ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 3, с. 136-142
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 53.087.47+53.082.744+537.86.029
КОМПЛЕКС АППАРАТУРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСНОЙ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ДИАПАЗОНА
ОЧЕНЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ © 2011 г. А. А. Галахов, О. И. Ахметов
Полярный геофизический институт Кольского научного центра РАН Россия, 184209, Апатиты Мурманской обл., ул. Академгородок, 26a E-mail: galex@pgia.ru Поступила в редакцию 02.12.2010 г.
Комплекс аппаратуры для регистрации импульсной компоненты электромагнитного поля диапазона о.н.ч. (~0.6—8 кГц) предназначен для непрерывной регистрации в двух частотных диапазонах частоты появления и амплитуды атмосферных помех, вызванных молниевой активностью в атмосфере Земли, при одновременном контроле спектрального состава шумового фона в месте наблюдения. Основой прибора являются современные программируемые цифровые и аналоговые интегральные схемы, что обеспечивает низкое потребление энергии, компактность и большую гибкость при изменении конфигурации приемного тракта.
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на большой объем исследований по изучению атмосферного электричества, глубокого понимания физических процессов формирования глобальной электрической цепи (г.э.ц.), особенно в области высоких широт, до сих пор не достигнуто. Многие авторы рассматривают одним из главных звеньев г.э.ц. глобальный грозовой генератор, который действует за счет молниевой активности и является одним из основных источников естественного шумового электромагнитного поля в широком диапазоне частот [1].
Для изучения статистических свойств радиошумов (в частности, их импульсной компоненты) в зависимости от солнечной активности, геомагнитной возмущенности, сезона, времени суток в лаборатории "Атмосфера Арктики" Полярного геофизического института КНЦ РАН был разработан комплекс аппаратуры, состоящий из двух одинаковых комплектов для приема сигналов в диапазоне о.н.ч. (0.6—8.0 кГц) с двух ортогональных направлений. В состав комплекта входят выносной приемник с рамочной антенной, регистратор атмосфериков, последовательный анализатор спектра.
Данный комплект аппаратуры позволяет не только регистрировать атмосферики в двух фиксированных частотных каналах, но и записывать их, последовательно меняя частоту канала в пределах выбранного диапазона.
Появление на российском рынке программируемых аналоговых интегральных схем (п.а.и.с.) фирмы Апа^ш позволило создавать различного
рода геофизическую аппаратуру, где используется аналоговая обработка сигнала, причем ее параметры можно изменять в реальном времени. В нашем случае это особенно важно, так как в зависимости от электромагнитной обстановки (наличия промышленных помех) в точке расположения антенны приходится корректировать как частотный диапазон приемника, так и выбор частотных каналов регистратора атмосфериков.
ПРИЕМНИК ДИАПАЗОНА О.Н.Ч.
Приемник, схема которого представлена на рис. 1, состоит из симметричного входного мало-шумящего усилителя №М4556АЬ, работающего в режиме преобразователя тока в напряжение (Кус= = 900, V = 100 нВ/Гц1/2, Явх = 68 Ом), и последовательно соединенных звеньев фильтров низких (ф.н.ч.) и высоких (ф.в.ч.) частот, формирующих частотный диапазон приемника. Оба фильтра (ф.н.ч. и ф.в.ч.) построены на п.а.и.с. ¥РЛЛ1 и ¥РЛЛ2 (АЫ120Б04). Применение п.а.и.с. дает возможность программно изменять полосу приемника в зависимости от электромагнитной обстановки в точке приема. На выходе приемника установлен каскад (АЭ8132) с дифференциальным выходом для передачи сигнала по симметричной линии.
Для программирования п.а.и.с. использована специализированная программная среда Апа^^Эаз^пей, в состав которой также входит система Апа^шБШег для конструирования фильтров. Для этого достаточно ввести основные характеристики фильтра: тип, частоту среза, затухание вне полосы пропускания. Режим симуляции
Рис. 1. Принципиальная схема приемника.
и наличие виртуального осциллографа в данной среде позволяет получить выходные характеристики фильтров, рассчитанных по заданным параметрам. Фильтры приемника о.н.ч. рассчитаны с использованием аппроксимации Баттерворта. Импульсная характеристика приемника представлена на рис. 2.
Файл конфигурации, скомпилированный при помощи Лпаё1§шВе81§пег2, является основной частью программы микроконтроллера РГС18Р452, который загружается через его SPI-порт в ¥РЛЛХ и ¥РЛЛ2.
В качестве антенны используется рамочная антенна с параметрами: ^экв = 45 м2 х 14 витков =
= 630 м2, Яа = 20 Ом. Для калибровки всего приемного тракта может быть использован метод [2], который заключается в создании при помощи калибровочной катушки электромагнитного потока известной величины, пронизывающего площадь рамки, и измерении напряжения сигнала на выходе приемника.
РЕГИСТРАТОР АТМОСФЕРИКОВ
Атмосферики — это сигналы в виде электромагнитных импульсов, источником которых являются молниевые разряды, амплитуда их может варьироваться в диапазоне более 40 дБ [1]. Мак-
симальная мощность спектра атмосфериков лежит в области частот от нескольких сотен герц до десятков килогерц [1]. Функциональная схема регистратора атмосфериков представлена на рис. 3. Регистрация атмосфериков ведется в двух характерных частотных каналах (600 Гц, 6 кГц), схемы построения которых идентичны.
