ai: репозиторий переименован в eumirts5-dds; задание разделено на часть A (сборка DDS-стенда) и B (исследование интегратора, дифференциатора, RC-фильтра); stub синхронизирован с РПД (добавлен PIO-генератор); README с расшифровкой названия и картой пинов
This commit is contained in:
mss
@@ -1,116 +1,130 @@
|
|||||||
# Лабораторная: интегратор и дифференциатор на ОУ (АЧХ/ФЧХ + Monte Carlo + автосвип)
|
# ЭУМиРТС5-ДДС
|
||||||
|
|
||||||
Комплект к теме `topics/lab5-peredatochnaya-funkciya-na-ou.md`
|
Репозиторий студента для одной лабораторной работы.
|
||||||
(«Электронные устройства мехатронных и робототехнических систем»,
|
|
||||||
Б1.В.06, 5 семестр, 4 ч).
|
|
||||||
|
|
||||||
> AI-сгенерировано (2026-10-26), требует проверки преподавателем
|
**Дисциплина:** Электронные устройства мехатронных и робототехнических
|
||||||
> перед использованием на стенде.
|
систем (ЭУМиРТС), Б1.В.06
|
||||||
|
**Специальность:** 15.03.06 «Мехатроника и робототехника»
|
||||||
|
**Семестр:** 5 · **Объём:** 4 часа
|
||||||
|
|
||||||
## Контракт
|
Название репозитория расшифровывается так:
|
||||||
|
|
||||||
Оформлено по контракту `labs/`:
|
| Часть | Значение |
|
||||||
|
|---|---|
|
||||||
|
| `eumirts` | ЭУМиРТС — электронные устройства мехатронных и робототехнических систем |
|
||||||
|
| `5` | пятый семестр |
|
||||||
|
| `dds` | Direct Digital Synthesis — генератор на RP2040, который вы собираете |
|
||||||
|
|
||||||
|
> Черновик. Требует проверки преподавателем перед выдачей студентам.
|
||||||
|
|
||||||
|
---
|
||||||
|
|
||||||
|
## О чём работа
|
||||||
|
|
||||||
|
Работа состоит из двух частей:
|
||||||
|
|
||||||
|
**A. Стенд.** Вы собираете DDS-генератор на RP2040 (Raspberry Pi Pico) и
|
||||||
|
скрипт автоматического снятия АЧХ. Готового лабораторного генератора со
|
||||||
|
свипом не оказалось, поэтому измерительный прибор делается своими руками.
|
||||||
|
|
||||||
|
**B. Исследование.** Этим стендом вы снимаете характеристики трёх схем —
|
||||||
|
интегратора на ОУ, дифференциатора на ОУ и пассивного RC-фильтра — и
|
||||||
|
сравниваете эксперимент с расчётом по передаточным функциям.
|
||||||
|
|
||||||
|
Полное задание — в **[task.md](task.md)**.
|
||||||
|
|
||||||
|
---
|
||||||
|
|
||||||
|
## Что в репозитории
|
||||||
|
|
||||||
```
|
```
|
||||||
labs/lab5-peredatochnaya-funkciya-na-ou/
|
eumirts5-dds/
|
||||||
├── meta.yaml ← контракт
|
├── README.md ← этот файл
|
||||||
├── task.md ← задание студенту
|
├── task.md ← задание (части A и B)
|
||||||
├── method.md ← методичка преподавателю
|
├── stub/ ← заготовки: генераторы и скрипт
|
||||||
├── README.md ← этот файл
|
│ ├── 01-dds-generator-rp2040.ino ← вариант 1: Arduino C++
|
||||||
├── print/ ← брошюры DOCX (rpd methodical)
|
│ ├── 01-dds-generator-rp2040-circuitpython.py ← вариант 2: CircuitPython
|
||||||
└── stub/
|
│ ├── 04-dds-pio-rp2040.py ← вариант 3: PIO + DMA
|
||||||
├── 01-dds-generator-rp2040.ino ← генератор-свип (Arduino RP2040;
|
│ ├── 02-izmerenie-achh.py ← автоснятие АЧХ (на ПК)
|
||||||
│ оба ядра: earlephilhower и mbed)
|
│ └── 03-blank-otchyota.md ← бланк отчёта
|
||||||
├── 01-dds-generator-rp2040-circuitpython.py
|
└── print/ ← брошюра задания (DOCX)
|
||||||
│ ← то же на CircuitPython (code.py)
|
|
||||||
├── 02-izmerenie-achh.py ← автоснятие АЧХ по Serial
|
|
||||||
└── 03-blank-otchyota.md ← бланк отчёта студента
|
|
||||||
```
|
```
|
||||||
|
|
||||||
## Новое относительно `topics/lab5-peredatochnaya-funkciya-na-ou.md`
|
### Какой вариант генератора выбрать
|
||||||
|
|
||||||
1. **Monte Carlo по допускам** (`.step param`) — новый для курса анализ
|
| Файл | Кому | Особенности |
|
||||||
в симуляторе: разброс K и f_c при ±5 % на компонентах, доля годных.
|
|---|---|---|
|
||||||
2. **Генератор-свип на RP2040** — автономный генератор для натурной
|
| `01-...ip2040.ino` | есть Arduino IDE | программный DDS, работает на обоих ядрах |
|
||||||
части: прямоугольник (ШИМ) и синус (DDS), логарифмический свип,
|
| `01-...-circuitpython.py` | есть CircuitPython | то же, но медленнее (интерпретатор) |
|
||||||
синхроимпульс для осциллографа, измерение амплитуды на ADC0.
|
| `04-dds-pio-rp2040.py` | **рекомендуется** | аппаратный PIO + DMA, точная частота, CPU свободен |
|
||||||
3. **Хост-скрипт автоснятия АЧХ** — управление генератором по Serial,
|
|
||||||
сбор точек, экспорт CSV, построение графика.
|
|
||||||
4. **Явное разделение практики и лаборатории:** симуляция — на практическом
|
|
||||||
занятии (2 ч), железо — на лабораторном (4 ч), отчёт — СРС.
|
|
||||||
|
|
||||||
## Предупреждения по стенду
|
Для варианта на PIO нужна библиотека `adafruit_pioasm` в папке `/lib`
|
||||||
|
на плате.
|
||||||
|
|
||||||
- **ADC0 RP2040: 0…3,3 В.** Сигнал с выхода исследуемой цепи ≥ 3,3 В
|
---
|
||||||
подавать **только через делитель** или пиковый детектор.
|
|
||||||
- **Питание ОУ:** LM358 работает при однополярном +5…+12 В, TL081 —
|
|
||||||
при ±12 В. Уточнить по фактическому стенду.
|
|
||||||
- **Синус DDS:** качество зависит от внешнего ФНЧ после ШИМ (см. схему
|
|
||||||
ниже). Без фильтра на выходе будет меандр переменной скважности,
|
|
||||||
а не синус.
|
|
||||||
|
|
||||||
## Схема DDS-генератора (внешняя обвязка)
|
## Быстрый старт
|
||||||
|
|
||||||
ШИМ сам по себе даёт **меандр переменной скважности**, а не синус.
