ai: студенческая копия лабораторной 5 (DDS-генератор RP2040 + АЧХ интегратора) из РПД
This commit is contained in:
mss
@@ -0,0 +1,112 @@
|
||||
# Лабораторная: интегратор и дифференциатор на ОУ (АЧХ/ФЧХ + Monte Carlo + автосвип)
|
||||
|
||||
Комплект к теме `topics/lab5-peredatochnaya-funkciya-na-ou.md`
|
||||
(«Электронные устройства мехатронных и робототехнических систем»,
|
||||
Б1.В.06, 5 семестр, 4 ч).
|
||||
|
||||
> AI-сгенерировано (2026-10-26), требует проверки преподавателем
|
||||
> перед использованием на стенде.
|
||||
|
||||
## Контракт
|
||||
|
||||
Оформлено по контракту `labs/`:
|
||||
|
||||
```
|
||||
labs/lab5-peredatochnaya-funkciya-na-ou/
|
||||
├── meta.yaml ← контракт
|
||||
├── task.md ← задание студенту
|
||||
├── method.md ← методичка преподавателю
|
||||
├── README.md ← этот файл
|
||||
├── print/ ← брошюры DOCX (rpd methodical)
|
||||
└── stub/
|
||||
├── 01-dds-generator-rp2040.ino ← генератор-свип (Arduino, RP2040)
|
||||
├── 02-izmerenie-achh.py ← автоснятие АЧХ по Serial
|
||||
└── 03-blank-otchyota.md ← бланк отчёта студента
|
||||
```
|
||||
|
||||
## Новое относительно `topics/lab5-peredatochnaya-funkciya-na-ou.md`
|
||||
|
||||
1. **Monte Carlo по допускам** (`.step param`) — новый для курса анализ
|
||||
в симуляторе: разброс K и f_c при ±5 % на компонентах, доля годных.
|
||||
2. **Генератор-свип на RP2040** — автономный генератор для натурной
|
||||
части: прямоугольник (ШИМ) и синус (DDS), логарифмический свип,
|
||||
синхроимпульс для осциллографа, измерение амплитуды на ADC0.
|
||||
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
|
||||
|
||||
- **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)
|
||||
|
||||
ШИМ сам по себе даёт **меандр переменной скважности**, а не синус.
|
||||
Синус получается выделением огибающей фильтром. Поэтому на выходе
|
||||
GP15 нужен внешний **ФНЧ**:
|
||||
|
||||
```
|
||||
GP15 (ШИМ 62,5 кГц) ──[R1 1к]──┬──[R2 1к]──┬──────► OUT (вход DUT)
|
||||
│ │
|
||||
[C1 47н] [C2 47н]
|
||||
│ │
|
||||
GND GND
|
||||
```
|
||||
|
||||
Пассивный ФНЧ 2-го порядка, **f_c ≈ 3,4 кГц**:
|
||||
|
||||
- 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
|
||||
|
||||
1. **Согласование сопротивлений.** Выход фильтра ≈ 1 кОм, вход
|
||||
интегратора — R1 = 10 кОм → делитель 10/11, просадка ≈ 9 %.
|
||||
Если нужна точность — поставить буфер-повторитель на ОУ
|
||||
(**Sallen–Key**: тот же 2-й порядок + низкое выходное).
|
||||
|
||||
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
|
||||
|
||||
| SAMPLE_HZ | R | C | f_c |
|
||||
|---|---|---|---|
|
||||
| 62,5 кГц | 1 кОм | 47 нФ | 3,4 кГц |
|
||||
| 62,5 кГц | 2,2 кОм | 22 нФ | 3,3 кГц |
|
||||
| 31,25 кГц | 2,2 кОм | 47 нФ | 1,5 кГц |
|
||||
|
||||
## Как использовать
|
||||
|
||||
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).
|
||||
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
|
||||
|
||||
- **Практика** `pr5-raschet-analogovyh-ustrojstv` — расчётная часть
|
||||
(K, R1, R2, фильтры) выполняется там.
|
||||
- **Лекция** `le5-metody-modelirovaniya` — типы анализа; Monte Carlo
|
||||
и `.step` — прямое применение.
|
||||
- **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
|
||||
|
||||
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.
