ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 146-150
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 537.87 + 537.86.029 + 53.082.74
АНАЛОГОВЫЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА АТМОСФЕРИКОВ К.Н.Ч.-О.Н.Ч.-ДИАПАЗОНОВ НА ПРОГРАММИРУЕМЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ © 2015 г. А. А. Галахов, О. И. Ахметов, В. И. Кириллов
Полярный геофизический институт Кольского научного центра РАН Россия, 184209, Апатиты Мурманской обл., ул. Академгородок, 26а E-mail: akhmetov@pgia.ru Поступила в редакцию 28.03.2014 г.
Представлена функциональная схема аналогового анализатора спектра атмосфериков к.н.ч.— о.н.ч.-диапазонов, приведены его характеристики и примеры записи спектров. Совместное использование программируемых аналоговых и цифровых интегральных схем позволяет работающему устройству в реальном времени изменять основные параметры анализатора, такие как число точек анализа, характеристики анализирующего фильтра, времени сканирования частотного спектра. Изучение сигналов грозового генератора (атмосфериков) дает важную информацию как для изучения атмосферного электричества, так и среды распространения электромагнитных волн волновод земля — ионосфера.
DOI: 10.7868/S0032816215010048
ВВЕДЕНИЕ
Атмосферное электричество является важным разделом в изучении физики атмосферы, где глобальный грозовой генератор, действующий за счет молниевой активности, рассматривается как один из основных источников естественного электромагнитного поля.
Атмосферики — это электромагнитные сигналы импульсного вида, вызванные молниевыми разрядами. Большую часть энергии молниевые разряды излучают в диапазоне очень низких частот (о.н.ч., 3—30 кГц) и крайне низких частот (к.н.ч., 3—3000 Гц). Атмосферики к.н.ч. и о.н.ч.-диапазонов распространяются на большие расстояния с низким коэффициентом затухания, многократно отражаясь от двух границ: нижняя ионосфера и земля. Диапазон изменения амплитуды атмосфериков составляет ~40 дБ, частота повторения импульсов достигает ~30 с-1, длительность колеблется в пределах 2-7 мс [1, 2].
Необходимо отметить, что наряду с источниками электромагнитного поля атмосферной природы существуют также источники антропогенного характера (импульсы в промышленных энергетических сетях).
Изучение статистических свойств импульсной компоненты естественного электромагнитного поля представляет научный и практический интерес, в частности, для изучения условий радиосвязи в данном диапазоне [3]. Изучение спектральных характеристик импульсного сигнала дает возможность определить природу его возникновения, а
также определять некоторые параметры среды распространения (волновод земля — ионосфера) атмосфериков [2].
АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА
Представленный в данной работе анализатор спектра атмосфериков относится к одноканаль-ным анализаторам последовательного типа, где сканирование по спектру происходит за счет последовательного во времени изменения параметров анализирующего фильтра (резонансная частота, добротность) и детектора (постоянная времени).
Анализатор спектра атмосфериков выполнен на основе программируемых аналоговых микросхем (п.а.и.с., FPAA1 AN120E04, FPAA2 AN221E04) и цифрового микроконтроллера с флэш-памятью (PIC18F452). Функциональная схема анализатора представлена на рис. 1.
Данная структура прибора позволяет работающему устройству в реальном времени проводить динамическую реконфигурацию аналоговых блоков п.а.и.с. (FPAA2), меняя при этом и параметры выбранных модулей CAM, и схему их соединения для реализации режима обнуления фильтров (FPAA2_reset).
Таким образом, основные параметры анализатора, такие как число точек анализа, параметры анализирующего фильтра (резонансная частота Ff и добротность Q), постоянная времени детектора, схему подключения фильтра можно изменять
АНАЛОГОВЫЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА
147
FPAA1 AN120E04
AN120E04 LOAD ORDER:7
FPAA2 AN221E04
AN221E04 LOAD ORDER:5
■Л1" -
*2 ■
г1 Г
Цга-т-
FPAA1
17 6
16 13
16 MHz
PIC18F452
RA0
RA4/T0CK1
OSC1 OSC2
RB6 RB7
—ту—
RB1 RB2
RD0 RD1 RD2 RD3 RD4 RC3 RC5 RC6
34
35 8
19 9
20 10
21 11
22 12
27 13
18 14
24 15
25 19
18
2000 pF
13 k - Oy1 II
1000 pF 100 k
+2V (VMRC)
100 k
MPLAB
09
12
01
02 43
42
39
2
2
Рис. 1. Функциональная схема аналогового анализатора спектра атмосфериков.
программным способом в работающем устройстве в реальном времени.
Исследуемый широкополосный сигнал поступает на входной фильтр нижних частот (ф.н.ч., Fcp= 7.5 кГц), выполненный на дискретных элементах (операционном усилителе ОУх), для ограничения спектральных составляющих входного сигнала за пределами анализа спектра (anti-aliasing filter). Формирователь напряжения (ОУ2) использован для согласования уровня входного сигнала с режимом работы п.а.и.с. (более подробно работа п.а.и.с. будет рассмотрена ниже).
С выхода формирователя (шина 1) сигнал поступает на программируемый преселектор (FPAA1), где разветвляется на два канала:
1) формирующий полосу спектра анализа атмосфериков (FPAA1: шины 3, 4);
2) канал выделения моментов прихода атмосфериков (FPAA1: шины 7, 8).
