Об отсчете показаний стрелочных приборов

воскресенье, 2 сентября 2012 г.



Отсчет показаний СИ - фиксация значения величины или числа по показывающему устройству средства измерений в заданный момент времени РМГ 29-99 Метрология. Термины и определения
Стрелка прибора показывает значение, находящееся между двумя делениями шкалы, например между 21 и 22. Имеет ли право оператор поделить это расстояние «на глаз» и приписать значение, скажем 21,3? Или необходимо округлять до целого?
Из вопросов на «Главном форуме метрологов»

Ранее мне казалось (точнее, я просто был уверен в этом), что вопрос, приведенный в качестве эпиграфа к настоящей статье, не имеет смысла, но, анализируя многочисленные источники, обнаружил, что не все так однозначно, т.к. в литературе содержится множество противоречивых рекомендаций.
Начну с РМГ 29-99 [1], в которых под отсчетом показаний средства измерений (СИ) понимается «фиксация значения величины или числа по показывающему устройству средства измерений в заданный момент времени».
В тех же РМГ 29-99 приведен пример: «зафиксированное в данный момент времени по табло бытового электрического счетчика значение, равное 505,9 кВт-ч, является отсчетом его показаний на этот момент». Здесь все просто, т.к. отсчет показаний осуществляется с помощью цифрового отсчетного устройства.
Как же правильно получить отсчет со шкалы стрелочного измерительного прибора (а также линейки, ардометра и подобных СИ)?
Вот, например, как этот вопрос освещен в одном из учебников [2]: «...при отсчете показаний стрелочных приборов такие погрешности могут быть значительными из-за неправильного отсчета десятых долей деления шкалы, асимметрии, возникающей при установке штриха посередине между двумя рисками, и т.п. Например, погрешности, которые делает экспериментатор при оценивании десятых долей деления шкалы прибора, могут достигать 0,1 деления. Эти погрешности проявляются в том, что для разных десятых долей деления разным экспериментаторам свойственны различные частоты оценок, причем каждый экспериментатор сохраняет присущее ему распределение в течение длительного времени. Так, один экспериментатор чаще, чем следует, относит показания к линиям, образующим края деления, и к значению 0,5 деления. Другой - к значениям 0,4 и 0,6 деления. Третий предпочитает значения 0,2 и 0,8 деления и т.д. В целом, имея в виду случайного экспериментатора, распределение погрешностей отсчитывания десятых долей деления можно считать равномерным с границами ±0,1 деления».
А в другом учебнике (по психологии труда!) [3], ссылаясь на диссертационные исследования [4], автор отмечает: «Специалист сталкивается со следующей ситуацией: когда рабочий пользуется стрелочным измерительным прибором высокой точности (так называемым прецизионным прибором), то субъективная погрешность отсчета (неточное считывание показаний прибора) имеет существенное отрицательное значение для производства. При отсчете показаний по шкале такого прибора рабочий (оператор) должен «на глаз» оценивать десятые доли расстояния между двумя соседними штрихами шкалы. Если деления можно подсчитать, то для ориентировки в ненанесенных на шкале долях деления (а наносить их уже некуда - штрихам уже слишком тесно) нужны какие-то другие средства. Проведя исследования, специалист [4] предложил средство для формирования у оператора навыка точного считывания показаний прибора, сводящееся к следующему: оператор некоторое время тренируется с набором карточек, на каждой из которых изображено то или иное положение стрелки между линиями (0,1; 0,2; 0,3 и т.д.). После тренировок по специальной системе (карточки предъявляются в случайном порядке и каждый раз оператору сообщается истинное значение видимого положения стрелки) все операторы стали производить считывание с более высокой, чем прежде, точностью».
Таким образом, получается, что ценой длительных тренировок можно произвести отсчет показаний с разрешением в 0,1 цены деления шкалы стрелочного прибора.
Далее, определимся, есть ли в этом смысл. А пока приведу выдержки из некоторых нормативных документов (разумеется, есть и другие), в которых установлено именно это требование. 
Так, в пункте 2.2 МИ 2145-91 [5], регламентирующем поверку манометров и вакуумметров деформационных, записано: «Отсчитывание показаний необходимо проводить по поверяемому прибору с абсолютной погрешностью, не превышающей 0,1 цены деления шкалы...». Зачем спрашивается отсчитывать показания с погрешностью 0,04 % при классе точности 0,4?
Аналогичные требования приведены и в пункте 5.7.2.8 Р 50.2.041-2004 [6], регламентирующим поверку ареометров стеклянных: «Если при снятии показаний наблюдаемая линия мениска (его нижний или верхний край) совпадает с одним из штрихов шкалы, то его показание соответствует значению этого штриха. В том случае, если эта линия лежит между двумя штрихами, то видимую часть деления отсчитывают визуально в десятых долях наименьшего деления шкалы по сравнению с соседними и выражают в долях единицы измерений шкалы плотностей (концентраций)». При этом следует помнить, что поверитель должен смотреть на ареометр, который находится в термостате (т.е. в стеклянном сосуде), плавает вжидкости, которая перемешивается, а термостат находится в вытяжном шкафу. Получается, что поверитель смотрит на шкалу ареометра через 4 стекла - ареометра, стеклянного сосуда, стекла вытяжки и лупу (а, может еще и через пятое стекло - через очки!) - не много ли?! Кроме того, учитывая, что жидкость перемешивается (да еще и с пузырьками), а ареометр так и норовит прикоснуться к стенке стеклянного сосуда, как в таких условиях поверитель может зафиксировать значение величины в десятых долях цены деления шкалы?
Да и к чему такие титанические усилия, если пределы погрешности СИ соизмеримы с ценой деления?! Тем более что при поверке стрелочных приборов более удобным является способ, при котором стрелочный указатель поверяемого прибора совмещают с проверяемой отметкой шкалы (рис. 1, а), а погрешность определяют расчетным путем как разность показаний поверяемого прибора и эталона, шкала которого обычно имеет большее число делений (рис. 1, б) [7].
непосредственное сличение
Оставим теперь поверку в стороне и вернемся к исходному вопросу: имеет ли право оператор интерполировать расстояние между делениями шкалы стрелочного прибора «на глаз» или должен округлять зафиксированный отсчет до целого?
Вспомним правила округления [8], одно из которых гласит: «результат измерения округляется до того же десятичного разряда, которым оканчивается округленное значение абсолютной погрешности».
Отсюда следует, что для однозначного ответа   на вопрос, поставленный эпиграфом настоящей статьи, необходимо знать еще и пределы погрешности, регламентированные для СИ, с помощью которого получен отсчет.
Так, если пределы погрешности составляют ±1 цены деления шкалы, то и отсчет должен быть получен с округлением до единиц цены деления шкалы. Если же пределы погрешности составляют меньше цены деления шкалы, то отсчет должен быть получен с округлением «до того же десятичного разряда, которым оканчивается округленное значение абсолютной погрешности», т.е. до долей цены деления шкалы. Например, если пределы погрешности измерительной линейки составляют 0,5 мм, то и отсчет должен быть получен с округлением до 0,5 мм (рис. 2).
измерение линейкой
А как быть, если пределы погрешности СИ составляют, скажем, ±0,3 цены деления шкалы? Как в этом случае зафиксировать отсчет показаний СИ? Какой погрешностью округления можно пренебречь?
Для ответа на этот вопрос воспользуемся так называемым «критерием ничтожной погрешности» [10], в соответствии с которым «группа погрешностей отбрасывается, если их сумма меньше одной трети максимальной погрешности». В соответствии с этим критерием в последнем примере можно пренебречь погрешностью округления всего ±0,1 цены деления шкалы. Но такие случаи встречаются чрезвычайно редко.