@@ -0,0 +1,243 @@
|
||||
/*
|
||||
* DDS-генератор сигналов для лабораторных работ
|
||||
* Платформа: RP2040 (Raspberry Pi Pico, Arduino core — earlephilhower)
|
||||
*
|
||||
* ЧЕРНОВИК (AI-сгенерировано, 2026-10-26). Требует проверки преподавателем
|
||||
* на реальном стенде: номиналы RC-фильтра, диапазоны частот, точность ADC.
|
||||
*
|
||||
* Возможности:
|
||||
* - прямоугольник : аппаратный ШИМ, точная частота, независимая скважность;
|
||||
* - синус : таблица 256 точек + аккумулятор фазы (DDS) в таймерном
|
||||
* ISR -> ШИМ (несущая = SAMPLE_HZ = 62,5 кГц) -> внешний
|
||||
* ФНЧ (схема ниже); амплитуда — командой M;
|
||||
* - свип : логарифмический (f0..f1, N точек) с синхроимпульсом
|
||||
* на отдельном пине — для осциллографа/хост-скрипта;
|
||||
* - измерение : ADC0 (размах за окно) — амплитуда на выходе
|
||||
* исследуемой цепи (DUT) для автоматической АЧХ.
|
||||
*
|
||||
* ─── СХЕМА СИНУСА (обязательна: ШИМ даёт меандр, а не синус) ───
|
||||
*
|
||||
* GP15 ──[R1]──┬──[R2]──┬──────► OUT (вход DUT)
|
||||
* │ │
|
||||
* [C1] [C2]
|
||||
* │ │
|
||||
* GND GND
|
||||
*
|
||||
* Пассивный ФНЧ 2-го порядка. При несущей 62,5 кГц:
|
||||
* R1 = R2 = 1 кОм, C1 = C2 = 47 нФ -> f_c ≈ 3,4 кГц
|
||||
* подавление несущей ≈ (62,5/3,4)^2 ≈ 50 дБ -> пульсации ~10 мВ
|
||||
* Номиналы для другой несущей: f_c и постоянную RC смотреть в README.
|
||||
*
|
||||
* ВНИМАНИЕ (важно): выходное сопротивление фильтра ~1 кОм. Вход
|
||||
* интегратора — R1 = 10 кОм, получается делитель 10/11 (просадка ~9 %).
|
||||
* Если это критично — поставить буфер-повторитель на ОУ (Sallen-Key):
|
||||
* тот же фильтр 2-го порядка + низкое выходное сопротивление.
|
||||
*
|
||||
* Постоянная составляющая: при скважности 50 % среднее = 1,65 В, синус
|
||||
* смещён на Uпит/2. Где смещение недопустимо — разделительный C = 1 мкФ
|
||||
* последовательно + R = 47 кОм на землю (ФВЧ ≈ 3,4 Гц), либо уменьшить
|
||||
* амплитуду командой M.
|
||||
*
|
||||
* Протокол команд (Serial, 115200, строка + \n):
|
||||
* F <Гц> — установить частоту (1..500000)
|
||||
* W Q | W S — режим: Q — прямоугольник, S — синус
|
||||
* D <0..255> — скважность прямоугольника (128 = 50 %)
|
||||
* M <0..127> — амплитуда синуса (127 = максимум)
|
||||
* A — однократно измерить амплитуду на ADC0
|
||||
* -> ответ "A <мВ размах>"
|
||||
* SWEEP <f0> <f1> <n> <dwell_ms>
|
||||
* — логарифмический свип; на каждой точке выдаёт
|
||||
* "P <Гц> <мВ>" и импульс синхро на PIN_TRIG
|
||||
* STOP — прервать свип
|
||||
*/
|
||||
|
||||
#include <Arduino.h>
|
||||
#include <math.h>
|
||||
|
||||
// ─────────────────────────── пины ───────────────────────────
|
||||
#define PIN_OUT 15 // выход сигнала (прямоугольник — прямо; синус — через RC)
|
||||
#define PIN_TRIG 14 // синхроимпульс (для осциллографа)
|
||||
#define PIN_ADC 26 // ADC0 = A0 — вход измерения (выход DUT через делитель!)
|
||||
|
||||
// ─────────────────────── параметры DDS ──────────────────────
|
||||
// ВАЖНО: несущая ШИМ и частота обновления выборок должны СОВПАДАТЬ.
|
||||
// Значение скважности применяется один раз за период ШИМ; если обновлять
|
||||
// выборки с другой частотой, появляется джиттер и биения на выходе фильтра.
|
||||
// При 16 мкс период ISR занимает ~3 % CPU RP2040; при перегрузке —
|
||||
// снизить до 31250 (тогда f_c фильтра пересчитать вниз пропорционально).