Полосы частот указанных выше каналов зависят от уровня промышленных помех в месте рас-
положения антенны приемника к.н.ч.—о.н.ч.-диапазона. Наличие сетевых гармоник в спектре входного сигнала затрудняет настройку уровней срабатывания компараторов (БРАА2) для определения момента прихода атмосфериков.
Сигнал с выхода детектора (БРАА2, шины 5, 6), параметры которого синхронно перестраиваются совместно с параметрами анализирующего фильтра (резонансная частота и добротность), через формирователь (ОУ.), компенсирующий постоянное напряжение (+2 В) в сигнале, поступает (шина 2) на аналого-цифровой преобразователь (а.ц.п.) микроконтроллера (Р1С18Р452).
Преобразование сигнала в цифровую форму с последующей записью через протокол RS-232 (шина 19) на компьютер происходит в моменты прихода только тех атмосфериков, амплитуда которых попадает в заданное окно выставленных уровней напряжений срабатывания компараторов. Нижний уровень напряжения Ккомп1 (шина 4) зависит от среднего уровня электромагнитного поля в точке приема сигнала, верхний Ккомп 2 (ши-
148
ГАЛАХОВ и др.
на 3) определяет уровень напряжения, при котором происходит ограничение сигнала в приемно-усилительном тракте анализатора и, как следствие, искажение его спектра. Указанные уровни напряжений Ккомп1, ^комп2 являются значениями порогов срабатывания компараторов (FPAA2): Comparator1, Comparator2.
В связи с тем, что амплитуда атмосфериков изменяется в широких пределах и период их следования соизмерим с постоянной времени анализирующего фильтра, возможны случаи, когда регистрируемое напряжение будет результатом действия нескольких атмосфериков [4]. Чтобы уменьшить погрешность измерения амплитуды атмосферика, в алгоритме обработки сигнала предусмотрена подпрограмма отключения анализирующего фильтра: после приема каждого атмосферика, амплитуда которого превышала порог срабатывания, запускается программа динамической реконфигурации FPAA2, меняется ее структурная схема на FPAA2 reset . При этом анализирующий фильтр отключается от входного сигнала на время t > tf (tf — постоянная времени фильтра) и подключается к общей точке п.а.и.с.
Длительность записи амплитуды атмосфери-ков на каждой частоте определяется выходной частотой делителя CT2 (КР531ИЕ10) и таймером TMR0 цифрового контроллера PIC18F452 (шина 17).
Аналоговая обработка сигнала внутри конфигурируемых аналоговых блоков (CAB) п.а.и.с. осуществляется устройствами на переключаемых конденсаторах, выполненными по дифференциальной архитектуре. Это дало возможность получить низкий уровень собственного шума [5]: U = 0.13 мкВ • Гц-1/2.
Высокая точность обработки аналогового сигнала обусловлена тем, что в отличие от цифровых систем, где сигнал дискретен по времени и квантован по уровню, в дискретно-аналоговых системах, к которым относится п.а.и.с., сигнал дискретен только по времени [6]. При этом к входным и выходным цепям и сигналам предъявляются дополнительные требования.
• Частота дискретизации сигнала в п.а.и.с. выбирается из условия, что она должна соответствовать частоте Найквиста и быть максимально возможной, чтобы снизить требования к входному аналоговому преселектору (anti-aliasing filter) для ослабления эффекта наложения спектра [7]. Функции данного фильтра в анализаторе спектра атмосфериков выполняет установленный на его входе ф.н.ч. второго порядка, построенный на дискретных элементах (ОУ{).
• Частота семплирования (дискретизации) аналогового сигнала должна быть одинакова или кратна 2 как для всех конфигурируемых аналоговых модулей п.а.и.с., так и для тактовой частоты
а.ц.п. микроконтроллера, чтобы исключить образование паразитных составляющих в исследуемом спектре.
• В связи с тем, что в п.а.и.с. используются од-нополярные дифференциальные сигналы с постоянной составляющей +2 В, формирователь (ОУ2 ) добавляет во входной сигнал от внутреннего источника FPAA1 (контакт 17) опорное напряжение VMRC (шина 18).
Как отмечалось выше, режим последовательного анализ реализован в данном приборе за счет (циклического) последовательного изменения резонансной частоты анализирующего фильтра, но при этом полоса фильтра постоянна во всем диапазоне частот анализа.
Полоса пропускания анализирующего фильтра выбрана из условия, что атмосферик представляет собой радиоимпульс длительностью ~5 мс [3], и составляет: 2AF07 = 200 Гц.
Для реализации алгоритма аналоговой обработки сигнала на п.а.и.с. использована программная среда AnadigmDesigner2 [8], с помощью которой происходит выбор конфигурируемых аналоговых модулей (CAM) из библиотеки для FPAA1,2, установка их характеристик, компиляция данного проекта в текстовые файлы как основной конфигурации (Primary Configurations), так и динамической реконфигурации (Transition Configurations). Эти файлы являются составной частью общей программы анализатора, которая записывается во flash-память микроконтроллера (PIC18F452).
Для моделирования анализирующего фильтра по заданным параметрам амплитудно-частотной характеристики (а.ч.х.) использована программа AnadigmFilter [9], кот
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.