Цифровой осциллограф

Содержание

Стр.

Введение. 3

Актуальность темы.. 4

Постановка задачи. 5

1 Разработка структурной схемы устройства. 6

2 Выбор МК и АЦП.. 8

3 Разработка принципиальной схемы и выбор электронных компонентов. 10

4. Описание работы устройства. 21

5 Описание программы для микроконтроллера. 22

ПРИЛОЖЕНИЕ A   Программа для МК цифрового осциллографа. 30

Заключение. 42

Список использованных источников. 43

Введение

В ходе развития технологии микроэлектроники происходила миниатюризация электронных схем, и появились СБИС. Массовое производство СБИС привело к их удешевлению. Одним из дешёвых и миниатюрных устройств является микроконтроллер (МК). Микроконтроллер – это СБИС, содержащая на одном кристалле процессор, ПЗУ, ОЗУ, последовательный или параллельный интерфейс связи, таймеры, схему прерываний и другие периферийные устройства. Таким образом, на одной ИС можно реализовать множество различных устройств, в которых требуется управлять каким то процессом. Причём совершенствование технологии изготовления СБИС привело к повышению их производительности, и микроконтроллеры могут достаточно быстро реагировать на событие и обрабатывать его.  

В настоящее время бурно развиваются цифровые приборы. Причём из-за лучших характеристик цифровые приборы вытесняют аналоговые приборы.

Можно выделить следующие преимущества цифрового осциллографа:

- высокая точность измерений;

- яркий хорошо сфокусированный экран  на любой скорости развёртки;

- возможность отображения сигнала до момента запуска;

- возможность останова обновления экрана на произвольное время;

- возможность детектирования импульсных помех;

- автоматические средства измерения параметров сигналов;

- возможность подключения принтера для создания отчётов измерений;

- возможность статистической обработки сигнала;

- средства самодиагностики и самокалибровки;

- резко очерченные контуры изображения сигнала;

- возможность исследовать детально переходные процессы;

- считывание предварительно записанных данных;

- широкие аналитические возможности и упрощённая архивация;

- возможность сравнения предварительно записанных данных с текущими.

         Цифровые осциллографы выпускаются либо в виде самостоятельных приборов, либо в виде приставки к ПК. Устройства на основе ПК относятся к новому направлению в измерительной технике – виртуальные приборы. Теперь специалисту достаточно подключить к компьютеру дополнительное устройство – модуль цифрового осциллографа, для того чтобы начать измерения  и анализ физической величины. При этом программная часть виртуального прибора эмулирует переднюю управляющую панель стационарного измерительного устройства. С помощью мыши и клавиатуры осуществляется управление прибором, специальными программами обработка, поступившей информации, а также её хранение на накопителе на жёстком диске.

         Теми же возможностями обладают осциллографы с ЖКД (жидкокристаллическим дисплеем). Все возможности связанные с автоматизаций измерений встроены в цифровой осциллограф.

Актуальность темы

В настоящее время на рынке измерительной техники присутствует множество производителей цифровых запоминающих осциллографов (ЦЗО). Наиболее преуспевающие производители в России: «АКТАКОМ», ОАО «Руднёв - Шиляев», ЗАО «Компания Сигнал». Лидирующие производители за рубежом: компании «Tektronix», «Hitachi-Denshi», «Agilent Technologies», «LeCroy», «GaGe Applied Technologies», Good Will instrument Co. Ltd, фирма «Chauvin Arnoux», корпорация «Fluke».

ЦЗО используются для исследовательских работ или для тестирования, наладки, настройки электронных устройств.

Постановка задачи

В работе ставится задача придумать функциональную схему устройства, разработать в графическом редакторе OrCAD Capture принципиальную схему. В ходе разработки схем подобрать подходящие микросхемы для обеспечения нужных характеристик осциллографа. Написать программу для микроконтроллера.