Алгоритм аналоговой обработки широкополосного сигнала для регистрации атмосфериков основан на том, что атмосферики представляют собой импульсы длительностью несколько миллисекунд и частотой повторения не более 30 Гц на фоне более длительных естественных излучений, какими могут являться шипения, хоры, свисты [1]. В данном проекте использованы следующие аналоговые модули в каждом FPAAl 2 (AN221E04): FilterBiquad1, RectifierFilter1, HoldVoltageControlled1, GainHold1, GainSwitch1, GainLimiter1, Comparator1.
Амплитудным дискриминатором атмосфери-ков является компаратор (Comparator1), входы которого подключены к детекторам, имеющим различные соотношения времени заряда Tch и разряда Tdig. Минимальные детекторы MinDx и MinD2, подключенные к выходу детектора (RectifierFilter1, шины 8, 10), имеют постоянные времени Tch >> >> Tdig. Благодаря логической операции ИЛИ (OR3) амплитуды сигнала фиксируются одновременно в обоих каналах в у.в.х. — устройстве выборки—хранения (HoldVoltageControlled1) в моменты срабатывания компаратора в одном из каналов. После каждого считывания происходит сброс в нуль у.в.х. (шина 4). Выходы у.в.х. соединены с коммутатором аналого-цифрового преобразователя (а.ц.п.) PIC-контроллера (шины 12, 13). Связь с компьютером осуществляется по протоколу обмена RS233 или USB.
Узлом синхронизации и управления регистратора атмосфериков является Flash-микрокон-троллер PIC18F452, который выполняет следующие функции:
— формирование тактовой частоты 16 МГц для п.а.и.с. (шина 4);
— загрузка файла конфигурации в п.а.и.с. через последовательный интерфейс SPI (шины 21, 22);
— управление загрузкой конфигурации (шины 15, 16, 17, 18, 19);
— двухканальный 10-разрядный а.ц.п. (шины 12, 13);
— последовательный интерфейс USART (шина 14).
Редактирование и запись программы в память микроконтроллера осуществляются через программную среду MPLAB ID2 при помощи программатора MPLAB ICD2.
Амплитуда, мВ 1.5
1.0
0.5 0
0 2 4 6 8 10
Время, мс
Рис. 2. Импульсная характеристика приемника о.н.ч.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ анализатор СПЕКТРА
Последовательный анализатор спектра, функциональная схема которого представлена на рис. 4, построен на основе двух программируемых микросхемах: логической — п.л.и.с. PIC18F452 и аналоговой — п.а.и.с. AN221E04. Такое сочетание микросхем позволяет программным способом изменять все его характеристики.
Ниже приведены параметры анализатора спектра для записи огибающей составляющих спектра:
— диапазон анализируемых частот 0.5—8.0 кГц;
— параметры фильтра: F^ = 20 кГц, Q = 40;
— количество анализируемых частот — 15, шаг — 500 Гц;
— число измерений на каждой частоте — 512;
— время анализа ~15 с;
— разрядность а.ц.п. - 10, COM/USB.
Для создания данного проекта также была использована программная среда AnadigmDesigner2, с помощью которой были выбраны необходимые модули (FilterBilinear1, FilterBilinear2, OscillatorSine2, Multiplier1, FilterBiquad1, RectifierFilter1) из библиотеки и установлены их параметры, скомпилирован файл конфигурации, который стал составной частью программы PIC-контроллера.
Следует отметить, что в этом проекте был использован режим динамической реконфигурации п.а.и.с., который позволяет изменять как его функциональную структуру, так и параметр модуля в реальном времени в работающем устройстве. Данный
AN221E04
йвБ>
. -G = Ф1 n2
п11
n9
Z-
Ф
Ф1
1 select Ф2
Ф1
n
G1 Ф1
G2
0 mV
03
04
ACTIV1
FPAA1 (f = 6 кГц)
Input signal
AN221E04
: —J--
11 01
G
G
Ф1 n2
I
n1
nil
■i- ■■""' [sample
n9
n8
n
—Ы—1
n
n10
п12
n5
А-Ф nJ
P
Ф1 Ф2
Ф1 Ф1
fezrC
select G1 Ф1 G
0 mV
04
ACTIV1 16
SC1b 17
PORb 18
DCLK 22
*fer
БШ
ACLK
FPAA2 (f = 6 кГц)
14
ICL232
T1in T1out
RS232
14
CONVERTER
USB/RS
12
15
SC1b 19
PORb 18
DCLK 22
DIN 21
ACLK 20
13
21
20
10
12
13
13
i6 МГц
14
10
PC
PIC18F452
RA0 RA1
OSC1
OSC2
RB6 RB7 Л
\Z
MPLAB
MinD1 Tch >> Tdig
MinD2 Tch >> Tdig
OR,
OR2
OR3
RD0 19 15
RD1 20 16
RD2 21 17
RD3 22 18
RD4 27 19
RD6 RB0 29 4
33 7
RC3 18 22
RC5 24 21
RC6 25 14
Рис. 3. Функциональная схема регистратора атмосфериков.
6
12
2
n8
3
9
01
42
27
39
5
40
37
07
8
4
08
38
03
9
8
2
Z
11
3
2
4
5
6
27
3
4
40 37
07
4
3
7
38
5
11
режим применен к модулю О8с111а1огё1пе2, частоту которого необходимо менять 15 раз в течение одного цикла.
Схемой управления и синхронизации анализатора спектра является микроконтроллер Р1С18Б452, который выполняет следующие функции:
— формирование тактовой частоты 16 МГц для п.а.и.с. (шина 4);
— загрузка конфигурации через последовательный интерфейс SPI (шины 8, 9);
— управление загрузкой конфигурации (шины 5—7);
— установка количества измерений на каждой
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.