Posted by Автор: mp3user на 14:21
Categories:
0 коммент.  

Чем заменить Arduino?

среда, 29 августа 2012 г.



Как известно, конкуренция среди производителей микроконтроллеров весьма высока. Каждый старается завлечь потребителей низкой ценой и расширенным функционалом своих камней.

Компания Texas Instruments, для продвижения в массы своих контроллеров MSP430, предлагает дешевую ($4.30) отладочную плату LaunchPad (MSP-EXP430G2). Внешне она напоминает Arduino, но, естественно, с ней не совместима. В комплекте с платой щедрые техасцы кладут сразу два своих микроконтроллера серии Value Line в DIP-корпусах: msp430g2553 и msp430g2452.

LaunchPad

Конечно эти контроллеры достаточно спартанские в плане имеющейся на борту периферии (например, по сравнению с теми же AVR в Arduino), но, зато MSP430 являются одними из лидеров среди микроконтроллеров в плане энергосбережения. Именно низкое потребление энергии было коньком MSP430, когда TI впервые выпустила их на рынок в 1999 году.

В качестве IDE для своих контроллеров TI предлагает Code Composer Studio (основана на Eclipse) и IAR Embedded Workbench KickStart. Обе среды разработки имеют бесплатные версии для загрузки.

С недавних пор появилась еще одна IDE — Energia. Это форк среды разработки Arduino для контроллеров MSP430.

Основное окно Energia

Пока программа поддерживает только три контроллера: msp430g2231, msp430g2452 и msp430g2553.

Выбор контроллера

Программирование в Energia ничем не отличается от такового в среде Arduino. Для людей, освоивших Processing/Wiring в Arduino, переход на более дешевый LaunchPad будет незаметным.

Загрузка скетча в контроллер

Имея такую простую в освоении для новичков среду разработки как Energia и раздавая свой LaunchPad практически даром (всего лишь за $4.30 включая бесплатную доставку FedEx'ом по всему миру), Texas Instruments может составить неплохую конкуренцию Arduino (например 1290 руб. на Амперке).

Ссылки:

Texas Instruments LaunchPad MSP-EXP430G2
Почитать Wiki
Посетить сайт
Посмотреть примеры использования в реальных проектах
Обзор на Хабре
Заказать себе!

Energia
Загрузить (доступны версии для Windows и Mac OS X)
Почитать Wiki
Поучаствовать в форуме

Posted by Автор: mp3user на 12:06
Categories:
0 коммент.  

Управление розеткой


В этой статье я хочу рассказать о моем опыте создании управляемой розетки. Не GSM(это всем надоело, да и слишком просто — читай sms да дергай пинами), а управляемой через браузер, с помощью кнопочек на HTML-страничке.

Итак, какой же путь должен проделать сигнал, чтоб включить чайник?
Нажатие кнопки на странице -> переход по ссылке и отработка web-сервера -> выполнение CGI скрипта -> передача команды по UART контроллеру -> появление напряжение на пине -> срабатывание реле, которое включает чайник.

Рассмотрим все по порядку.

Хотя нет, начнем с обратного конца — контроллера.

Физический уровень — дергаем пины.


Под эту роль удачно подвернулась техасовская плата с MSP430.
Под нее была написана прошивка в их среде Energia, которая является переработанным под другой контроллер редактором скетчей Arduino. Да, радуйтесь — код совместим с ардуйней, и будет работать точно так же. Выглядит вот так:



Весь код можно посмотреть вот тут. Осторожно, там немного быдлокода.