|
||||
#define CARRIER_HZ 62500UL // несущая ШИМ для синуса (= частота выборок)
|
||||
#define SAMPLE_HZ 62500UL // частота обновления выборок синуса
|
||||
#define PWM_RANGE 255 // 8-бит (для синуса); прямоугольнику хватает
|
||||
#define AMP_MAX 127 // максимальная амплитуда выборки (единиц duty)
|
||||
|
||||
// ───────────────────────── состояние ────────────────────────
|
||||
enum WaveMode : uint8_t { MODE_SQUARE = 0, MODE_SINE = 1 };
|
||||
|
||||
static volatile uint32_t g_freq = 1000; // текущая частота, Гц
|
||||
static volatile uint8_t g_duty = 128; // 0..255 (прямоугольник)
|
||||
static volatile uint8_t g_amp = AMP_MAX;// амплитуда синуса, 0..AMP_MAX
|
||||
static volatile WaveMode g_mode = MODE_SQUARE;
|
||||
static volatile uint32_t g_phase = 0; // аккумулятор фазы (32 бит)
|
||||
static volatile bool g_sweep = false; // флаг активного свипа
|
||||
static int8_t g_lut[256]; // sin: -127..127
|
||||
|
||||
// ─────────────────────── таблица синуса ─────────────────────
|
||||
static void buildLut() {
|
||||
for (int i = 0; i < 256; ++i) {
|
||||
g_lut[i] = (int8_t)lroundf(127.0f * sinf(2.0f * (float)M_PI * i / 256.0f));
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
// ───────────── ISR: обновление ШИМ для синуса (DDS) ─────────
|
||||
static bool onSample(repeating_timer_t *) {
|
||||
if (g_mode == MODE_SINE) {
|
||||
// шаг фазы = f * 2^32 / Fs (64-бит, чтобы не переполнить)
|
||||
uint32_t step =
|
||||
(uint32_t)((uint64_t)g_freq * (1ULL << 32) / SAMPLE_HZ);
|
||||
g_phase += step;
|
||||
uint8_t idx = (uint8_t)(g_phase >> 24);
|
||||
// центрируем на 128 и масштабируем амплитудой (g_amp 0..127)
|
||||
int32_t s = ((int32_t)g_lut[idx] * g_amp) / 127;
|
||||
analogWrite(PIN_OUT, (uint8_t)(128 + s));
|
||||
}
|
||||
return true;
|
||||
}
|
||||
|
||||
static repeating_timer_t g_timer;
|
||||
|
||||
// ─────────────────── применить режим/частоту ────────────────
|
||||
static void applySquare() {
|
||||
analogWriteFreq(g_freq);
|
||||
analogWriteRange(PWM_RANGE);
|
||||
// после analogWriteFreq/analogWriteRange текущее значение сбрасывается:
|
||||
analogWrite(PIN_OUT, g_duty);
|
||||
}
|
||||
|
||||
static void applySine() {
|
||||
// частота ШИМ = SAMPLE_HZ (совпадает с ISR), размах — 8 бит
|
||||
analogWriteFreq(CARRIER_HZ);
|
||||
analogWriteRange(PWM_RANGE);
|
||||
}
|
||||
|
||||
static void setFrequency(uint32_t hz) {
|
||||
if (hz < 1) hz = 1;
|
||||
if (hz > 500000) hz = 500000;
|
||||
g_freq = hz;
|
||||
if (g_mode == MODE_SQUARE) applySquare();
|
||||
}
|
||||
|
||||
static void setMode(WaveMode m) {
|
||||
g_mode = m;
|
||||
if (m == MODE_SQUARE) applySquare();
|
||||
else applySine();
|
||||
}
|
||||
|
||||
// ─────────────────── измерение амплитуды (ADC) ──────────────
|
||||
// Возвращает размах (пик-пик) в милливольтах за окно window_ms.
|
||||
// TODO (студенту): заменить окно по времени на окно по числу периодов
|
||||
// измеряемой частоты, чтобы размах считался по целому числу периодов.
|
||||
static uint32_t measureAmplitudeMv(uint32_t window_ms = 50) {
|
||||
uint16_t vmin = 4095, vmax = 0;
|
||||
uint32_t t0 = millis();
|
||||
while ((millis() - t0) < window_ms) {
|
||||
uint16_t v = analogRead(PIN_ADC);
|
||||
if (v < vmin) vmin = v;
|
||||
if (v > vmax) vmax = v;
|
||||
}
|
||||
// ADC 12 бит, Vref = 3,3 В
|
||||
return (uint32_t)((uint32_t)(vmax - vmin) * 3300UL / 4095UL);
|
||||
}
|
||||
|
||||
// ───────────────────────── свип ─────────────────────────────
|
||||
static void triggerPulse() {
|
||||
digitalWrite(PIN_TRIG, HIGH);
|
||||
delayMicroseconds(50);
|
||||
digitalWrite(PIN_TRIG, LOW);
|
||||
}
|
||||
|
||||
static void runSweep(float f0, float f1, int n, uint32_t dwell_ms) {
|
||||
if (n < 2) n = 2;
|
||||
if (f0 < 1) f0 = 1;
|
||||