Разрабатываемый цифрового осциллографа должен обладать следующими основными параметрами:

Число каналов: 2

Разрядность АЦП: 8

Частота дискретизации АЦП: 20 МГц

Размер кадра: 240 байт

Максимальный диапазон входного напряжения: В

Количество вольт на деление, В/дел:  1, 0.5, 0.2, 0.1, 0.01

Количество времени на деление: от 500 нс/дел до 10 с/дел

Полоса пропускания по уровню - 3 дБ аналогового блока: 10 МГц

Входное сопротивление:1 МОм

Входная ёмкость: 20 пФ

Устройство отображения: ЖКД 320X240

1 Разработка структурной схемы устройства

Аналоговый сигнал перед оцифровкой в зависимости от амплитуды и выбранного пользователем количества вольт на деление (В/дел) нужно, как известно, ослабить  или усилить. Важно, чтобы напряжение на аналоговом входе аналого-цифрового преобразователя (АЦП) после преобразований не выходило за пределы максимального допустимого значения. Обычно размах напряжений аналогового входа АЦП равен 1 В (от - 0.5 В до + 0.5 В), а шаг квантования 8 – разрядного АЦП равен 0.004 В. Поэтому напряжение от 0.5 В до 5 В нужно уменьшить по амплитуде, чтобы не превысить максимальные значения, а напряжение от 0.004 В до 0.5 В – усилить перед оцифровкой для получения большей информации о сигнале.  Для этого на вход ставятся аттенюаторы и усилитель [1]. На рисунке 1.1 представлена функциональная схема аналогового блока для одного канала.

         Информацию о сигнале после оцифровки с помощью АЦП нужно быстро сохранить в память, так чтобы сохранилась его частота дискретизации. Для выполнения условия нужно, что бы время доступа у памяти (tдос) совпадало с периодом дискретизации АЦП (Tд). В нашем случае   Tд= tдос = 50 нс.

На рисунке 1.2 изображена структурная схема устройства. МК предназначен для обработки информации о сигнале и передачи данных на ЖКД. Чем выше скорость работы МК, тем больше  информации о сигнале удаётся получить.

2 Выбор МК и АЦП

Для быстрого сохранения в ОЗУ информации о сигнале нужно выбрать МК с максимальной производительностью. Объём ОЗУ должен быть не меньше 512 + 256 байт, так как размер кадра равен 240 байт и осциллограф двухканальный. Для считывания данных с выходов АЦП нужно 2 порта ввода-вывода. Также для управления ЖКД нужно ещё 2 порта. Для управления ключами и кнопок ещё 2 порта. Периферия должна содержать таймеры для создания задержек и встроенный АЦП для измерения постоянного напряжения. В таблице 2.1 приведены результаты обзора микроконтроллеров с наиболее популярными микропроцессорными ядрами MCS-51 и PIC. Из таблицы выберем по главному параметру – быстродействию лучший МК.

Таблица 2.1 – Результаты обзора микроконтроллеров различных производителей

Отличительной особенностью МК DS87C550 является перепроектированное ядро процессора, позволяющее исключить холостые такты и циклы памяти. В результате, каждая команда системы команд 8051 выполняется в три раза быстрее, чем стандартным МК, работающем на той же тактовой частоте. DS87C550 имеет максимальную тактовую частоту 33MHz, что эквивалентно работе стандартного МК с тактовой частотой до 99MHz.

МК C8051F120 выполняет 70% команд за 1 или 2 такта и обладает производительность до 100 MIPS на тактовой частоте 100МГц. Кроме того, он подходит по всем остальным параметрам для разрабатываемого устройства. Поэтому остановим свой выбор на нём.

АЦП должен быть сдвоенный и иметь частоту дискретизации 20 МГц. Такие АЦП выпускают многие производители. Так как Analog Devices выпускает качественные АЦП, то выберем из её продукции микросхему AD9288  c частотой преобразования 40 МГц. 

3 Разработка принципиальной схемы и выбор электронных компонентов

Как видно из структурной схемы аналогового блока нужно рассчитать аттенюаторы или делители напряжения для ослабления сигнала по амплитуде.

Рисунок 3.1 – Делитель напряжения

Предположим, что нагрузки нет, тогда по закону Ома , а .  Для различных делителей будет меняться коэффициент ослабления . , так как входное сопротивление входа осциллографа равно 1 МОм. В таблице 3.1 приведены результаты расчёта номиналов резисторов для делителей.