|
1. **Прошить генератор.** Файл переименовать в `code.py` (для CircuitPython)
|
||||||
Синус получается выделением огибающей фильтром. Поэтому на выходе
|
или открыть в Arduino IDE (для `.ino`).
|
||||||
GP15 нужен внешний **ФНЧ**:
|
2. **Открыть консоль**, ввести `HELP` — увидеть список команд.
|
||||||
|
3. **Собрать ФНЧ** на выходе генератора (схема в `HELP`):
|
||||||
|
|
||||||
```
|
```
|
||||||
GP15 (ШИМ 62,5 кГц) ──[R1 1к]──┬──[R2 1к]──┬──────► OUT (вход DUT)
|
GP15 ──[R1 1к]──┬──[R2 1к]──┬──► к схеме
|
||||||
│ │
|
│ │
|
||||||
[C1 47н] [C2 47н]
|
[C1 47н] [C2 47н]
|
||||||
│ │
|
│ │
|
||||||
GND GND
|
GND GND
|
||||||
```
|
```
|
||||||
|
|
||||||
Пассивный ФНЧ 2-го порядка, **f_c ≈ 3,4 кГц**:
|
4. **Проверить сигнал:** `W S` (синус), `F 1000`, посмотреть осциллографом
|
||||||
|
(период ≈ 1 мс).
|
||||||
|
5. **Калибровать частоту**, если нужно: ввести `CAL <измеренное_значение>`.
|
||||||
|
6. **Снять АЧХ** скриптом `02-izmerenie-achh.py` (запускается на ПК).
|
||||||
|
|
||||||
- подавление несущей: `(62,5 / 3,4)² ≈ 338 ≈ 50 дБ` → пульсации ≈ 10 мВ;
|
---
|
||||||
- рабочий диапазон генератора: **≈ 1 Гц … 1 кГц** (для звена
|
|
||||||
с f_c = 16…34 Гц — с запасом).
|
|
||||||
|
|
||||||
### Две оговорки
|
## Основные команды генератора
|
||||||
|
|
||||||
1. **Согласование сопротивлений.** Выход фильтра ≈ 1 кОм, вход
|
| Команда | Что делает |
|
||||||
интегратора — R1 = 10 кОм → делитель 10/11, просадка ≈ 9 %.
|
|---|---|
|
||||||
Если нужна точность — поставить буфер-повторитель на ОУ
|
| `HELP` или `?` | подробная справка со всеми командами и схемой |
|
||||||
(**Sallen–Key**: тот же 2-й порядок + низкое выходное).
|
| `I` | текущие настройки: частота, факт, потолок, `CPC` |
|
||||||
|
| `W S` / `W Q` | режим синуса / прямоугольника |
|
||||||
|
| `F <Гц>` | частота |
|
||||||
|
| `M <0..127>` | амплитуда синуса |
|
||||||
|
| `D <0..255>` | скважность прямоугольника |
|
||||||
|
| `A` | измерить размах на ADC0 (GP26) |
|
||||||
|
| `SWEEP f0 f1 n мс` | логарифмический свип |
|
||||||
|
| `B <1..8>` | число бит порта |
|
||||||
|
| `N <16..4096>` | длина периода в сэмплах |
|
||||||
|
| `O <1..64>` | точек на сэмпл |
|
||||||
|
| `CLC <1..8>` / `CAL <Гц>` | калибровка `CPC` вручную / автоматически |
|
||||||
|
| `FN <имя>` / `FP <выражение>` | форма сигнала из набора / своя формула |
|
||||||
|
|
||||||
2. **Постоянная составляющая.** При скважности 50 % среднее = `Uпит/2`
|
---
|
||||||
= 1,65 В, синус смещён. Где смещение недопустимо — разделительный
|
|
||||||
`C = 1 мкФ` последовательно + `R = 47 кОм` на землю (ФВЧ ≈ 3,4 Гц),
|
|
||||||
либо уменьшить амплитуду командой `M`.
|
|
||||||
|
|
||||||
### Варианты фильтра под другую несущую
|
## Пины стенда
|
||||||
|
|
||||||
| SAMPLE_HZ | R | C | f_c |
|
| Пин | Назначение |
|
||||||
|---|---|---|---|
|
|---|---|
|
||||||
| 62,5 кГц | 1 кОм | 47 нФ | 3,4 кГц |
|
| GP8..GP15 | выход генератора (данные выровнены по старшему биту, MSB → GP15) |
|
||||||
| 62,5 кГц | 2,2 кОм | 22 нФ | 3,3 кГц |
|
| GP15 | ШИМ в режиме прямоугольника (`W Q`) |
|
||||||
| 31,25 кГц | 2,2 кОм | 47 нФ | 1,5 кГц |
|
| GP16 | синхроимпульс для осциллографа |
|
||||||
|
| GP26 (A0) | вход измерения ADC |
|
||||||
|
|
||||||
## Как использовать
|
**Внимание:** на вход ADC подавать не более **3,3 В**. Сигнал больше —
|
||||||
|
только через делитель.
|
||||||
|
|
||||||
1. `task.md` + `stub/03-blank-otchyota.md` — студенту.
|
---
|
||||||
2. `stub/01-dds-generator-rp2040.ino` — прошить в RP2040 заранее
|
|
||||||
(или дать студенту в задании 4); альтернатива — `...-circuitpython.py`
|
|
||||||
на Pico с прошивкой CircuitPython (как `code.py`).
|
|
||||||
3. `stub/02-izmerenie-achh.py` — запускается на ПК студента (нужен pyserial).
|
|
||||||
4. `method.md` — только преподавателю.
|
|
||||||
5. Брошюры: `uv run rpd methodical lab5-peredatochnaya-funkciya-na-ou`.
|
|
||||||
|
|
||||||
## Связи
|
## Порядок сдачи
|
||||||
|
|
||||||
- **Практика** `pr5-raschet-analogovyh-ustrojstv` — расчётная часть
|
1. Собрать и откалибровать стенд (часть A).
|
||||||
(K, R1, R2, фильтры) выполняется там.
|
2. Снять характеристики трёх схем (часть B).
|
||||||
- **Лекция** `le5-metody-modelirovaniya` — типы анализа; Monte Carlo
|
3. Заполнить `stub/03-blank-otchyota.md`.
|
||||||
и `.step` — прямое применение.
|
4. Ответить на контрольные вопросы (в конце `task.md`).
|
||||||
- **Лекция** `le5-proektirovanie-analogovyh-ustrojstv` — топология ОУ.
|
|
||||||
- **ТАУ** (`b1-o-23`) — передаточные функции и типовые звенья идут
|
|
||||||
параллельно в 5 семестре; эта работа даёт им физическую реализацию.
|
|
||||||
|
|
||||||
## Статус
|
Баллы по заданиям — в `task.md`, раздел «Оформление и оценивание».
|
||||||
|
Зачёт при **6 и более** баллах из 10.
|
||||||
Черновик (draft). Тема `lab5-peredatochnaya-funkciya-na-ou` существует
|
|
||||||
в `topics/`; комплект в `labs/` — подготовлен для интеграции после
|
|
||||||
проверки преподавателем и согласования сквозной работы по мехатронике.
|
|
||||||
|
|||||||
Binary file not shown.