if (f1 <= f0) f1 = f0 * 10.0f;
|
||||
g_sweep = true;
|
||||
|
||||
const float ratio = powf(f1 / f0, 1.0f / (float)(n - 1));
|
||||
float f = f0;
|
||||
for (int i = 0; i < n && g_sweep; ++i) {
|
||||
setFrequency((uint32_t)lroundf(f));
|
||||
triggerPulse(); // метка точки для осциллографа
|
||||
delay(dwell_ms); // дать DUT/фильтру устояться
|
||||
uint32_t mv = measureAmplitudeMv();
|
||||
Serial.print("P "); // точка АЧХ: частота + размах
|
||||
Serial.print((uint32_t)lroundf(f));
|
||||
Serial.print(' ');
|
||||
Serial.println(mv);
|
||||
f *= ratio;
|
||||
}
|
||||
Serial.println("DONE");
|
||||
setFrequency((uint32_t)f0); // вернуться к началу
|
||||
}
|
||||
|
||||
// ─────────────────────── разбор команд ──────────────────────
|
||||
static void handleLine(char *line) {
|
||||
char *cmd = strtok(line, " \t");
|
||||
if (!cmd) return;
|
||||
|
||||
if (!strcasecmp(cmd, "F")) {
|
||||
char *a = strtok(nullptr, " \t");
|
||||
if (a) setFrequency((uint32_t)strtoul(a, nullptr, 10));
|
||||
Serial.print("OK F "); Serial.println(g_freq);
|
||||
} else if (!strcasecmp(cmd, "W")) {
|
||||
char *a = strtok(nullptr, " \t");
|
||||
if (a) setMode((!strcasecmp(a, "S")) ? MODE_SINE : MODE_SQUARE);
|
||||
Serial.print("OK W "); Serial.println(g_mode == MODE_SINE ? "S" : "Q");
|
||||
} else if (!strcasecmp(cmd, "D")) {
|
||||
char *a = strtok(nullptr, " \t");
|
||||
if (a) { g_duty = (uint8_t)constrain(atoi(a), 0, 255); applySquare(); }
|
||||
Serial.print("OK D "); Serial.println(g_duty);
|
||||
} else if (!strcasecmp(cmd, "M")) {
|
||||
char *a = strtok(nullptr, " \t");
|
||||
if (a) g_amp = (uint8_t)constrain(atoi(a), 0, AMP_MAX);
|
||||
Serial.print("OK M "); Serial.println(g_amp);
|
||||
} else if (!strcasecmp(cmd, "A")) {
|
||||
Serial.print("A "); Serial.println(measureAmplitudeMv());
|
||||
} else if (!strcasecmp(cmd, "SWEEP")) {
|
||||
char *a0 = strtok(nullptr, " \t");
|
||||
char *a1 = strtok(nullptr, " \t");
|
||||
char *a2 = strtok(nullptr, " \t");
|
||||
char *a3 = strtok(nullptr, " \t");
|
||||
if (a0 && a1 && a2 && a3) {
|
||||
runSweep(atof(a0), atof(a1), atoi(a2), strtoul(a3, nullptr, 10));
|
||||
}
|
||||
} else if (!strcasecmp(cmd, "STOP")) {
|
||||
g_sweep = false;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
// ────────────────────────── setup/loop ──────────────────────
|
||||
void setup() {
|
||||
Serial.begin(115200);
|
||||
buildLut();
|
||||
pinMode(PIN_TRIG, OUTPUT);
|
||||
digitalWrite(PIN_TRIG, LOW);
|
||||
analogReadResolution(12); // ADC0 — 12 бит
|
||||
add_repeating_timer_us(-(1000000L / SAMPLE_HZ), onSample, nullptr, &g_timer);
|
||||
setMode(MODE_SQUARE);
|
||||
setFrequency(1000);
|
||||
Serial.println("# DDS generator ready (RP2040). help: F/W/D/A/SWEEP/STOP");
|
||||
}
|
||||
|
||||
void loop() {
|
||||
static char buf[96];
|
||||
static size_t len = 0;
|
||||
while (Serial.available()) {
|
||||
char c = (char)Serial.read();
|
||||
if (c == '\n' || c == '\r') {
|
||||
buf[len] = '\0';
|
||||
if (len) handleLine(buf);
|
||||
len = 0;
|
||||
} else if (len < sizeof(buf) - 1) {
|
||||
buf[len++] = c;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
@@ -0,0 +1,138 @@
|
||||
#!/usr/bin/env python3
|
||||
"""
|
||||
Хост-скрипт: автоматическое снятие АЧХ с DDS-генератора (RP2040).
|
||||
|
||||
ЧЕРНОВИК (AI-сгенерировано, 2026-10-26). Требует проверки преподавателем.
|
||||
|
||||
Управляет генератором 01-dds-generator-rp2040.ino по Serial, запускает
|
||||
логарифмический свип, собирает точки "P <Гц> <мВ>" и строит АЧХ в дБ.
|
||||
|
||||
Использование:
|
||||
python 02-izmerenie-achh.py --port /dev/ttyACM0 \
|
||||
--f0 10 --f1 100000 --n 25 --dwell 150 --out achh.csv
|
||||
|
||||
Зависимости: pyserial (обязательно), matplotlib (опционально, для графика).