А про кусочек я сейчас расскажу:

byte inByte = 0;  //Байт для данных из UART
int status[12]; // Для статуса пинов
 
void setup() {
Serial.begin(9600);// Конфигурируем UART
pinMode(RED_LED, OUTPUT);// Конфигурируем пины на выход
pinMode(6, OUTPUT);} 

if (Serial.available() > 0) { //Как только на входе появится байт и пока они не закончатся,
inByte = Serial.read(); // запихиваем их в эту переменную, 
    switch (inByte){  // и делаем что нибудь, в зависимости от них:
      case 's':  // если пришел "s", то
          Serial.print("RED_LED:");  // показываем статистику,
          Serial.println(status[10]); // какой из портов включен, а какой выключен
      break;
     case 'r':  //а если название порта, 
        if (status[10] == 0)        { // то проверяем статус, и в зависимости от него,
          digitalWrite(RED_LED, HIGH); // либо зажигаем
          status[10] = 1;        }  // (не забыв поменять статус)
        else        { 
        digitalWrite(RED_LED, LOW); // либо гасим
        status[10] = 0;        } // (тоже не забыл поменять статус)
        break; 
}              
}
}


Сообственно, он весь состоит из этого (честно говоря, я в первый раз вижу код для arduino и сам редактор кода тоже), и мне лень было разбираться с чем-то сложнее case.
Управляется он 14 байтами, выраженными для удобства в символах: 123456789nfrgs
132456789 — включают, а при повторной посылке выключают пин.
n — включает все пины (от ON)
f — выключает все пины (от OFF)
s — показывает, что включено, а что нет (от STAT)
g — включает или выключает зеленый светодиод (GREEN)
r — красный светодиод… Ну вы поняли.
В одной посылке можно комбинировать несколько символов, скажем rgs1 — включит оба светодиода, покажет информацию, а потом подаст напряжение на первый пин.

Красноглазим


В загашниках нашел шнурок от чего-то, с контроллером CP2101, который был незамедлительно подключен к плате. Легким движением в гугле был найден драйвер...
Нет, я вру. Придется рассказать про компьютер.
У меня есть несколько вот таких одноплатных компьютеров, с ARM-процессором A10, и Android на борту.



Можно было запустить и Linux, но я не стал этого делать — я на нем еще фильмы смотрю, а в Androide это делать удобнее. Пришлось битые 4 часа ковыряться то в выдаче гугла, то в потрохах системы, пробуя собрать хоть какой-нибудь модуль для USB-UART конвертера. Когда я уже почти сдался, наткнулся на блог моего спасителя, в котором он выложил два модуля для Android на A10 (он смог собрать, в отличии от меня), кои были немедленно загружены(insmod cp210x.ko). После чего я перевернул вверх дном все мои коробки с барахлом, но нашел шнурок именно с конвертером CP2101.

Втыкаем его в USB, с замиранием сердца делаем ls /dev, и вожделенный /dev/ttyUSB0 появляется в системе!
Далее последовал секс интересный час, который я провел, выясняя как правильно инициализировать устройство, чтоб на него слать байты. Не буду мучать читателей, и расскажу сразу:
stty -F /dev/ttyUSB0 9600 — инициализируеут порт. лучше выполнять при каждом обрацении, мало ли. вдруг между посылками вы шнурок вытащите.
/system/bin/echo «r» >/dev/ttyUSB0 — отправляет байт в порт.
А контроллер его принимает, и включает порт, на котором висит красный светодиод.

Веб и CGI


Добрые люди подсказали мне, как с уровня консоли перенестись на уровень браузера. Делюсь этим сакральным знанием и с вами:
1) Нужен Busybox и SSH сервер. Впрочем, если вы хотите набирать скрипты на самом устройстве, можно оботись и эмулятором терминала.
2) Создаем каталог, в который складываем файлы:
http.cfg — конфигурация веб-сервера, которая, состоит из одной строчки: *.html:/system/bin/sh, которая означает, что все html-файлы надо выполнять интерпритатором sh, а не просто отдавать пользователю.
Скрипт, назвовем его, например starthttpd, в котором тоже будет немного строк:
insmod /sdcard/www/cp210x.ko >/dev/null 2>&1 — строчка, которая загружает в ядро драйвер конвертера(чтоб не делать это каждый раз вручную), и не ругается, если он там есть.
httpd -p12 -h /sdcard/www -c /sdcard/www/http.cfg — запускает сервер на порту 12(кто то занял 80), с корневой папкой /sdcard/www, и конфигом, который мы сделали ранее.
и, наконец, сердце — index.html:

#!/bin/sh
stty -F /dev/ttyUSB0 9600 #конфигурируем порт
/system/bin/echo $QUERY_STRING >/dev/ttyUSB0 #плюемся в порт  символами, которые нам передали GET-ом.
echo "Content-type: text/html"
echo ""
echo "<html><header></header><body>"
echo "<input type=\"button\" value=\"RED_LED\" onclick=\"location.href='?r'\" />" #делаем кнопки, которые передают тот самый параметр(href='?r')
echo "<input type=\"button\" value=\"GREEN_LED\" onclick=\"location.href='?g'\" /><p>"
echo "<input type=\"button\" value=\"PIN_1.4\" onclick=\"location.href='?1'\" />"
echo "<input type=\"button\" value=\"PIN_1.5\" onclick=\"location.href='?2'\" /><p>"
echo "<input type=\"button\" value=\"PIN_1.7\" onclick=\"location.href='?9'\" />"
echo "<input type=\"button\" value=\"PIN_2.0\" onclick=\"location.href='?3'\" /><p>"
echo "<input type=\"button\" value=\"PIN_2.1\" onclick=\"location.href='?4'\" />"
echo "<input type=\"button\" value=\"PIN_2.2\" onclick=\"location.href='?5'\" /><p>"
echo "<input type=\"button\" value=\"PIN_2.3\" onclick=\"location.href='?6'\" />"
echo "<input type=\"button\" value=\"PIN_2.4\" onclick=\"location.href='?7'\" /><p>"
echo "<input type=\"button\" value=\"PIN_2.5\" onclick=\"location.href='?8'\" /><p>"
echo "<input type=\"button\" value=\"ON_ALL\" onclick=\"location.href='?n'\" />"
echo "<input type=\"button\" value=\"OFF_ALL\" onclick=\"location.href='?f'\" /><p>"
echo "</font></pre>"
echo "</body></html>"


Получаем вот такую менюшку с кнопочками:


Осталось убрать со стола мусор, и соединить все вместе:



Вот небольшое видео результата:



Конечно, сфера применения не ограничивается цветомузыкой. Добавляем реле на 5в, и получаем 9 управляемых удаленно(!) с компьютера выходов, которые могут рулить чем угодно — от лампочек в туалете и света в офисе до кондиционеров и силовых щитков.

А еще можно пробросить ssh на сервер, и делать все тоже самое, но из любого места, где есть интернет.

Posted by Автор: mp3user на 12:04
Categories:
0 коммент.  

пятница, 1 июня 2012 г.



Рано или поздно любой начинающий электронщик, если не бросит свои эксперименты, то дорастет до схем, где нужно отслеживать не просто токи и напряжения, а работу схемы в динамике. Особенно это часто нужно в различных генераторах и импульсных устройствах. Вот тут без осциллографа делать нечего!
Страшный прибор, да? Куча ручек, каких то кнопочек, да еще экран и нифига не понятно что тут да зачем. Ничего, сейчас исправим. Сейчас я тебе расскажу как пользоваться осциллографом.
 
На самом деле тут все просто — осциллограф, грубо говоря, это всего лишь… вольтметр! Только хитрый, способный показывать изменение формы замеряемого напряжения.


Как всегда, поясню на отвлеченном примере.
Представь, что ты стоишь перед железной дорогой, а мимо тебя с бешеной скоростью мчится бесконечный поезд состоящий из совершенно одинаковых вагонов. Если просто на них стоять и смотреть, то ничего кроме размытой фигни ты не увидишь.
А теперь ставим перед тобой стенку с окошком. И начинаем открывать окошко только тогда, когда очередной вагон будет в том же положении, что и предыдущий. Так как у нас вагоны все одинаковые, то тебе совершенно необязательно видеть один и тот же вагон. В результате картинки разных, но идентичных вагонов будут выскакивать перед твоими глазами в одном и том же положении, а значит картинка как бы остановится. Главное это синхронизировать открытие окошка со скоростью поезда, чтобы при открытии положение вагона не менялось. Если скорость не совпадет, то вагоны будут «двигаться» либо вперед, либо назад со скоростью, зависящую от степени рассинхронизации.
 
На этом же принципе построен стробоскоп — девайс, позволяющий разглядывать быстро движущиеся или вращающиеся хреновины. Там тоже шторка быстро-быстро открывается и закрывается.
 
Так вот, осциллограф это тот же стробоскоп, только электронный. А показывает он не вагоны, а периодические изменения напряжения. У той же синусоиды, например, каждый следующий период похож на предыдущий, так почему бы не «остановить» его, показывая в один момент времени один период.
 
Конструкция
Делается это посредством лучевой трубки, отклоняющей системы и генератора развертки.
В лучевой трубке пучок электронов попадая на экран заставляет светится люминофор, а пластины отклоняющей системы позволяют гонять этот пучок по всей поверхности экрана. Чем сильней напряжение, приложенное к электродам, тем больше отклоняется пучок. Подавая на пластины Хпилообразное напряжение мы создаем развертку. То есть луч у нас движется слева-направо, а потом резко возвращается обратно и продолжает снова. А на пластины Y мы подаем изучаемое напряжение.
 
Принцип работы
Дальше все просто, если начало появления периода пилы (луч в крайне левом положении) и начало периода сигнала совпадают, то за один проход развертки нарисуется один или несколько периодов измеряемого сигнала и картинка как бы остановится. Меняя скорость развертки можно добиться того, что на экране вообще останется только один период — то есть за один период пилы пройдет один период измеряемого сигнала.
Развертка осциллографа во времени
Развертка осциллографа во времени
 
Синхронизация
Синхронизировать пилу с сигналом можно либо вручную, подстраивая ручкой скорость так, чтобы синусоида остановилась, а можно по уровню. То есть мы указываем при каком уровне напряжения на входе нужно запустить генератор развертки. Как только напряжение на входе превысит уровень, так сразу же запустится генератор развертки и выдаст нам импульс.
В итоге, генератор развертки выдает пилу только тогда, когда надо. В этом случае синхронизация получается полностью автоматической. При выборе уровня следует учитывать такой фактор, как помехи. Так что если взять слишком низкий уровень, то мелкие иголки помех могут запустить генератор когда не нужно, а если взять уровень слишком большой, то сигнал может под ним пройти и ничего не случится. Но тут проще покрутить ручку самому и сразу же все станет понятно.
Также сигнал синхронизации можно подать и с внешнего источника.
Синхронизация по уровню
Синхронизация по уровню

В топку теорию, переходим к практике.
Показывать буду на примере своего осциллографа, спертого когда то давно с оборонного предприятия КБ «Ротор» :). Обычный осцил, не шибко навороченный, но надежный и простой как кувалда.
 
Мой верный осциллограф
Мой верный осциллограф
 
Итак:
Яркость, фокус и освещение шкалы думаю не требуют пояснений. Это настройки интерфейса.
 