Таблица 3.1 – Номиналы резисторов для аттенюаторов

Резисторы на высоких частотах имеют паразитную ёмкость на подложку. Проволочные резисторы ведут себя хорошо на частотах до 50 кГц, углеродные резисторы используются на частотах до 1 МГц. Для данной схемы нужно использовать плёночные резисторы, которые имеют стабильные параметры на частотах до 100 МГц.

При работе в режиме постоянного напряжения сигнал подаётся сразу на делитель, а при работе с переменны напряжением для отсечения постоянных составляющих сигнала на вход ставится конденсатор. Конденсатор имеет комплексное сопротивление . На частоте 10 МГц при С = 100 нФ , что нам и требуется.

Делители должны отключаться и подключаться к цепи по отдельности. Для этого будем использовать аналоговые ключи ADG201, обладающие сопротивлением 60 Ом в открытом состоянии и размахом напряжения аналогового входа . Таким образом, коэффициент деления делителей не будет искажаться [2].

Для усиления сигнала будем использовать сдвоенный ОУ AD8008. ОУ имеет полосу пропускания  по уровню -3 дБ равную 600 МГц при коэффициенте усиления  и диапазон напряжения на входе равный .

На рисунки 3.2 показана рекомендуемая производителем схема включения [3].

Рисунок 3.2 – Схема включения ОУ

Как известно при не инвертирующем включении идеального ОУ, его коэффициент усиления определяется простой формулой: . Для задания коэффициента усиления  в документации рекомендуется использовать следующие номиналы резисторов в: . Так как ключ включённый в цепь обратной связи ОУ имеет сопротивление в открытом состоянии 60 Ом, номинал .

Для фильтрации ВЧ помех в цепи питания микросхем включаем конденсаторы.

На рисунке 3.3 представлена схема аналогового блока.

Выбранный АЦП имеет дифференциальные аналоговые входы. Для преобразования однопроводного сигнала в дифференциальный производитель рекомендует использовать ВЧ трансформатор ADT1-1WT, который имеет сопротивление 75 Ом и полосу пропускания 800 МГц [4]. Трансформатор не пропускает постоянный ток, поэтому для измерения постоянного напряжения будем использовать встроенный в микроконтроллер АЦП.

Через состояние входов S1 и S2 задаётся режим вывода данных на цифровые выходы D7-D0. При S1=1, S2=0 (нормальный режим) данные на цифровые выходы канала A и B выводятся одновременно, как показано на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Временные диаграммы для нормального режима работы АЦП

Рисунок 3.3 – Принципиальная схема аналогового блока

         АЦП имеет встроенный источник опорного напряжения (ИОН) напряжением 1.25 В, который подключен к выводу REFOUT. Ко входам REFINA и REFINB можно подключить внешний ИОН. Мы будем использовать встроенный источник, поэтому эти выводы не используются.

         При подаче высокого уровня на вход DFS (Data Format Output) данные выводятся в дополнительном коде, а при низком уровня – в прямом коде.

         На вход ENCA и ENCB подадим тактовый сигнал от МК для запуска процесса преобразования. На рисунке 3.5 изображена схема включения АЦП.

         Порт P4 и P5 микроконтроллера подключены к цифровым выходам канала A и B АЦП соответственно.

Порт P0 используется для вывода сигнала тактирования АЦП. Порт P3 - для подачи сигналов управления на ЖКД.

Порт P1 – используется для вывода данных на ЖКД.

Вывод VDD – напряжение питания цифровой части МК, DGND – земля цифровой части МК. Вывод AV+ – напряжение питания аналоговой части МК, DGND – земля аналоговой части МК [5].

TMS, TCK, TDI, TDO – выводы через которые производится загрузка и отладка программы. Они соединены c выводами JTAG интерфейса.

Так как мы будем использовать встроенный тактовый генератор с частотой 24.5 МГц, выводы XTAL1 и XTAL2 не используются. MONEN – монитор питания при высоком уровне напряжения на нём сбрасывает микроконтроллер, если VDD<VRST, а при низком уровне – он отключен.

Страницы: 1, 2, 3, 4