@@ -30,7 +30,7 @@
|
|||||||
# M <0..127> — амплитуда синуса (127 = максимум)
|
# M <0..127> — амплитуда синуса (127 = максимум)
|
||||||
# A — однократно измерить размах на ADC0 -> "A <мВ>"
|
# A — однократно измерить размах на ADC0 -> "A <мВ>"
|
||||||
# SWEEP <f0> <f1> <n> <dwell_ms>
|
# SWEEP <f0> <f1> <n> <dwell_ms>
|
||||||
# — логарифмический свип; "P <Гц> <мВ>" + импульс на GP14
|
# — логарифмический свип; "P <Гц> <мВ>" + импульс на GP16
|
||||||
# STOP — прервать свип
|
# STOP — прервать свип
|
||||||
#
|
#
|
||||||
# ─── СХЕМА СИНУСА (обязательна: ШИМ даёт меандр, а не синус) ───
|
# ─── СХЕМА СИНУСА (обязательна: ШИМ даёт меандр, а не синус) ───
|
||||||
@@ -55,7 +55,10 @@ import pwmio
|
|||||||
import supervisor
|
import supervisor
|
||||||
|
|
||||||
PIN_OUT = board.GP15 # выход сигнала (синус — через RC-фильтр)
|
PIN_OUT = board.GP15 # выход сигнала (синус — через RC-фильтр)
|
||||||
PIN_TRIG = board.GP14 # синхроимпульс (для осциллографа)
|
PIN_TRIG = board.GP16 # синхроимпульс. НЕ GP14: он входит в
|
||||||
|
# диапазон PIO (GP8..GP15) в варианте
|
||||||
|
# 04-dds-pio-rp2040.py; GP16 — единая
|
||||||
|
# разводка стенда для всех трёх вариантов
|
||||||
PIN_ADC = board.GP26 # ADC0 = A0 — вход измерения (через делителем)
|
PIN_ADC = board.GP26 # ADC0 = A0 — вход измерения (через делителем)
|
||||||
|
|
||||||
CARRIER_HZ = 125000 # несущая ШИМ — много выше f_s, биений нет
|
CARRIER_HZ = 125000 # несущая ШИМ — много выше f_s, биений нет
|
||||||
@@ -221,6 +224,52 @@ def trigger_pulse():
|
|||||||
trig.value = False
|
trig.value = False
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
def print_help():
|
||||||
|
"""Подробная справка по командам с форматами и примерами."""
|
||||||
|
lines = [
|
||||||
|
"# ─────────── DDS-генератор: команды ───────────",
|
||||||
|
"# Обозначения: <..> — обязательный аргумент.",
|
||||||
|
"# Команда вводится строкой, Enter — конец строки.",
|
||||||
|
"#",
|
||||||
|
"# РЕЖИМ И ЧАСТОТА",
|
||||||
|
"# W Q — режим прямоугольника (аппаратный ШИМ)",
|
||||||
|
"# W S — режим синуса (программный DDS -> ШИМ -> ФНЧ)",
|
||||||
|
"# F <Гц> — частота прямоугольника, 1..200000",
|
||||||
|
"# пример: F 1000",
|
||||||
|
"# SF <Гц> — частота СИНУСА, 1..f_s/2 (защита от алиасинга)",
|
||||||
|
"# пример: SF 25",
|
||||||
|
"#",
|
||||||
|
"# ФОРМА СИГНАЛА",
|
||||||
|
"# D <0..255> — скважность прямоугольника (128 = 50 %)",
|
||||||
|
"# пример: D 64 (25 % включено)",
|
||||||
|
"# M <0..127> — амплитуда синуса (127 = максимум)",
|
||||||
|
"# пример: M 32 (четверть шкалы)",
|
||||||
|
"#",
|
||||||
|
"# ИЗМЕРЕНИЕ И СВИП",
|
||||||
|
"# A — размах на ADC0 (GP26), мВ -> ответ 'A <мВ>'",
|
||||||
|
"# SWEEP <f0> <f1> <n> <dwell_ms>",
|
||||||
|
"# логарифмический свип f0..f1 за n точек,",
|
||||||
|
"# пауза dwell_ms на точку; печатает 'P <Гц> <мВ>',",
|
||||||
|
"# в конце 'DONE'",
|
||||||
|
"# пример: SWEEP 10 100000 25 150",
|
||||||
|
"# STOP — прервать свип",
|
||||||
|
"#",
|
||||||
|
"# СПРАВКА",
|
||||||
|
"# HELP | ? — этот текст",
|
||||||
|
"#",
|
||||||
|
"# ─── СХЕМА (синус: ШИМ даёт меандр, нужен ФНЧ) ───",
|
||||||
|
"# GP15 --[R1]--+--[R2]--+--> во вход схемы",
|
||||||
|
"# | |",
|
||||||
|
"# [C1] [C2] R1=R2=1к, C1=C2=47н",
|
||||||
|
"# | | (f_c подобрать под вашу f_s)",
|
||||||
|
"# GND GND",
|
||||||
|
"# Постоянная составляющая при 50% = Uпит/2. ADC0 — до 3.3 В (делитель!).",
|
||||||
|
"# ─────────────────────────────────────────────",
|
||||||
|
]
|
||||||
|
for ln in lines:
|
||||||
|
print(ln)
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
def handle(line, phase):
|
def handle(line, phase):
|
||||||
"""Выполнить команду. Возвращает (ok, phase). Любые ошибки — внутрь."""
|
"""Выполнить команду. Возвращает (ok, phase). Любые ошибки — внутрь."""
|
||||||
line = line.strip()
|
line = line.strip()
|
||||||
@@ -229,7 +278,9 @@ def handle(line, phase):
|
|||||||
parts = line.split(None, 1) # позиционно: sep=None, maxsplit=1 (в CP нет kwargs!)
|
parts = line.split(None, 1) # позиционно: sep=None, maxsplit=1 (в CP нет kwargs!)
|
||||||
cmd = parts[0].upper()
|
cmd = parts[0].upper()
|
||||||
a = parts[1] if len(parts) > 1 else ""
|
a = parts[1] if len(parts) > 1 else ""
|
||||||
if cmd == "F":
|
if cmd in ("HELP", "?"):
|
||||||
|
print_help()
|
||||||
|
elif cmd == "F":
|
||||||
cmd_f(a)
|
cmd_f(a)
|
||||||
elif cmd == "SF":
|
elif cmd == "SF":
|
||||||
cmd_sf(a)
|
cmd_sf(a)
|
||||||
@@ -266,7 +317,8 @@ def calibrate_fs(phase):
|
|||||||
# ─────────────────────────── main ─────────────────────────────
|
# ─────────────────────────── main ─────────────────────────────
|
||||||
def main():
|
def main():
|
||||||
global fs_eff
|
global fs_eff
|
||||||
print("# DDS generator ready (CircuitPython). help: F/W/D/A/SWEEP/STOP")
|
print("# DDS generator ready (CircuitPython). Подробный хелп: HELP или ?")