|
||||
pip install pyserial matplotlib
|
||||
|
||||
ПРОТОКОЛ (строки, \n):
|
||||
-> W S режим синуса
|
||||
-> SWEEP <f0> <f1> <n> <dwell_ms>
|
||||
<- P <Гц> <мВ> точка АЧХ
|
||||
<- DONE свип завершён
|
||||
|
||||
ВНИМАНИЕ: вход ADC0 генератора — 0..3,3 В. Сигнал с выхода исследуемой
|
||||
цепи выше 3,3 В подавать только через делитель/пиковый детектор.
|
||||
Нормировка на выходе: gain_dB = 20*log10(Uout/Uin). Входное напряжение
|
||||
Uin берётся из аргумента --uin (действующая или амплитудная — как задано,
|
||||
скрипт работает с размахом, мВ).
|
||||
"""
|
||||
|
||||
from __future__ import annotations
|
||||
|
||||
import argparse
|
||||
import csv
|
||||
import math
|
||||
import sys
|
||||
import time
|
||||
|
||||
try:
|
||||
import serial # type: ignore
|
||||
except ImportError: # pragma: no cover
|
||||
print("Нужен pyserial: pip install pyserial", file=sys.stderr)
|
||||
raise SystemExit(2)
|
||||
|
||||
|
||||
def open_port(port: str, baud: int = 115200, timeout: float = 0.2):
|
||||
return serial.Serial(port, baud, timeout=timeout)
|
||||
|
||||
|
||||
def send(ser, line: str) -> None:
|
||||
ser.write((line + "\n").encode("ascii"))
|
||||
ser.flush()
|
||||
|
||||
|
||||
def collect_sweep(ser, f0: float, f1: float, n: int, dwell: int,
|
||||
uin_mv: float, timeout_s: float = 120.0):
|
||||
"""Запустить свип и вернуть список (f, uout_mv, gain_db)."""
|
||||
send(ser, "W S") # синус
|
||||
time.sleep(0.2)
|
||||
send(ser, f"SWEEP {f0:.3f} {f1:.3f} {n} {dwell}")
|
||||
|
||||
points: list[tuple[float, float, float]] = []
|
||||
t0 = time.time()
|
||||
while True:
|
||||
if time.time() - t0 > timeout_s:
|
||||
print("таймаут свипа", file=sys.stderr)
|
||||
break
|
||||
raw = ser.readline().decode("ascii", "replace").strip()
|
||||
if not raw:
|
||||
continue
|
||||
if raw == "DONE":
|
||||
break
|
||||
if raw.startswith("P "):
|
||||
_, fs, mv = raw.split()
|
||||
f = float(fs)
|
||||
uout = float(mv)
|
||||
gain = 20.0 * math.log10(max(uout, 1e-6) / max(uin_mv, 1e-6))
|
||||
points.append((f, uout, gain))
|
||||
print(f" {f:>9.1f} Гц {uout:>7.1f} мВ {gain:+6.2f} дБ")
|
||||
return points
|
||||
|
||||
|
||||
def write_csv(path: str, points) -> None:
|
||||
with open(path, "w", newline="", encoding="utf-8") as fh:
|
||||
w = csv.writer(fh)
|
||||
w.writerow(["freq_hz", "uout_mv", "gain_db"])
|
||||
for row in points:
|
||||
w.writerow([f"{row[0]:.3f}", f"{row[1]:.3f}", f"{row[2]:.4f}"])
|
||||
print(f"CSV: {path}")
|
||||
|
||||
|
||||
def plot(points) -> None:
|
||||
try:
|
||||
import matplotlib.pyplot as plt # type: ignore
|
||||
except ImportError:
|
||||
print("matplotlib нет — график пропущен (CSV сохранён)", file=sys.stderr)
|
||||
return
|
||||
xs = [p[0] for p in points]
|
||||
ys = [p[2] for p in points]
|
||||
plt.semilogx(xs, ys, "o-")
|
||||
plt.xlabel("Частота, Гц")
|
||||
plt.ylabel("Усиление, дБ")
|
||||
plt.grid(True, which="both")
|
||||
plt.title("АЧХ (автоснятие с RP2040 DDS)")
|
||||
plt.tight_layout()
|
||||
plt.show()
|
||||
|
||||
|
||||
def main() -> int:
|
||||
ap = argparse.ArgumentParser(description="Автоснятие АЧХ через RP2040 DDS")
|
||||
ap.add_argument("--port", required=True, help="например /dev/ttyACM0 или COM5")
|
||||
ap.add_argument("--f0", type=float, default=10.0)
|
||||
ap.add_argument("--f1", type=float, default=100000.0)
|
||||
ap.add_argument("--n", type=int, default=25)
|
||||
ap.add_argument("--dwell", type=int, default=150, help="мс на точку")
|
||||
ap.add_argument("--uin", type=float, default=500.0,
|
||||
help="входное напряжение (размах), мВ")
|
||||
ap.add_argument("--out", default="achh.csv")
|
||||
ap.add_argument("--plot", action="store_true")
|
||||
args = ap.parse_args()
|
||||
|
||||
ser = open_port(args.port)
|
||||
time.sleep(0.5)
|
||||
ser.reset_input_buffer()
|
||||
try:
|
||||
points = collect_sweep(ser, args.f0, args.f1, args.n, args.dwell, args.uin)
|
||||
finally:
|
||||
ser.close()
|
||||
if not points:
|
||||
print("точек не получено", file=sys.stderr)
|
||||
return 1
|
||||
write_csv(args.out, points)
|
||||
if args.plot:
|
||||
plot(points)
|
||||
return 0
|
||||
|
||||
|
||||
if __name__ == "__main__":
|
||||
raise SystemExit(main())
|
||||
@@ -0,0 +1,150 @@
|
||||
# Бланк отчёта — интегратор/дифференциатор на ОУ
|
||||
|
||||
Лабораторная `lab5-peredatochnaya-funkciya-na-ou`, 4 ч.
