Цифровой осцилограф

Содержание

Стр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 (t_дос) совпадало с периодом дискретизации АЦП (T_д). В нашем случае   T_д= t_дос = 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

Производитель	Наименование	Тактовая частота, МГц	Количество линий ввода - вывода	Размер ОЗУ, байт	Интерфейсы
Intel	87C51FC-20	20	32	256	UART
Atmel	AT89C51RB2	60	32	1280	UART
Dallas Semiconductor	DS87C550	33	55	1280	2 UARTs
Silicon Laboratories	C8051F120	100	64	8448	2 UARTs, SMBus, SPI
Microchip	PIC18F4455	48	34	2048	USB 2.0, I2C, SPI, USART

 

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

	, МОм	, МОм
	0.5	0.5
	0.8	0.2
	0.9	0.1

 

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.