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 (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

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.

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.

На вывод VREF выводится напряжение ИОН. Вход VREFA подключим к выходу VREF для того чтобы использовать внутренний ИОН для работы АЦП. Таким образом, встроенный в МК АЦП будет измерять постоянное напряжение.

Для измерения постоянного  напряжения с канала 1 будем использовать вход AIN0.1, а для измерения постоянного напряжения с канала два - вход AIN0.2.

На рисунке 3.6 представлена схема цифрового блока.

 

 

 

Рисунок 3.5 – Схема включения АЦП

Рисунок 3.6 – Схема  включения МК

 

К порту P6 подключаются 8 кнопок, с помощью которых задаётся количество вольт на деление. К порту P7 подключены такие же кнопки, но с помощью них задаётся количество секунд на деление. После нажатия кнопка остаётся нажатой. Повторное нажатие переводит кнопку в исходное состояние. Схема иерархического блока кнопок приведена на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 - Схема иерархического блока кнопок.

 

 

 

 

Ко входу P2 подключены цифровые входы ключей. Подключение произведено через дешифраторы, чтобы уменьшить длину управляющего кода.

Для отображения осциллограммы воспользуемся ЖКД производства компании «Hantronix» HDM3224-1 c разрешением 320x240 пикселов и встроенным контроллером SED1335 фирмы «Epson».

Описание контактов SED1335 [6]:

Выходы:

VA0 - VA15 - 16 разрядный адрес памяти дисплея. Выходы подключены к адресным входам микросхем памяти.

VD0 – VD7 - 8 разрядная шина данных дисплея. Шина соединена с шинами данных микросхем памяти.

VRD - активный по низкому уровню выход управления чтением памяти дисплея. 

VCE - активный по низкому уровню сигнал управления режимом ожидания статической памяти. 

VWR - активный по низкому уровню выход управления записью памяти дисплея.

XD0 - XD3 - 4 разрядные выходы данных Х-драйвера (управление столбцами). Выходы соединены со входами данных D3 – D0 дисплея. 

XSCL – выход, вырабатывающий сигнал тактирования для сдвигового регистра (соединён со входом CP дисплея). Задний фронт XSCL защёлкивает данные XD0…XD3 на входе регистра сдвига. 

LP – защёлка импульса. Защёлкивает сигнал на сдвиговых регистрах Х-драйвера в защёлках выходных данных. LP - сигнал, отпирающий по заднему фронту, и приходящий один раз в каждой строке дисплея. 

YD – пусковой импульс развёртки. Он действует во время последней строки каждого кадра и сдвигает Y-драйверы один за другим (по YSCL), для проверки общих соединений дисплея.

Входы:

XG и XD – входы, к которым подключается внешний тактовый генератор

VDD - напряжение питания от 2.7 В до 5.5 В.

VSS – общий вывод.

D0 - D7 – шина данных. Контакты входа/выхода на три состояния. Подключаются к микропроцессорной шине данных.

SEL1 и SEL2 – контакты выбора интерфейса микропроцессора (таблица 3.2).

 

Таблица 3.2 – Виды интерфейсов, поддерживаемые контроллером SED1335

SEL1

SEL2

Интерфейс

A0

RD

WR

CS

0

0

Семейство 8080

A0

RD

WR

CS

1

0

Семейство 6800         

A0

E

R/W

CS


 

A0 – выбор типа данных. А0, в конъюнкции с сигналами RD и WR или R/W и Е, контролирует тип доступа к SED1335F, как показано ниже в таблице 3.3. 

 

Таблица 3.3 – Функции, поддерживаемые контроллером SED1335, настроенного на интерфейс семейства 8080

А0

RD

WR

Функция

 0

0

1

Чтение флага статуса

 1

0

 1

Чтение данных дисплея  и адрес курсора

 0

1

 0

Запись данных дисплея  и параметров

 1

1

0

Запись команды


 

RD или E – сигнал чтения или разрешения. Когда выбран интерфейс семейства 8080, этот сигнал действует как активный низко уровневый строб-импульс чтения. 

WR или R/W – сигнал записи. Когда выбран интерфейс семейства 8080, этот сигнал действует как активный низко уровневый строб-импульс чтения. Шина данных защёлкивается по переднему фронту этого сигнала.

CS - выбор чипа. Этот активный по низкому уровню вход разрешает SED1335F.

RES – сброс. Этот активный по низкому уровню вход осуществляет аппаратный сброс SED1335F.

Схема представлена на рисунке 3.8.

 

 

Рисунок 3.8 – Схема  подключения ЖКД 

  4. Описание работы устройства

 

Аналоговый сигнал подаётся на вход Ain1 или Ain2. Сигнал ослабляется или усиливается по амплитуде в зависимости от заданного количества вольт на деление. После этого он преобразуется в дифференциальную форму трансформатором. И затем попадает на аналоговый вход АЦП. АЦП оцифровывает сигнал и каждые 25 нс на цифровых выходах АЦП появляется цифровой код соответствующий определённому уровню напряжения. Этот цифровой код считывается МК и записывается в память XRAM через промежуток времени, зависящий от количества секунд на деление. То есть происходит прореживание цифрового кода.