|
||||
ФИО / группа / вариант: _____________________________
|
||||
|
||||
> Файл заполняется студентом. Все значения — с единицами измерения.
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 1. Параметры варианта
|
||||
|
||||
| Параметр | Значение |
|
||||
|---|---|
|
||||
| R1 | кОм |
|
||||
| R2 | кОм |
|
||||
| C1 | мкФ |
|
||||
| U_пит | ± В |
|
||||
|
||||
**Расчёт (до эксперимента):**
|
||||
|
||||
- K = R2/R1 = _____
|
||||
- τ = R2·C1 = _____ мс
|
||||
- f_c = 1/(2π·τ) = _____ Гц
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 2. Симуляция: АЧХ/ФЧХ (задание 1)
|
||||
|
||||
Директива: `.ac dec 20 1 100k`
|
||||
|
||||
| Параметр | Расчёт | Из симуляции | Расхождение |
|
||||
|---|---|---|---|
|
||||
| Усиление на плоском участке, дБ | | | |
|
||||
| f_c, Гц | | | |
|
||||
| Наклон за f_c, дБ/дек | −20 | | |
|
||||
|
||||
Вставить графики АЧХ и ФЧХ ↓
|
||||
|
||||
```
|
||||
(место для скриншота LTSpice)
|
||||
```
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 3. Monte Carlo (задание 2)
|
||||
|
||||
Директивы:
|
||||
|
||||
```
|
||||
.step param tol ...
|
||||
```
|
||||
|
||||
Число прогонов: ____
|
||||
|
||||
| Параметр | Среднее | СКО | Мин | Макс | Доля в ±10 % |
|
||||
|---|---|---|---|---|---|
|
||||
| K | | | | | |
|
||||
| f_c, Гц | | | | | |
|
||||
|
||||
Гистограммы ↓
|
||||
|
||||
```
|
||||
(место для гистограмм)
|
||||
```
|
||||
|
||||
**Вывод о вкладе компонентов:**
|
||||
|
||||
-
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 4. Железо: переходные процессы (задание 3)
|
||||
|
||||
### 4.1. Интегратор (прямоугольник 1 кГц)
|
||||
|
||||
| Параметр | Расчёт | Измерение |
|
||||
|---|---|---|
|
||||
| Размах пилы U_m, В | | |
|
||||
| Частота входного сигнала, кГц | 1,0 | |
|
||||
|
||||
Осциллограмма ↓
|
||||
|
||||
```
|
||||
(место для осциллограммы)
|
||||
```
|
||||
|
||||
### 4.2. Дифференциатор (пила 1 кГц)
|
||||
|
||||
| Параметр | Расчёт | Измерение |
|
||||
|---|---|---|
|
||||
| Амплитуда импульса, В | | |
|
||||
|
||||
### 4.3. Роль резистора утечки
|
||||
|
||||
Что меняется без R2: ______________________________
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 5. Железо: автоснятие АЧХ (задание 4)
|
||||
|
||||
Команда запуска:
|
||||
|
||||
```
|
||||
python 02-izmerenie-achh.py --port ____ --f0 10 --f1 100000 --n 25 --dwell 150 --uin ___ --out achh.csv
|
||||
```
|
||||
|
||||
Таблица точек (первые 5 и последние 5):
|
||||
|
||||
| f, Гц | U_вых, мВ | K, дБ |
|
||||
|---|---|---|
|
||||
| | | |
|
||||
| | | |
|
||||
|
||||
Совмещённый график (расчёт / модель / эксперимент) ↓
|
||||
|
||||
```
|
||||
(место для графика)
|
||||
```
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 6. Сводная таблица (задание 5)
|
||||
|
||||
| Параметр | Расчёт | Симуляция | Железо |
|
||||
|---|---|---|---|
|
||||
| K | | | |
|
||||
| τ, мс | | | |
|
||||
| f_c, Гц | | | |
|
||||
|
||||
**Причины расхождений:**
|
||||
|
||||
1. Расчёт vs симуляция: ______________________________
|
||||
2. Симуляция vs железо: ______________________________
|
||||
3. Роль Monte Carlo: ______________________________
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 7. Выводы
|
||||
|
||||
-
|
||||
-
|
||||
-
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 8. Ответы на контрольные вопросы
|
||||
|
||||
1.