|
||||||
|
print_help()
|
||||||
phase = 0
|
phase = 0
|
||||||
try:
|
try:
|
||||||
fs_eff, phase = calibrate_fs(phase)
|
fs_eff, phase = calibrate_fs(phase)
|
||||||
|
|||||||
@@ -80,7 +80,10 @@
|
|||||||
|
|
||||||
// ─────────────────────────── пины ───────────────────────────
|
// ─────────────────────────── пины ───────────────────────────
|
||||||
#define PIN_OUT 15 // выход сигнала (прямоугольник — прямо; синус — через RC)
|
#define PIN_OUT 15 // выход сигнала (прямоугольник — прямо; синус — через RC)
|
||||||
#define PIN_TRIG 14 // синхроимпульс (для осциллографа)
|
#define PIN_TRIG 16 // синхроимпульс (для осциллографа)
|
||||||
|
// ВАЖНО: не GP14 — он попадает в диапазон PIO в
|
||||||
|
// варианте 04-dds-pio-rp2040.py; для единой разводки
|
||||||
|
// стенда синхро держим на GP16 во всех вариантах
|
||||||
#define PIN_ADC 26 // ADC0 = A0 — вход измерения (выход DUT через делитель!)
|
#define PIN_ADC 26 // ADC0 = A0 — вход измерения (выход DUT через делитель!)
|
||||||
|
|
||||||
// ─────────────────────── параметры DDS ──────────────────────
|
// ─────────────────────── параметры DDS ──────────────────────
|
||||||
@@ -269,12 +272,60 @@ static void runSweep(float f0, float f1, int n, uint32_t dwell_ms) {
|
|||||||
setFrequency((uint32_t)f0); // вернуться к началу
|
setFrequency((uint32_t)f0); // вернуться к началу
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
// ─────────────────────── подробный хелп ──────────────────────
|
||||||
|
static void printHelp() {
|
||||||
|
Serial.println(F("# ─────────── DDS-генератор: команды ───────────"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# Обозначения: <..> — обязательный аргумент."));
|
||||||
|
Serial.println(F("# Все команды вводятся строкой, Enter — конец строки."));
|
||||||
|
Serial.println(F("#"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# РЕЖИМ И ЧАСТОТА"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# W Q — режим прямоугольника (аппаратный ШИМ)"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# W S — режим синуса (DDS -> ШИМ -> внешний ФНЧ)"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# F <Гц> — частота выхода, 1..500000"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# в режиме Q — частота прямоугольника;"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# в режиме S — то же (для совместимости)"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# пример: F 1000"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# SF <Гц> — частота синуса с защитой от алиасинга"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# ограничена SAMPLE_HZ/2 (см. шапку файла)"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# пример: SF 25"));
|
||||||
|
Serial.println(F("#"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# ФОРМА СИГНАЛА"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# D <0..255> — скважность прямоугольника (128 = 50 %)"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# пример: D 64 (25 % включено)"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# M <0..127> — амплитуда синуса (127 = максимум)"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# пример: M 32 (четверть шкалы)"));
|
||||||
|
Serial.println(F("#"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# ИЗМЕРЕНИЕ И СВИП"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# A — размах на ADC0 (GP26), мВ -> ответ 'A <мВ>'"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# SWEEP <f0> <f1> <n> <dwell_ms>"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# логарифмический свип от f0 до f1 за n точек,"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# пауза dwell_ms на точку; на точку печатает"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# 'P <Гц> <мВ>', в конце 'DONE'"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# пример: SWEEP 10 100000 25 150"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# STOP — прервать свип"));
|
||||||
|
Serial.println(F("#"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# СПРАВКА"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# HELP | ? — этот текст"));
|
||||||
|
Serial.println(F("#"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# ─── СХЕМА (синус: ШИМ даёт меандр, нужен ФНЧ) ───"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# GP15 --[R1]--+--[R2]--+--> во вход схемы"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# | |"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# [C1] [C2] R1=R2=1к, C1=C2=47н"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# | | (f_c ~ 3.4 кГц)"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# GND GND"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# Постоянная составляющая при 50% = Uпит/2: нужен разделительный"));
|
||||||
|
Serial.println(F("# конденсатор, если смещение мешает. ADC0 — до 3.3 В (делитель!)."));
|
||||||
|
Serial.println(F("# ─────────────────────────────────────────────"));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
// ─────────────────────── разбор команд ──────────────────────
|
// ─────────────────────── разбор команд ──────────────────────
|
||||||
static void handleLine(char *line) {
|
static void handleLine(char *line) {
|
||||||
char *cmd = strtok(line, " \t");
|
char *cmd = strtok(line, " \t");
|
||||||
if (!cmd) return;
|
if (!cmd) return;
|
||||||
|
|
||||||
if (!strcasecmp(cmd, "F")) {
|
if (!strcasecmp(cmd, "HELP") || !strcmp(cmd, "?")) {
|
||||||
|
printHelp();
|
||||||
|
} else if (!strcasecmp(cmd, "F")) {
|
||||||
char *a = strtok(nullptr, " \t");
|
char *a = strtok(nullptr, " \t");
|
||||||
if (a) setFrequency((uint32_t)strtoul(a, nullptr, 10));
|
if (a) setFrequency((uint32_t)strtoul(a, nullptr, 10));
|
||||||
Serial.print("OK F "); Serial.println(g_freq);
|
Serial.print("OK F "); Serial.println(g_freq);
|
||||||
@@ -323,7 +374,8 @@ void setup() {
|
|||||||
startSampleClock();
|
startSampleClock();
|
||||||
setMode(MODE_SQUARE);
|
setMode(MODE_SQUARE);
|
||||||
setFrequency(1000);
|
setFrequency(1000);
|
||||||
Serial.println("# DDS generator ready (RP2040). help: F/W/D/A/SWEEP/STOP");
|
Serial.println("# DDS generator ready (RP2040). Подробный хелп: HELP или ?");
|
||||||
|
printHelp();
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
void loop() {
|
void loop() {
|
||||||
|
|||||||
File diff suppressed because it is too large
Load Diff
@@ -1,188 +1,240 @@
|
|||||||
# Лабораторная работа
|
# Лабораторная работа: DDS-стенд и исследование фильтров
|
||||||
|
|
||||||
## Интегратор и дифференциатор на ОУ: передаточная функция, АЧХ/ФЧХ и разброс по допускам
|
## Электронные устройства мехатронных и робототехнических систем
|
||||||
|
|
||||||
**Дисциплина:** Электронные устройства мехатронных и робототехнических
|
**Дисциплина:** Электронные устройства мехатронных и робототехнических
|
||||||
систем (Б1.В.06, очная форма)
|
систем, Б1.В.06
|
||||||
**Семестр:** 5 · **Объём:** 4 часа · **Тема:** `lab5-peredatochnaya-funkciya-na-ou`
|
**Специальность:** 15.03.06 «Мехатроника и робототехника»
|
||||||
**Форма:** черновик — в учебный план пока не привязана
|
**Семестр:** 5 · **Объём:** 4 часа
|
||||||
|
**Стенд:** RP2040 (Raspberry Pi Pico) + макетная плата
|
||||||
|
|
||||||
> AI-сгенерировано (2026-10-26), требует проверки преподавателем.