Усилитель У и стрелочки вверх вниз. Эта ручка позволяет гонять изображение сигнала вверх или вниз. Добавляя ему дополнительное смещение. Зачем? Да иногда не хватает размера экрана, чтобы вместить весь сигнал. Приходится его загонять вниз, принимая за ноль не середину, а нижнюю границу.
 
Ниже идет тумблер переключающий ввод с прямого, на емкостный. Этот тумблер в том или ином виде есть на всех без исключения осциллографах.
Режимы работы входа.

Важная вещь! Позволяет подключать сигнал к усилителю либо напрямую, либо через конденсатор. Если подключить напрямую, то пройдет и постоянная составляющая и переменная. А через кондер проходит только переменная.

Например, надо нам посмотреть на уровень помех блока питания компа. Напряжение там 12 вольт, а величина помех может быть не более 0.3 вольт. На фоне 12 вольт эти жалкие 0.3 вольт будут совсем незаметны. Можно, конечно увеличивать коэффициент усиления по Y, но тогда график вылезет за экран, а смещения по Y не хватит, чтобы увидеть вершину. Тогда нам нужно лишь врубить конденсатор и тогда те 12 вольт постоянки осядут на нем, а в осциллограф пройдет только переменный сигнал, те самые 0.3 вольта помехи. Которые можно усилить и разглядеть в полный рост.
 
Далее идет коаксиальный разъем подключения щупа. Каждый щуп содержит в себе сигнал и землю. Землю обычно сажают на минус или на общий провод схемы, а сигнальным тычут по схеме. Осциллограф показывает напряжение на щупе относительно общего провода. Чтобы понять где сигнальный, а где земля достаточно взять за них рукой по очереди. Если возьмешься за общий, то на экране по прежнему будет пульс трупа. А если взяться за сигнальный, то увидишь кучу срача на экране — наводки на твое тело, служащее в данный момент антенной. На некторых щупах, особенно на современных осциллографах, внутри встроен делитель напряжения 1:10 или 1:100, который позволяет воткнуть осциллограф хоть в розетку, без риска его спалить. Включается и выключается он тумблером на щупе.
 
Еще почти на каждом осциллографе есть калибровочный выход. На котором ты всегда можешь найтипрямоугольный сигнал частотой 1Кгц и напряжением около полувольта. В зависимости от модели осцила. Используется для проверки работы самого осциллографа, ну иногда и в тестовых целях пригождается :)
 
Две здоровенные крутилки Усиление и Длительность
 
Усиление служит для масштабирования сигнала по оси Y. Там же показано сколько вольт на деление в итоге покажет.
Скажем, если у тебя стоит 2 вольта на деление, а сигнал на экране достигает высоты две клеточки размерной сетки, значит амплитуда сигнала равна 4 вольта.
 
Длительность определяет частоту развертки. Чем короче интервал, чем больше частота, тем более высокочастотный сигнал ты сможешь разглядеть. Тут клеточки проградуированы уже в милли и микросекундах. Так что по ширине сигнала ты можешь посчитать сколько он клеток, а умножив его на масштаб по оси Х получишь длительность сигнала в секундах. Также можно посчитать длительность одного периода, а зная длительность легко найти частоту сигнала f=1/t
Верхняя пипка на крутилках позволяет менять масштаб плавно. Обычно у меня она стоит на щелчке, чтобы я всегда четко знал какой у меня масштаб.
 
Также там есть вход Х на который можно подать свой сигнал, вместо пилы развертки. Таким образом осциллограф может послужить телевизором или монитором, если собрать схему которая будет формировать изображение.
 
Крутилка с надписью Развертка и стрелочками влево и вправо позволяет гонять график по экрану влево и вправо. Удобно иногда бывает, чтобы подогнать нужный участок под деления сетки.
 
Блок синхронизации.

Ручка уровня — задает уровень от которого будет стартовать генератор пилы.
Переключатель со внутренней на внешнюю, позволяет подать на вход синхроимпульсы с внешнего источника.
Переключатель с надписью +/- переключает полярность уровня. Есть не на всех осциллографах.
Ручка стабильность — позволяет вручную попытаться подобрать скорость синхронизации.
Быстрый старт.
Итак, включил ты осцил. Первое что нужно сделать это замкнуть сигнальный щуп на свой же земляной крокодил. При этом на экране должен появится «Пульс трупа». Если не появился, то покрути ручки стабилизации и смещений и уровня — возможно он просто спрятался за экран или не запустился из-за недостаточного уровня.
 
Как только появилась полоса, то выстави крутилками смещения её на ноль. Если у тебя аналоговый осцил, особенно если древний, то дай ему прогреться. У моего после включения ноль плавает еще минут пятнадцать.
 
Дальше выстави предел измерений по напряжению. Бери с запасом, если что уменьшишь. Теперь если земляной провод осциллографа приложишь к минусу батарейки, а сигнальный к плюсу, то увидишь как график скакнет на полтора вольта. Кстати, старые осциллографы зачастую начинают подвирать, поэтому по эталонному источнику напряжения полезно посмотреть насколько точно он отображает напряжение.
 
Выбор осциллографа.
Если ты только начал, то тебе подойдет любой. Крайне желательно если он будет двухканальным. То есть у него будет два щупа и две крутилки Усиления, для первого и второго канала, что позволяет одновременно получить два графика.
Вторым по важности критерием осциллографа является частота. Максимальная частота сигнала которую он может уловить. Мне пока хватало 1МГц на большее не замахивался. Те осциллографы, что продаются в магазинах уже имеют частоту от 10МГц и выше. Самый дешевый осциллограф который я видел стоил 5 тысяч рублей — ОСУ-10. Двухканальный стоит уже 10 тысяч, ну а янацелился взял себе цифровой RIGOL DS1042CD за килобакс. Разные запросы — разные игрушки. Но, повторюсь, для начала хватит и 1МГц, и хватит надолго. Так что найди себе хоть какой нибудь осциллограф. А там поймешь что тебе надо.