|
||||
2.
|
||||
3.
|
||||
@@ -0,0 +1,236 @@
|
||||
# Лабораторная работа
|
||||
|
||||
## Интегратор и дифференциатор на ОУ: передаточная функция, АЧХ/ФЧХ и разброс по допускам
|
||||
|
||||
**Дисциплина:** Электронные устройства мехатронных и робототехнических
|
||||
систем (Б1.В.06, очная форма)
|
||||
**Семестр:** 5 · **Объём:** 4 часа · **Тема:** `lab5-peredatochnaya-funkciya-na-ou`
|
||||
**Форма:** черновик — в учебный план пока не привязана
|
||||
|
||||
> AI-сгенерировано (2026-10-26), требует проверки преподавателем.
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 1. Легенда
|
||||
|
||||
В мехатронном модуле сигнал датчика проходит через аналоговую обработку:
|
||||
фильтрацию, интегрирование, выделение скорости (дифференцирование).
|
||||
Каждое такое звено описывается передаточной функцией, и от его параметров
|
||||
(K, τ) зависит поведение всей системы управления.
|
||||
|
||||
**Задача работы:** убедиться, что аналоговое звено на операционном
|
||||
усилителе действительно реализует расчётную передаточную функцию — сначала
|
||||
в симуляторе, затем на макетной плате. И понять, как **допуски**
|
||||
резисторов и конденсаторов влияют на параметры звена в серии.
|
||||
|
||||
Работа состоит из двух частей:
|
||||
|
||||
- **Симуляция** (LTSpice): АЧХ/ФЧХ и **новый анализ — Monte Carlo** по допускам;
|
||||
- **Железо** (макет + генератор): переходные процессы и **автоматическое
|
||||
снятие АЧХ** генератором-свипом на RP2040.
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 2. Теория кратко
|
||||
|
||||
**Интегратор на ОУ** (R1 на входе, C1 в ООС):
|
||||
|
||||
W(s) = −1 / (R1·C1·s)
|
||||
|
||||
**Реальный интегратор** (резистор утечки R2 параллельно C1) — это
|
||||
**апериодическое звено первого порядка**:
|
||||
|
||||
W(s) = −R2 / (R1 · (1 + R2·C1·s)) = −K / (τ·s + 1)
|
||||
|
||||
где K = R2/R1, τ = R2·C1, f_c = 1/(2π·τ).
|
||||
|
||||
**Дифференциатор** (C1 на входе, R1 в ООС):
|
||||
|
||||
W(s) = −R1·C1·s
|
||||
|
||||
**Модель для работы:** K = −10, τ = 10 мс, f_c ≈ 16 Гц
|
||||
(R1 = 10 кОм, R2 = 100 кОм, C1 = 0,1 мкФ).
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 3. Задания
|
||||
|
||||
### Задание 1 (1 ч). Симуляция: АЧХ и ФЧХ
|
||||
|
||||
В LTSpice собрать интегратор с резистором утечки: R1 = 10 кОм,
|
||||
R2 = 100 кОм, C1 = 0,1 мкФ (R2 || C1 в ООС).
|
||||
|
||||
1. Задать анализ `.ac dec 20 1 100k`.
|
||||
2. Снять АЧХ в децибелах и ФЧХ.
|
||||
3. По графику определить:
|
||||
- усиление на плоском участке (должно быть ≈ 20 дБ, т. е. K = 10);
|
||||
- частоту сопряжения f_c (где спад −3 дБ);
|
||||
- наклон спада (ожидается −20 дБ/дек).
|
||||
4. Сравнить с расчётом по формулам из п. 2.
|
||||
|
||||
### Задание 2 (1 ч). Симуляция: Monte Carlo по допускам ⭐
|
||||
|
||||
**Новый анализ.** Реальные резисторы и конденсаторы имеют допуск ±5 %
|
||||
(ряд E24 — не лучше). Оценим разброс параметров звена.
|
||||
|
||||
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).
|
||||
Либо, для полноценного статистического анализа, использовать
|
||||
`.step param run 1 100 1` с генератором случайных отклонений.
|
||||
2. Прогнать **не менее 100 прогонов**.
|
||||
3. Для каждого прогона зафиксировать K (усиление на плоском участке) и f_c.
|
||||
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
|
||||
|
||||
Собрать на макетной плате:
|
||||
|
||||
**3.1. Интегратор** (R1 = 10 кОм, C1 = 0,1 мкФ):
|
||||
|
||||
- подать прямоугольник 1 кГц (от RP2040-генератора или лабораторного);
|
||||
- наблюдать пилообразный сигнал на выходе;
|
||||
- замерить размах пилы и сравнить с
|
||||
U_m = U_вх · T / (2 · R1 · C1);
|
||||
- убедиться, что при росте частоты размах падает обратно пропорционально.