|
> Черновик. Требует проверки преподавателем перед выдачей студентам.
|
||||||
|
|
||||||
---
|
---
|
||||||
|
|
||||||
## 1. Легенда
|
## 1. Зачем эта работа
|
||||||
|
|
||||||
В мехатронном модуле сигнал датчика проходит через аналоговую обработку:
|
В мехатронном модуле сигнал датчика проходит аналоговую обработку:
|
||||||
фильтрацию, интегрирование, выделение скорости (дифференцирование).
|
фильтрацию помех, интегрирование, выделение скорости (дифференцирование).
|
||||||
Каждое такое звено описывается передаточной функцией, и от его параметров
|
Каждое такое звено описывается передаточной функцией, и от его параметров
|
||||||
(K, τ) зависит поведение всей системы управления.
|
(K, τ) зависит поведение всей системы управления.
|
||||||
|
|
||||||
**Задача работы:** убедиться, что аналоговое звено на операционном
|
Чтобы **проверить звено на железе**, нужен генератор с известной частотой
|
||||||
усилителе действительно реализует расчётную передаточную функцию — сначала
|
и амплитудой. Готового лабораторного генератора со свипом под рукой не
|
||||||
в симуляторе, затем на макетной плате. И понять, как **допуски**
|
оказалось — поэтому в первой части работы вы **сами делаете стенд**:
|
||||||
резисторов и конденсаторов влияют на параметры звена в серии.
|
DDS-генератор на RP2040 и скрипт автоматического снятия АЧХ.
|
||||||
|
|
||||||
Работа состоит из двух частей:
|
Во второй части вы этим стендом **исследуете фильтры** — интегратор,
|
||||||
|
дифференциатор и RC-фильтр — и сравниваете эксперимент с расчётом.
|
||||||
|
|
||||||
- **Симуляция** (LTSpice): АЧХ/ФЧХ и **новый анализ — Monte Carlo** по допускам;
|
### Две части работы
|
||||||
- **Железо** (макет + генератор): переходные процессы и **автоматическое
|
|
||||||
снятие АЧХ** генератором-свипом на RP2040.
|
| Часть | Что делаем | Результат |
|
||||||
|
|---|---|---|
|
||||||
|
| **A. Стенд** | собираем и настраиваем DDS-генератор | работающий прибор: частота, амплитуда, свип |
|
||||||
|
| **B. Исследование** | снимаем характеристики фильтров | АЧХ/ФЧХ, сравнение с расчётом |
|
||||||
|
|
||||||
|
Часть A без части B бессмысленна: прибор делается, чтобы им измерять.
|
||||||
|
Часть B без части A невозможна: нечем снимать АЧХ.
|
||||||
|
|
||||||
---
|
---
|
||||||
|
|
||||||
## 2. Теория кратко
|
## 2. Теория кратко
|
||||||
|
|
||||||
**Интегратор на ОУ** (R1 на входе, C1 в ООС):
|
### 2.1. Что должен делать генератор (часть A)
|
||||||
|
|
||||||
|
**DDS** (Direct Digital Synthesis) — синтез сигнала из заранее
|
||||||
|
посчитанного массива значений. Идея:
|
||||||
|
|
||||||
|
1. считаем один период нужной формы — например синуса — в массив
|
||||||
|
из `m` точек;
|
||||||
|
2. подаём массив в PIO по кругу через DMA;
|
||||||
|
3. PIO выводит точки в порт с частотой `f_пио`;
|
||||||
|
4. частота выходного сигнала: `f_вых = f_пио / (CPC · m)`,
|
||||||
|
где `CPC` — число тактов PIO на один сэмпл.
|
||||||
|
|
||||||
|
Чем больше `m`, тем точнее форма и выше разрешение уровня, но тем ниже
|
||||||
|
максимальная частота.
|
||||||
|
|
||||||
|
### 2.2. Точность уровня: битность ≠ разрешение
|
||||||
|
|
||||||
|
- **Битность** `B` — сколько бит выводится в порт сразу (мгновенный код).
|
||||||
|
- **Эффективная разрядность** — сколько уровней различает **среднее**
|
||||||
|
после фильтра: `(2^B − 1)·m + 1`.
|
||||||
|
|
||||||
|
При `B = 4` и `m = 256` порт даёт 4 бита, но среднее различает
|
||||||
|
3841 уровень (~11.9 бит). Так работает дельта-сигма: соседние коды
|
||||||
|
чередуются во времени, а ФНЧ усредняет.
|
||||||
|
|
||||||
|
### 2.3. Интегратор на ОУ
|
||||||
|
|
||||||
|
**Идеальный** (R1 на входе, C1 в ООС):
|
||||||
|
|
||||||
|
```
|
||||||
W(s) = −1 / (R1·C1·s)
|
W(s) = −1 / (R1·C1·s)
|
||||||
|
```
|
||||||
|
|
||||||
**Реальный интегратор** (резистор утечки R2 параллельно C1) — это
|
На постоянном токе усиление бесконечно, поэтому **реальный** интегратор
|
||||||
|
всегда содержит резистор утечки R2 параллельно C1 — это превращает его в
|
||||||
**апериодическое звено первого порядка**:
|
**апериодическое звено первого порядка**:
|
||||||
|
|
||||||
|
```
|
||||||
W(s) = −R2 / (R1 · (1 + R2·C1·s)) = −K / (τ·s + 1)
|
W(s) = −R2 / (R1 · (1 + R2·C1·s)) = −K / (τ·s + 1)
|
||||||
|
K = R2/R1, τ = R2·C1, f_c = 1/(2π·τ)
|
||||||
|
```
|
||||||
|
|
||||||
где K = R2/R1, τ = R2·C1, f_c = 1/(2π·τ).
|
### 2.4. Дифференциатор на ОУ
|
||||||
|
|
||||||
**Дифференциатор** (C1 на входе, R1 в ООС):
|
C1 на входе, R1 в ООС:
|
||||||
|
|
||||||
|
```
|
||||||
W(s) = −R1·C1·s
|
W(s) = −R1·C1·s
|
||||||
|
```
|
||||||
|
|
||||||
**Модель для работы:** K = −10, τ = 10 мс, f_c ≈ 16 Гц
|
На высоких частотах усиление растёт, поэтому на практике вход
|
||||||
(R1 = 10 кОм, R2 = 100 кОм, C1 = 0,1 мкФ).
|
ограничивают резистором последовательно с C1.