Posted by Автор: mp3user на 06:40
Categories:
0 коммент.  

Простая грозозащита для компьютеров и телевизоров

суббота, 12 мая 2012 г.


У великого русского поэта Тютчева не было компьютера и сети, иначе он бы не писал: «Люблю грозу в начале мая». В последние годы актуальность грозозащит стала поменьше — оптика, беспроводные технологии, но все же все же.
Если к вам в квартиру заходит кабель, и этот кабель — не оптический, гроза представляет угрозу для вашего оборудования.
Если у вас есть телевизор и он подключен к общей сети — кабельное ТВ, коллективная антенна (вдруг) — к чему угодно, что находится за пределами квартиры, гроза представляет угрозу для телевизора, (причем даже бОльшую, чем для компьютера).



Прежде чем говорить о защите от грозы (от молнии точнее), рассмотрим, с чем мы имеем дело. 
Всех интересующихся физикой и «радиотехникой» молнии: сила тока, напряжение, длительность, спектр и пр. отсылаю к фундаментальному исследованию советских ученых от 1939 года

Если вкратце, есть два объекта — облако и земля. 
Облако в процессе движения «трется» о другие облака и об потоки воздуха, при этом оно обменивается зарядами с тем, обо что трется — электризуется. 

Точно так же электризуется синтетический свитер, если его снимать через голову, искры, которые при этом трещат — самые настоящие молнии, той же природы, только маленькие.

Итак, облако набрало заряд, и его потенциал составляет несколько миллионов вольт. Тут есть нюанс: потенциал не существует сам по себе и измеряется относительно какого-то другого объекта, в данном случае земли.

Что такое земля с точки зрения электротехники? Это огромный проводник, фактически сферический конденсатор огромной емкости, который может в неограниченных количествах принимать и отдавать заряды. 
При этом за счет своих габаритов и емкости сколько ни закачай заряда в землю, сколько ни забери заряда из земли, ее потенциал практически не изменится.
Именно поэтому потенциал земли считается равным нулю, и от него отсчитывают другие потенциалы.

В пространстве под облаком образуется такое себе распределение потенциалов:

image

На любых проводах, находящихся на открытом пространстве под грозовым облаком, наводятся потенциалы в несколько тысяч Вольт и более. Несмотря на ужасающие цифры, опасности эта ситуация не влечет: 
Напряжение большое, но энергия, которую можно извлечь, определяется емкостью проводов относительно земли, а она мизерна.

Ситуция в корне меняется, если облако «замыкает» на землю, то бишь образуется молния. При этом происходит два явления, которые несут большую угрозу для оборудования.

Явление 1: излучение мощной электромагнитной волны.

Откуда берется волна? Молния — это фактически проводник, «столб» с током, причем этот ток резко меняется во времени. Любое изменение тока порождает электромагнитные волны, и молния тоже. Ток в молнии огромный, до сотен тысяч ампер, и электромагнитная волна получается очень мощной. 

В «электро»-«магнитной» волне есть электрическое и магнитное поле (КО). 
Куда они направлены? Электрическое поле — а именно оно нас интересует — направлено параллельно молнии.



В электрическом поле между любыми двумя точками существует разность потенциалов — напряжение, и это напряжение тем больше, чем больше расстояние между точками (ну и само собой тем больше, чем больше само поле).
Выражаясь по-русски, поле электромагнитной волны молнии наводит напряжения (нескольких видов) во всех железяках, которые встречаются на пути волны.

Какие именно напряжения?

Напряжение между проводами («противофазное»)



Как хорошо видно из рисунка, электрическое поле волны наводит в параллельных проводах напряжение, и это напряжение тем больше, чем больше расстояние между проводами.
Такое напряжение наводится во всех проводах, которые параллельны: воздушные линии электропередачи, телефонная лапша etc. Такое напряжение может попасть, например, в электросеть и вызвать кратковременный всплеск напряжения 220Вольт, или вывести из строя ADSL-модем (если по какой-то причине провод до модема идет по улице).
Однако в бытовых условиях это напряжение не очень велико за счет небольшого расстояния между проводами.
Именно для компенсации этого напряжения провода в витой паре свиты, и в магистральных телефонных кабелях — тоже. Как видно из рисунка, напряжения соседних «завивок» уничтожают друг друга, давая в сумме ноль (в идеале конечно, в реальности за счет многих факторов напряжение на витой паре при ударе молнии все же есть).



Как выглядит такое напряжение с точки зрения компьютера? Так, как будто ему в разъем сетевой карты резко воткнули вместо небольшого (менее 1 Вольт) сигнала несущей Ethernet источник со значительно бОльшим напряжением. 

Итак, угроза номер 1: противофазные напряжения в линии связи при ударе молнии.

Напряжение на обоих проводах относительно земли («синфазное»)

Повторимся: напряжение между проводниками в поле волны тем больше, чем больше расстояние между проводниками. Но помимо проводов в линии связи, есть еще два проводника: сама линия связи и земля. Расстояние между ними много больше, чем расстояние между проводами в кабеле, значит, и напряжение между линией и землей тоже намного больше.



Как выглядит такое напряжение с точки зрения компьютера? Так, как будто соединили все провода в линии связи и подключили, допустим, к "+" источника напряжения. "-" этого источника подключен к земле.

