как: