научная статья по теме КОМПЛЕКС АППАРАТУРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСНОЙ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ДИАПАЗОНА ОЧЕНЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ Физика

Текст научной статьи на тему «КОМПЛЕКС АППАРАТУРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСНОЙ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ДИАПАЗОНА ОЧЕНЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ»

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.

Показать целиком