«Да, но ведь наш компьютер не подключен к заземлению, и потенциал на линии относительно земли нам не страшен» — скажете вы, и представите вот такую картинку: 



А откуда такой оптимизм, что компьютер не подключен к земле? «Подключен к земле» не означает, что из компьютера выходит толстая шина заземления, это означает, что между землей и компьютером есть какая-то электрическая цепь.

Есть ли такая цепь? Зачастую да.

В БП обычного системного блока никаких деталей между общим проводом компьютера (черный который) и «горячей» частью БП (которая в розетку включается) никаких деталей нет.

А в некоторых блоках питания мониторов и ноутбуков между землей компьютера и землей горячей части БП установлен конденсатор, назначение — подавление импульсных помех. Фактически через этот конденсатор ваш компьютер имеет прекрасное заземление для импульсных напряжений, в том числе и возникающих при ударе молнии.
«Стоп», опять скажете вы. «Блок питания разве заземлен?»
Да, поскольку в розетке есть ноль и фаза. Ноль бытовой сети 220 Вольт подключен к заземлению в обязательном порядке.

Итак, исходите из того, что ваш компьютер заземлен по цепи 
общий провод компьютера -> общий провод монитора -> конденсатор в БП между горячей и холодной частью -> элементы горячей части БП монитора -> ноль сети -> земля
а ноутбук еще короче
общий провод схемы ноутбука -> конденсатор в БП между горячей и холодной частью -> элементы горячей части БП ноутбука -> ноль сети -> земля

А достаточно ли емкости этого конденсатора, чтобы представлять угрозу? Да. Обычно это несколько тысяч пикофарад, и если зарядить этот конденсатор до напряжения в несколько киловольт, его энергии вполне хватит для вывода схемы компьютера из строя.

Есть и другие варианты цепей, через которые компьютер может быть подключен к земле. 

Если у вас есть ТВ-тюнер и в него включен кабель от кабельного ТВ, ваш компьютер надежно заземлен по цепи: общий провод компьютера -> наружная часть разъема антенны -> оплетка антенного кабеля -> заземленная кабельная коробка в подъезде.

Если у вас есть CDMA-антенна на металлической мачте, вкопанной в землю, ваш компьютер надежно заземлен по цепи: оплетка кабеля -> траверса (несущая ось) антенны -> мачта -> земля.

Фактически упрощенная схема цепи выглядит так



Итак, угроза номер 2: синфазные напряжения в линии.

Явление 2. Растекание тока от молнии и связанное с этим изменение потенциала земли

Об угрозах номер 1 и 2 многократно писали. Но есть и еще одна угроза, которую обычно обходят вниманием, правда, она актуальна в том случае, если компьютер по-настоящему заземлен (ТВ-тюнер, антенна — см. выше) и особенно актуальна для телевизоров (немного ниже о ТВ отдельно).

Что такое «земля»? Третья планета Повторимся: главное электротехническое свойство земли — это способность неограниченно принимать заряды.
А что еще может принимать заряды? Любая железяка, любой проводник, любой кусок электрической схемы, выступая просто как проводник. Такая «псевдоземля», конечно, принимает намного меньше зарядов, просто в силу габаритов, емкости если хотите, но все же принимает.

Итак, ударила молния. В молнии протекает ток, переносятся заряды, всякие там электроны.
А куда они переносятся? В землю, куда ударила молния. 



В земле протекает ток, «растекаясь» вокруг места удара молнии. Потенциал земли вокруг места удара перестает быть нулевым, и если где-то рядом с ударом молнии находится ваше заземление, то его потенциал в момент удара резко возрастает, и через заземление в ваш компьютер или телевизор «затекают» из земли заряды от молнии.

А куда они дальше деваются? Для этих зарядов роль «земли» выполняет схема компьютера или телевизора, заряды растекаются в схеме, и через электронные узлы схемы протекают токи, которые могут привести к выходу этих узлов из строя.



Итак, при ударе молнии на компьютер/телевизор действуют сразу четыре поражающих фактора (оценка опасности субъективна и основана на ремонтном опыте):



Защита

Абстракция: защититься от потока можно двумя способами: закрыть поток или отвести его в другое русло.

Отвод потока энергии
Самый простой принцип грозозащиты: замкнуть или сбросить в землю лишнюю энергию, актуально для синфазных и противофазных напряжений.

Условная схема проста:



При превышении напряжения («провод-провод» или «провод-земля») пороговый элемент открывается и замыкает цепь.
Один из лучших вариантов пороговых элементов — газоразрядные приборы, самый простой вариант — обычная неонка.



Неонка — не лучший разрядник для таких целей: высокое внутреннее сопротивление, малая мощность рассеивания, да и вообще она не для этого.

Есть специализированные разрядники именно для защиты линий:



и грозозащита с таким разрядником



Варианты схем таких грозозащит в основном сводятся к тому, как посадить один дорогой разрядник на несколько линий и как еще добавить дополнительных защитных элементов (варисторы, искровые промежутки). 
В интернете есть масса и устройств в продаже, и схем для самореализации.

Есть ли смысл применять такие защиты? Конечно есть, и была масса ситуаций, когда они выручали. Цена вопроса — несколько долларов. 
Но обратим внимание вот на что:
1. Все защиты не касаются телевизоров и вообще заземленной техники (см. выше).
2. Все такие защиты оперируют с полной мощностью напряжений, наводимых в линии молнией, сбрасывая/замыкая часть ее.

Есть способ уменьшить мощность напряжений, наводимых в линии молнией.

Гальваническая развязка

В электротехнике и радиотехнике есть понятие «гальваническая развязка» — когда то, что нужно, передается, при этом электрической связи между передающей и принимающей частью нет.