|
||||||
|
|
||||||
|
### 2.5. RC-фильтр нижних частот
|
||||||
|
|
||||||
|
Пассивный ФНЧ первого порядка:
|
||||||
|
|
||||||
|
```
|
||||||
|
K(f) = 1 / √(1 + (f/f_c)²), f_c = 1/(2π·R·C)
|
||||||
|
наклон за f_c: −20 дБ/дек
|
||||||
|
```
|
||||||
|
|
||||||
---
|
---
|
||||||
|
|
||||||
## 3. Задания
|
## 3. Часть A. Сборка и настройка стенда
|
||||||
|
|
||||||
### Задание 1 (1 ч). Симуляция: АЧХ и ФЧХ
|
### Задание A1 (0,5 ч). Прошивка генератора и первый запуск
|
||||||
|
|
||||||
В LTSpice собрать интегратор с резистором утечки: R1 = 10 кОм,
|
В папке `stub/` три варианта генератора — **выберите один**:
|
||||||
R2 = 100 кОм, C1 = 0,1 мкФ (R2 || C1 в ООС).
|
|
||||||
|
|
||||||
1. Задать анализ `.ac dec 20 1 100k`.
|
| Файл | Платформа | Как формируется синус |
|
||||||
2. Снять АЧХ в децибелах и ФЧХ.
|
|---|---|---|
|
||||||
3. По графику определить:
|
| `01-...ip2040.ino` | Arduino C++ | программный DDS + ШИМ |
|
||||||
- усиление на плоском участке (должно быть ≈ 20 дБ, т. е. K = 10);
|
| `01-...-circuitpython.py` | CircuitPython | программный DDS + ШИМ |
|
||||||
- частоту сопряжения f_c (где спад −3 дБ);
|
| `04-dds-pio-rp2040.py` | CircuitPython | **аппаратный PIO + DMA** |
|
||||||
- наклон спада (ожидается −20 дБ/дек).
|
|
||||||
4. Сравнить с расчётом по формулам из п. 2.
|
|
||||||
|
|
||||||
### Задание 2 (1 ч). Симуляция: Monte Carlo по допускам ⭐
|
**Рекомендуется вариант на PIO** — он даёт точную частоту и не грузит CPU.
|
||||||
|
|
||||||
**Новый анализ.** Реальные резисторы и конденсаторы имеют допуск ±5 %
|
1. Залейте файл на Pico (CircuitPython: переименовать в `code.py`).
|
||||||
(ряд E24 — не лучше). Оценим разброс параметров звена.
|
2. Откройте консоль, введите `HELP` — увидите список команд.
|
||||||
|
3. Введите `I` — генератор покажет текущие настройки, включая
|
||||||
|
**фактическую** частоту и потолок `f_max`.
|
||||||
|
4. Соберите внешний ФНЧ на выходе (схема — в `HELP`):
|
||||||
|
|
||||||
1. Задать разброс: `.step param tol list -5 -2.5 0 2.5 5` и применить
|
```
|
||||||
его к номиналам (например `{100k*(1+tol/100)}` для R2, аналогично R1 и C1).
|
GP15 ──[R1 1к]──┬──[R2 1к]──┬──► выход
|
||||||
Либо, для полноценного статистического анализа, использовать
|
│ │
|
||||||
`.step param run 1 100 1` с генератором случайных отклонений.
|
[C1 47н] [C2 47н]
|
||||||
2. Прогнать **не менее 100 прогонов**.
|
│ │
|
||||||
3. Для каждого прогона зафиксировать K (усиление на плоском участке) и f_c.
|
GND GND
|
||||||
4. Построить гистограммы распределения K и f_c.
|
```
|
||||||
5. Посчитать **долю экземпляров**, укладывающихся в полосу ±10 % от
|
|
||||||
номинального значения K и f_c.
|
|
||||||
6. Сделать вывод: **какой компонент** вносит наибольший вклад в разброс
|
|
||||||
и почему.
|
|
||||||
|
|
||||||
### Задание 3 (1 ч). Железо: переходные процессы
|
**Проверка:** подать `W S` (синус), `F 1000`, посмотреть осциллографом.
|
||||||
|
Период должен быть ≈ 1 мс.
|
||||||
|
|
||||||
Собрать на макетной плате:
|
### Задание A2 (0,5 ч). Калибровка частоты
|
||||||
|
|
||||||
**3.1. Интегратор** (R1 = 10 кОм, C1 = 0,1 мкФ):
|
Частота зависит от `CPC` — числа тактов PIO на сэмпл. Оно может отличаться
|
||||||
|
на разных прошивках.
|
||||||
|
|
||||||
- подать прямоугольник 1 кГц (от RP2040-генератора или лабораторного);
|
1. Поставьте `F 1000`, измерьте период осциллографом.
|
||||||
- наблюдать пилообразный сигнал на выходе;
|
2. Если факт отличается от запроса — введите `CAL <измеренное_значение>`,
|
||||||
- замерить размах пилы и сравнить с
|
например `CAL 500` при запросе 1000. Генератор подстроит `CPC` сам.
|
||||||
U_m = U_вх · T / (2 · R1 · C1);
|
3. Повторите замер — теперь должно совпасть.
|
||||||
- убедиться, что при росте частоты размах падает обратно пропорционально.
|
4. **Запишите** подобранное `CPC` (видно командой `I`) — оно нужно для
|
||||||
|
расчёта погрешности в отчёте.
|
||||||
|
|
||||||
**3.2. Дифференциатор** (C1 = 0,1 мкФ на входе, R1 = 10 кОм в ООС):
|
> Если частота вообще не достижима, генератор скажет
|
||||||
|
> `! ЗАПРОС ВЫШЕ ПОТОЛКА: факт ... Гц`. Это значит `m` слишком велико:
|
||||||
|
> уменьшите `N` или `O`.
|
||||||
|
|
||||||
- подать пилу 1 кГц;
|
### Задание A3 (0,5 ч). Автоматическое снятие АЧХ
|
||||||
- наблюдать импульсы в моменты перепада;
|
|
||||||
- сравнить амплитуду с U_m = R1·C1 · dU_вх/dt.
|
|
||||||
|
|
||||||
**3.3. Роль резистора утечки:** собрать интегратор с R2 = 100 кОм
|
1. Соберите на макетной плате простой RC-фильтр (см. часть B, задание B3).
|
||||||
параллельно C1 и без него; объяснить, что меняется на постоянном токе.
|
2. Подключите: выход генератора → вход фильтра; выход фильтра →
|
||||||
|
вход измерения (ADC0, GP26). **Если сигнал больше 3,3 В — через делитель.**
|
||||||
|
3. Запустите хост-скрипт:
|
||||||
|
|
||||||
### Задание 4 (1 ч). Железо: автоматическое снятие АЧХ
|
```
|
||||||
|
python 02-izmerenie-achh.py --port /dev/ttyACM0 \
|
||||||
|
--f0 10 --f1 100000 --n 25 --dwell 150 --uin 500 --out achh.csv --plot
|
||||||
|
```
|
||||||
|
|
||||||
Использовать подготовленный генератор-свип:
|
4. Получите CSV с точками «частота → амплитуда». Это ваш измерительный
|
||||||
|
прибор на вторую часть работы.
|
||||||
|
|
||||||
- **`stub/01-dds-generator-rp2040.ino`** — прошить в RP2040 (Raspberry Pi
|
**Результат части A:** работающий стенд, калиброванная частота, скрипт,
|
||||||
Pico) в Arduino IDE (работает в обоих ядрах: earlephilhower и официальном
|
дающий АЧХ в CSV.