|
||||
|
||||
**3.2. Дифференциатор** (C1 = 0,1 мкФ на входе, R1 = 10 кОм в ООС):
|
||||
|
||||
- подать пилу 1 кГц;
|
||||
- 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
|
||||
параллельно C1 и без него; объяснить, что меняется на постоянном токе.
|
||||
|
||||
### Задание 4 (1 ч). Железо: автоматическое снятие АЧХ
|
||||
|
||||
Использовать подготовленный генератор-свип:
|
||||
|
||||
- **`stub/01-dds-generator-rp2040.ino`** — прошить в RP2040 (Raspberry Pi
|
||||
Pico). Прямоугольник (ШИМ) и синус (DDS) + логарифмический свип
|
||||
+ измерение амплитуды на ADC0.
|
||||
- **`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
|
||||
порта.
|
||||
2. **Собрать внешний ФНЧ** на выходе генератора (без него будет меандр,
|
||||
а не синус):
|
||||
|
||||
```
|
||||
GP15 ──[R1 1к]──┬──[R2 1к]──┬──────► вход схемы
|
||||
│ │
|
||||
[C1 47н] [C2 47н]
|
||||
│ │
|
||||
GND GND
|
||||
```
|
||||
|
||||
Это пассивный ФНЧ 2-го порядка, f_c ≈ 3,4 кГц; он подавляет несущую
|
||||
ШИМ 62,5 кГц примерно на 50 дБ. **Зарисовать фильтр в отчёт.**
|
||||
|
||||
3. Выход фильтра → вход схемы; выход схемы → вход измерения (ADC0).
|
||||
**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`
|
||||
> = 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
|
||||
> есть серийный функциональный генератор с режимом свипа/логарифмической
|
||||
> развёртки — можно использовать его, принцип тот же.
|
||||
|
||||
### Задание 5 (СРС / отчёт). Сведение результатов
|
||||
|
||||
Свести в одну таблицу «**расчёт / симуляция / железо**» параметры
|
||||
K, τ, f_c. Построить совмещённый график АЧХ (три кривые).
|
||||
|
||||
Сделать выводы:
|
||||
|
||||
- причины расхождения расчёта и симуляции;
|
||||
- причины расхождения симуляции и железа;
|
||||
- что даёт анализ Monte Carlo для реального проектирования.
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 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.*
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 5. Оформление и оценивание
|
||||
|
||||
Отчёт содержит:
|
||||
|
||||
1. Схему интегратора и дифференциатора (KiCad или от руки).
|
||||
2. АЧХ и ФЧХ из LTSpice.
|
||||
3. Гистограммы Monte Carlo (K и f_c) + доля годных.
|
||||
4. Осциллограммы переходных процессов (пила, импульсы).
|
||||
5. CSV-точки автоматического свипа + совмещённый график АЧХ.
|
||||
6. Итоговую таблицу «расчёт / симуляция / железо».
|
||||
7. Выводы.
|
||||
|
||||
| Задание | Баллы |
|
||||
|---------|-------|
|
||||
| 1. Симуляция АЧХ/ФЧХ | 2,0 |
|
||||
| 2. Monte Carlo | 2,5 |
|
||||
| 3. Железо: переходные процессы | 2,0 |
|
||||
| 4. Железо: автоснятие АЧХ | 2,0 |
|
||||
| 5. Отчёт: сведение | 1,5 |
|
||||
| **Итого** | **10** |
|
||||
|
||||
Зачёт — при **6 и более** баллах. Расхождение с эталоном ±10 %
|
||||
(допуски компонентов).
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 6. Контрольные вопросы
|
||||
|
||||
1. Чему равна передаточная функция идеального интегратора и почему без
|
||||
резистора утечки она нереализуема на практике?
|
||||
2. Как по АЧХ отличить идеальный интегратор от апериодического звена
|
||||
первого порядка?
|
||||
3. Почему частота сопряжения определяется R2·C1, а не R1·C1?
|
||||
4. Как связаны наклон АЧХ в дБ/дек и порядок звена?
|
||||
5. Какой компонент даёт наибольший вклад в разброс f_c при допуске ±5 %
|
||||
и почему?
|
||||
6. Как на форме переходного процесса сказывается конечная полоса
|
||||
пропускания операционного усилителя?
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 7. Литература
|
||||
|
||||
1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. 3-е изд. М.: Бином, 2014.
|
||||
Гл. 4.
|
||||
2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. М.: ДМК
|
||||
Пресс, 2008. Т. 1, гл. 11.
|
||||
3. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического
|
||||
регулирования. М.: Наука, 2010. Гл. 2.
|
||||
4. LTSpice XVII User Guide. Analog Devices.
|
||||
5. LM358 / TL081 datasheet. Texas Instruments.
|
||||
6. RP2040 Datasheet. Raspberry Pi Ltd.
|
||||
Reference in New Issue
Block a user