Самый простой пример — трансформатор. Как он работает? Одна обмотка перемагничивает магнитопровод, за счет этого перемагничивания возникает напряжение во второй обмотке, вот как-то так:


Главное, что нас интересует в этом девайсе:
— первичная и вторичная обмотки между собой не соединены. Никак. Синфазные напряжения в принципе через трансформатор не пройдут
— вы можете подключить первичную обмотку хоть к мегаваттной электростанции — во вторичной обмотке вы не получите мощность больше, чем может пропустить через себя сердечник.

Если мы установим по трансформатору на все входящие пары ethernet, а в телевизоре — на вход антенны, то мы решим массу проблем.
Во-первых, мы железно развяжемся от земли и устраним самую опасную проблему — затекание токов от молнии в наш девайс. 
Подчеркну — актуально главным образом для телевизоров, наблюдалось много сгоревших после грозы, причем выходили из строя не БП, а именно внутренние узлы с высокой степенью интеграции — процессоры, микросхемы обработки сигнала etc.
Во-вторых, противофазная помеха, конечно, попадет на вход устройства, но ее мощность будет ограничена трансформатором и вреда не принесет. К тому же вот теперь ее легко и надежно можно отсечь грозозащитой.
В третьих, синфазная помеха к нам не попадет вообще.

Красота? Конечно. Только не нужно забывать, что помимо защитных функций, трансформатор должен еще без проблем пропустить сигнал, и тут начинаются нюансы.

На входе сетевой карты в обязательном порядке трансформаторы стоят, вот первые попавшиеся в гугле схемы:



Но практика показывает, что в реальности толку от них немного, горят и сетевые карты, и все остальное. Возможно, это связано с особенностями конструкции, или с пробоем изоляции очень тонких эмалированных проводников, которыми они намотаны.

Изготовить самостоятельно такой же, но без крыльев но улучшенный трансформатор с магнитопроводом малореально — для частот Ethernet 100base-t и для телевизионных частот (сотни мегагерц) расчет и конструкция трансформатора сложны, плюс нужен особый высокочастотный материал магнитопровода.

Но все можно решить намного проще.

Трансформатор с деревянным сердечником

Берем кусок витой пары, полметра — метр, некритично.

Важно! Витая пара не должна быть повреждена, расплетена, нарушен шаг витков и пр. — аккуратно достаньте из кабеля, не тяните за провод!

Наматываем на любую неметаллическую оправку — можно вот так:

или так


Если серьезно, то наматываем на что угодно непроводящее неметаллическое, но чтобы удобно было. Как наматывать, число витков и пр. — некритично.
Оставляем концы по 5 см, фиксируем намотку — опять же чем-нибудь непроводящим, расплетаем концы и переплетаем по-другому: свиваем вместе концы одного цвета.

Получится вот что:


То есть каждый провод — отдельная как бы обмотка.

Это — трансформатор, но работающий на другом принципе: трансформатор на длинной линии.
Длинная линия в данном случае — кусок витой пары. В ней при работающей сети Ethernet возбуждается электромагнитная волна, причем ее энергия сосредоточена внутри пары (именно поэтому неважно на чем наматывать). Энергия поля этой электромагнитной волны обеспечивает передачу сигнала с одного провода на другой.

Как использовать такой трансформатор для защиты от молний?

Изготовьте два таких трансформатора. Включить их нужно в разрыв двух пар любым способом — можно просто аккуратно разрезать кабель, разрезать нужные пары и включить в разрыв эти трансформаторы. Полярность — некритична.

Сразу ответ на возникшие вопросы.

Это — не шутка, конструкция проверена и используется. Я в грозу не выключаюсь вообще, проблем не было, до этого сжег пару сетевых карт и материнку.

В Интернете есть подобные варианты трансформаторов, но намотанные на ферритовом кольце. 
Я — противник этого: в передаче сигнала кольцо не участвует, но феррит — проводник, плохой, но проводник. Наматывая на кольце, вносятся ненужные паразитные емкости и появляется возможность пробоя на сердечник при ударе молнии.
Но на кольце, конечно, красивее выглядит конструкция. Дело вкуса.

На гигабитной сети не проверялось.

Потерь такая конструкция не вносит при длине витой пары в трансформаторе от 0,5 метра. 
Измерения прибором (ВЧ-вольтметр импровизованный) падения уровня сигнала не показывают.

Линк до 100 метров работает так же как и работал — 0% потерь, время пинга не изменилось.
В общем, с точки зрения работы сети наличие в разрывах входящего сетевого кабеля двух таких трансформаторов никак не обнаруживается.

Другие грозозащиты я не использую.

Защита телевизоров

Здесь главная задача — отвязаться от земли, которая «приходит» по оплетке антенного кабеля. Принцип тот же: в разрыв кабеля включить такой трансформатор, но тут могут возникнуть нюансы.

Волновое сопротивление витой пары и антенного кабеля — разное, плюс к этому витая пара — симметрична, а антенный кабель — нет. Поэтому может упасть уровень приема некоторых аналоговых каналов (а может визуально и не упасть), могут появиться на некоторых — опять же аналоговых — каналах двоения. Можно поэкспериментировать с длиной куска витой пары в трансформаторе, можно попробовать изготовить аналогичную конструкцию из антенного кабеля.

Я на грозовой период к телевизору такую штуку делаю. Появляется небольшой снег на 1-м канале из 70-ти.

И в заключение важный момент.

Ничто вас не спасет от прямого попадания молнии в кабель. Более того, в такой ситуации вас будет заботить не сохранность сетевой платы, а чтобы квартира не сгорела.
Будьте благоразумны, не используйте идущие по улице и заходящие к вам в квартиру длинные медные линии связи.

Posted by Автор: mp3user на 01:52
Categories:
0 коммент.  

Подписаться на: Сообщения (Atom)
 
>