|
||||||
mbed). Прямоугольник (ШИМ) и синус (DDS) + логарифмический свип
|
|
||||||
+ измерение амплитуды на ADC0.
|
|
||||||
- **`stub/01-dds-generator-rp2040-circuitpython.py`** — альтернатива без
|
|
||||||
Arduino: положить файл на Pico с прошивкой CircuitPython (переименовать
|
|
||||||
в code.py). Протокол команд тот же.
|
|
||||||
- **`stub/02-izmerenie-achh.py`** — хост-скрипт: запускает свип по Serial,
|
|
||||||
собирает точки, строит АЧХ.
|
|
||||||
|
|
||||||
Порядок:
|
---
|
||||||
|
|
||||||
1. Прошить генератор, проверить команды `F`, `W S`, `M`, `A` в мониторе
|
## 4. Часть B. Исследование фильтров
|
||||||
порта.
|
|
||||||
2. **Собрать внешний ФНЧ** на выходе генератора (без него будет меандр,
|
|
||||||
а не синус):
|
|
||||||
|
|
||||||
```
|
Все три задания выполняются **одним и тем же стендом**, меняется только
|
||||||
GP15 ──[R1 1к]──┬──[R2 1к]──┬──────► вход схемы
|
исследуемая схема. Для каждой схемы:
|
||||||
│ │
|
|
||||||
[C1 47н] [C2 47н]
|
|
||||||
│ │
|
|
||||||
GND GND
|
|
||||||
```
|
|
||||||
|
|
||||||
Это пассивный ФНЧ 2-го порядка, f_c ≈ 3,4 кГц; он подавляет несущую
|
1. рассчитать параметры (K, τ или f_c) по формулам из п. 2;
|
||||||
ШИМ 62,5 кГц примерно на 50 дБ. **Зарисовать фильтр в отчёт.**
|
2. собрать схему на макетной плате;
|
||||||
|
3. снять АЧХ стендом (частичный диапазон вокруг f_c, 8–12 точек);
|
||||||
|
4. наложить экспериментальные точки на расчётную кривую;
|
||||||
|
5. оценить расхождение и объяснить его.
|
||||||
|
|
||||||
3. Выход фильтра → вход схемы; выход схемы → вход измерения (ADC0).
|
### Задание B1 (1 ч). Интегратор на ОУ
|
||||||
**Если сигнал превышает 3,3 В — только через делитель.**
|
|
||||||
4. Запустить:
|
|
||||||
```
|
|
||||||
python 02-izmerenie-achh.py --port /dev/ttyACM0 \
|
|
||||||
--f0 10 --f1 100000 --n 25 --dwell 150 --uin 500 --out achh.csv --plot
|
|
||||||
```
|
|
||||||
5. Импортировать CSV, нанести точки на модельную кривую из задания 1.
|
|
||||||
6. Объяснить расхождения.
|
|
||||||
|
|
||||||
> **Смещение:** при скважности 50 % среднее на выходе ШИМ = `Uпит/2`
|
**Схема:** R1 = 10 кОм на вход, R2 = 100 кОм ‖ C1 = 0,1 мкФ в ООС.
|
||||||
> = 1,65 В, поэтому синус смещён относительно земли. Если это мешает
|
|
||||||
> измерению — поставьте разделительный `C = 1 мкФ` + `R = 47 кОм`
|
|
||||||
> на землю, либо уменьшите амплитуду командой `M`.
|
|
||||||
|
|
||||||
> Свип-генератор — студенческая заготовка (черновик). Если на стенде
|
- Рассчитать: `K = R2/R1`, `τ = R2·C1`, `f_c = 1/(2π·τ)`.
|
||||||
> есть серийный функциональный генератор с режимом свипа/логарифмической
|
- Снять АЧХ в диапазоне **1 Гц … 10·f_c**.
|
||||||
> развёртки — можно использовать его, принцип тот же.
|
- Определить по графику плоский участок, частоту сопряжения, наклон.
|
||||||
|
- **Проверить форму во времени:** подать прямоугольник, увидеть пилу.
|
||||||
|
Размах пилы `U_m = U_вх·T/(2·R1·C1)`.
|
||||||
|
|
||||||
### Задание 5 (СРС / отчёт). Сведение результатов
|
**Контрольный вопрос:** почему `f_c` определяется `R2·C1`, а не `R1·C1`?
|
||||||
|
|
||||||
Свести в одну таблицу «**расчёт / симуляция / железо**» параметры
|
### Задание B2 (1 ч). Дифференциатор на ОУ
|
||||||
K, τ, f_c. Построить совмещённый график АЧХ (три кривые).
|
|
||||||
|
**Схема:** C1 = 0,1 мкФ на вход, R1 = 10 кОм в ООС.
|
||||||
|
|
||||||
|
- Рассчитать `W(s) = −R1·C1·s`, ожидаемый наклон **+20 дБ/дек**.
|
||||||
|
- Снять АЧХ в диапазоне, где схема ещё устойчива.
|
||||||
|
- **Проверить во времени:** подать пилу — увидеть импульсы в моменты
|
||||||
|
перепада. Амплитуда `U_m = R1·C1·dU_вх/dt`.
|
||||||
|
- Объяснить, почему реальный дифференциатор требует ограничения входа.
|
||||||
|
|
||||||
|
**Контрольный вопрос:** чем отличается идеальный дифференциатор от
|
||||||
|
реального и почему вход ограничивают резистором?
|
||||||
|
|
||||||
|
### Задание B3 (0,5 ч). Пассивный RC-фильтр
|
||||||
|
|
||||||
|
**Схема:** R = 1 кОм, C = 0,1 мкФ (или по вашему варианту).
|
||||||
|
|
||||||
|
- Рассчитать `f_c = 1/(2π·R·C)`, ожидаемый наклон −20 дБ/дек.
|
||||||
|
- Снять АЧХ стендом в диапазоне **0,1·f_c … 100·f_c** (10–12 точек).
|
||||||
|
- Наложить на расчётную кривую `K(f) = 1/√(1+(f/f_c)²)`.
|
||||||
|
- Сравнить расхождение с допусками компонентов (±5 %).
|
||||||
|
|
||||||
|
**Контрольный вопрос:** почему реальная АЧХ за `f_c` уходит круче
|
||||||
|
−20 дБ/дек? (подсказка: паразитные параметры, вход ADC)
|
||||||
|
|
||||||
|
### Задание B4 (0,5 ч). Сравнение и отчёт
|
||||||
|
|
||||||
|
Свести результаты трёх схем в таблицу:
|
||||||
|
|
||||||
|
| Схема | f_c расчёт | f_c опыт | Расхождение | Наклон расчёт | Наклон опыт |
|
||||||
|
|---|---|---|---|---|---|
|
||||||
|
| Интегратор | | | | −20 дБ/дек | |
|
||||||
|
| Дифференциатор | | | | +20 дБ/дек | |
|
||||||
|
| RC-фильтр | | | | −20 дБ/дек | |
|
||||||
|
|
||||||
Сделать выводы:
|
Сделать выводы:
|
||||||
|
|
||||||
- причины расхождения расчёта и симуляции;
|
- какой разброс дали допуски компонентов;
|
||||||
- причины расхождения симуляции и железа;
|
- где опыт расходится с расчётом сильнее всего и почему;
|
||||||
- что даёт анализ Monte Carlo для реального проектирования.