После записи в память, МК не реагирует ни на какие прерывания, а выводит информацию о сигнале в виде осциллограммы на ЖКД. После вывода одного кадра происходит считывание следующего кадра с выходов АЦП.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Описание программы для микроконтроллера

 

Разработка программы для МК C8051F120 фирмы Silicon Laboratories с системой команд совместимой с MCS – 51 проводилось с помощью программного продукта Keil mVision2 версии 2.40a, симулирующего работу МК.

Программа состоит из блока настройки портов ввода  – вывода, генератора, периферийных устройств, прерываний, ЖКД и подпрограммы для ввода данных с АЦП - InputADC. На рисунке 5.1 показана блок – схема алгоритма программы для МК.

Используемые в программе  переменные:

    • kfn – коэффициент частоты дискретизации (n=1 или 2 – номер канала);
    • CoefAmplif – содержит число выводимое в порт P6 для задания коэффициента усиления;
    • i – переменна – счётчик;
    • Num – переменная, используема для записи в XRAM последовательности чисел; 
    • Switch – порт, управляющий аналоговыми коммутаторами;
    • Button_kf – порт, к которому подключены кнопки задающие kf
    • Button_CefAmplif - порт, к которому подключены кнопки задающие CefAmplif
    • Padc1 – АЦП канал 1;
    • Padc2 – АЦП канал 2;

Сначала программа подключает файл с определением регистров специального назначения, которые имеются в  данном микроконтроллере. Регистрам  общего назначения присваиваются имена  переменных приведённых выше. Порты P4 и P5 подключены к цифровым выходам АЦП и настроены как цифровые входы с открытым стоком. С помощью приоритетного декодера матрицы на разряд P0.0 выводится сигнал тактирования АЦП с частотой SYSCLK/4 (SYSCLK=100 МГц).

В переменную kf производится запись в младшие четыре разряда – коэффициента kf1 для задания частоты дискретизации сигнала с канала 1 и в старшие четыре разряда -  коэффициента kf2 для задания частоты дискретизации сигнала с канала 2. Связь значения коэффициента и частоты дискретизации приведена в таблице 3.1 (n=1 или 2).

Таблица 5.1 – Связь коэффициента частоты и периода дискретизации

kfn

f, Гц

T, с

TimeOnDiv

1

10М

100н

4 мкс

2

5М

200н

5 мкс

3

2.5М

400н

10 мкс

4

500к

2мк

50 мкс

5

250к

4мк

100 мкс

6

50к

20мк

500 мкс

7

25к

40мк

1 мс

8

5к

200мк

5 мс

9

2.5к

400мк

10 мс

10

500

2м

50 мс

11

250

4м

100 мс


 

Частота дискретизации  соответствующая количеству секунд на деление определяется по формуле:

 

    ,                         (3.3)

где  n – количество байт содержащих информацию об уровне сигнала;

       TimeOnDiv – количество секунд на деления;

       tmax и tmin – границы временного интервала.

Скорость работы МК позволяет сохранять  информацию  о сигнале за 90 нс. Поэтому максимальная частота дискретизации сигнала

 

                                            (5.1) .

Необходимая частота  дискретизации сигнала задаётся с помощью задания задержки между  считываниями данных с АЦП. Для создания задержки используется таймер TMR3. Таймер тактируется системным тактовым сигналом, и изменение значения таймера на 1 происходит каждые 10 нс. Для создания необходимой задержки в таймер записывается число, с которого он начинает счёт. Флаг переполнения таймера проверяется до тех пор, пока таймер не переполнится. Таким образом, создаётся задержка с точностью до 10 нс.

В переменную CoefAmplif загружается байт данных, содержащий информацию о коэффициенте усиления и о виде измеряемого напряжения (переменного или постоянного). Биты 7 и 6 управляют ключами S2A и S2C соответственно, которые подключают или отключают конденсатор. Биты 5, 4, 3 и 2, 1, 0 задают коэффициент усиления или ослабления Ku для канала 1 и канала 2 соответственно.

Связь Ku и вида измеряемого напряжения с числом в переменной  CoefAmplif приведена в таблице 5.2 (n=1 или 2 – номер канала).

Таблица 5.2 – Зависимость Ku и вида напряжения от CoefAmplif

CoefAmplif

Вид напряжения

Kun

XX 000 000

X

1/2

XX 001 001

X

1/5

XX 010 010

X

1/10

XX 011 011

X

10

XX 100 100

X

1

XX 000 000

DC

X

XX 000 000

AC

X


 

Ниже представлена блок-схема программы для МК.

 

 

Рисунок 5.1 – Блок схема алгоритма программы для МК

 

 

Ниже приведено более  подробное описание настройки контроллера SED1335.

После вывода кода 40h (команда «System Set») на шину данных контроллера, производится вывод восьми байтов (P1 – P8), содержащих параметры команды.

В программе задаются следующие значения этих параметров:

P1=30h.

M0=0 - внутренний генератор символов ROM.

М1=0 - генератор символов RAM1; 32 знака.

М2=0 - высота символа 8 пикселов (2716 или эквивалент ROM).

W/S=0 - однопанельное управление