|
- какую роль сыграла калибровка генератора (задание A2).
|
||||||
|
|
||||||
---
|
|
||||||
|
|
||||||
## 4. Варианты
|
|
||||||
|
|
||||||
| № | R1, кОм | R2, кОм | C1, мкФ | K | τ, мс | f_c, Гц |
|
|
||||||
|---|---------|---------|---------|---|-------|---------|
|
|
||||||
| 1 | 10 | 100 | 0,1 | 10 | 10 | 15,9 |
|
|
||||||
| 2 | 10 | 47 | 0,1 | 4,7 | 4,7 | 33,9 |
|
|
||||||
| 3 | 4,7 | 100 | 0,1 | 21 | 10 | 15,9 |
|
|
||||||
| 4 | 10 | 100 | 0,047 | 10 | 4,7 | 33,9 |
|
|
||||||
| 5 | 1 | 47 | 1,0 | 47 | 47 | 3,4 |
|
|
||||||
| 6 | 22 | 220 | 0,022 | 10 | 4,84 | 32,9 |
|
|
||||||
|
|
||||||
*Примечание. Номиналы приведены к ряду E24. Вариант 2 и 4 дают одинаковую
|
|
||||||
f_c при разном K — удобно для сравнения вклада параметров.*
|
|
||||||
|
|
||||||
---
|
---
|
||||||
|
|
||||||
@@ -190,51 +242,56 @@ f_c при разном K — удобно для сравнения вклад
|
|||||||
|
|
||||||
Отчёт содержит:
|
Отчёт содержит:
|
||||||
|
|
||||||
1. Схему интегратора и дифференциатора (KiCad или от руки).
|
1. Схемы: ФНЧ стенда, интегратор, дифференциатор, RC-фильтр.
|
||||||
2. АЧХ и ФЧХ из LTSpice.
|
2. Настройки генератора из `I` (включая `CPC` после калибровки).
|
||||||
3. Гистограммы Monte Carlo (K и f_c) + доля годных.
|
3. Осциллограммы: синус с генератора, пила интегратора, импульсы
|
||||||
4. Осциллограммы переходных процессов (пила, импульсы).
|
дифференциатора.
|
||||||
5. CSV-точки автоматического свипа + совмещённый график АЧХ.
|
4. Три графика АЧХ с наложенными расчётными кривыми.
|
||||||
6. Итоговую таблицу «расчёт / симуляция / железо».
|
5. Итоговую таблицу из задания B4.
|
||||||
7. Выводы.
|
6. Выводы по расхождениям.
|
||||||
|
|
||||||
| Задание | Баллы |
|
| Задание | Баллы |
|
||||||
|---------|-------|
|
|---|---|
|
||||||
| 1. Симуляция АЧХ/ФЧХ | 2,0 |
|
| A1. Прошивка и первый запуск | 1,0 |
|
||||||
| 2. Monte Carlo | 2,5 |
|
| A2. Калибровка частоты | 1,0 |
|
||||||
| 3. Железо: переходные процессы | 2,0 |
|
| A3. Автоснятие АЧХ | 2,0 |
|
||||||
| 4. Железо: автоснятие АЧХ | 2,0 |
|
| B1. Интегратор | 2,0 |
|
||||||
| 5. Отчёт: сведение | 1,5 |
|
| B2. Дифференциатор | 2,0 |
|
||||||
|
| B3. RC-фильтр | 1,0 |
|
||||||
|
| B4. Сводка и выводы | 1,0 |
|
||||||
| **Итого** | **10** |
|
| **Итого** | **10** |
|
||||||
|
|
||||||
Зачёт — при **6 и более** баллах. Расхождение с эталоном ±10 %
|
Зачёт — при **6 и более** баллах.
|
||||||
(допуски компонентов).
|
|
||||||
|
|
||||||
---
|
---
|
||||||
|
|
||||||
## 6. Контрольные вопросы
|
## 6. Контрольные вопросы
|
||||||
|
|
||||||
1. Чему равна передаточная функция идеального интегратора и почему без
|
**По стенду (часть A):**
|
||||||
резистора утечки она нереализуема на практике?
|
|
||||||
2. Как по АЧХ отличить идеальный интегратор от апериодического звена
|
1. Чему равна частота выходного сигнала DDS и какие величины её задают?
|
||||||
первого порядка?
|
2. Что такое `CPC` и почему его приходится калибровать?
|
||||||
3. Почему частота сопряжения определяется R2·C1, а не R1·C1?
|
3. Чем битность порта отличается от эффективной разрядности?
|
||||||
4. Как связаны наклон АЧХ в дБ/дек и порядок звена?
|
4. Почему для синуса нужен внешний ФНЧ после ШИМ?
|
||||||
5. Какой компонент даёт наибольший вклад в разброс f_c при допуске ±5 %
|
|
||||||
и почему?
|
**По фильтрам (часть B):**
|
||||||
6. Как на форме переходного процесса сказывается конечная полоса
|
|
||||||
пропускания операционного усилителя?
|
5. Чему равна передаточная функция идеального интегратора и почему без
|
||||||
|
резистора утечки её нельзя реализовать?
|
||||||
|
6. Как по АЧХ отличить идеальный интегратор от апериодического звена?
|
||||||
|
7. Почему наклон АЧХ звена первого порядка равен −20 дБ/дек?
|
||||||
|
8. Как допуски R и C влияют на `f_c` и что даёт анализ Monte Carlo?
|
||||||
|
|
||||||
---
|
---
|
||||||
|
|
||||||
## 7. Литература
|
## 7. Литература
|
||||||
|
|
||||||
1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. 3-е изд. М.: Бином, 2014.
|
1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. 3-е изд. М.: Бином, 2014.
|
||||||
Гл. 4.
|
Гл. 4 (ОУ в линейном режиме).
|
||||||
2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. М.: ДМК
|
2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. М.: ДМК
|
||||||
Пресс, 2008. Т. 1, гл. 11.
|
Пресс, 2008. Т. 1, гл. 11 (частотные характеристики).
|
||||||
3. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического
|
3. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического
|
||||||
регулирования. М.: Наука, 2010. Гл. 2.
|
регулирования. М.: Наука, 2010. Гл. 2 (типовые звенья).
|
||||||
4. LTSpice XVII User Guide. Analog Devices.
|
4. LTSpice XVII User Guide. Analog Devices.
|
||||||
5. LM358 / TL081 datasheet. Texas Instruments.
|
5. RP2040 Datasheet. Raspberry Pi Ltd (PIO, DMA, ADC).
|
||||||
6. RP2040 Datasheet. Raspberry Pi Ltd.
|
6. LM358 / TL081 datasheet. Texas Instruments.
|
||||||
|
|||||||
Reference in New Issue
Block a user