Projekt dotyczy czterokanałowego oscyloskopu o następujących parametrach:
- maksymalna częstotliwość próbkowania sygnału - 200MHz (dwa kanały), 100MHz (cztery kanały),
- pojemność pamięci - 128kB na kanał. Połączenie z komputerem za pomocą portu SPP LPT lub USB.
Dzięki tłumikom wejściowym można otrzymać jeden z czterech wariantów czułości - 0,05; 0,25; 1 i 5V. Podstawa czasu jest bardziej elastyczna, może wynosić od 40ms do 25ns na działkę, 16 wariantów. Impendancja na wejściu wynosi 1MΩ;. Nie mam czym zmierzyć pojemności, ale myślę, że jest równa ok. 10pF.
Pasmo części analogowej umożliwia rozróżnienie impulsu o długości 25ns od takiej samej długości sinusa, czyli wykrywanie sygnałów o częstotliwości do 20MHz. Czas narastania zbocza impulsu na drodze analogowej wynosi więcej niż 7ns, co zależy od wyboru ogólnie dostępnego i stosunkowo taniego wzmacniacza operacyjnego w wzmacniaczu wejściowym. Dlatego czas narastania i opadania krótszy niż 10ns raczej ciężko zaobserwować.
Sygnały o częstotliwości wyższej niż 25MHz można zaledwie oszacować. Sygnał o wysokiej częstotliwości, okresowy, którego okres nie jest wielokrotnością 5ns, nie jest symetryczny, ale w tym wypadku można zastosować zjawisko interpolacji sin(x)/x, dzięki której z „trawy” na ekranie uda się otrzymać idealną sinusoidę. Zauważalne załamanie charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej zaczyna się od 30MHz.
Trzeba podkreślić, że strojenie części analogowej to trudny kompromis pomiędzy wzbudzaniem wzmacniacza operacyjnego, a pasmem tego toru. Ale w praktyce okazuje się, że powtarzalność sygnału między kanałami jest dobra jeśli zostaną użyte takie same elementy.
Przejdźmy do schematu.
Część analogowa została wykonana zgodnie z klasycznym schematem przedstawiającym podział na wysokie i niskie częstotliwości, stałe i zmienne napięcie, co umożliwiło otrzymanie płaskiej charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej i niewielkie zakłócenia sygnału w całym zakresie pasma.
Tłumiki wejściowe składają się z oddzielnych dzielników przez 5 i 20, w razie potrzeby włączających się szeregowo, co ułatwia ich ustawienie i pozytywnie wpływa na jakość sygnału. Na schemacie przedstawiono tylko jeden kanał z czterech.
Przekaźnik K1 podłącza dzielnik przez 5, K2 podłącza dzielnik przez 20, K3 włącza tryb pomiaru napięcia stałego. Przekaźnik K13 odłącza wejście przetwornika analogowo-cyfrowego od wzmacniacza drugiego kanału i podłącza go do wyjścia wzmacniacza kanału pierwszego. K14 pełni tę samą funkcję dla trzeciego i czwartego kanału.
Takie przełączanie jest wymagane w przypadku łączenia wejść dwóch przetworników analogowo-cyfrowych w trybie, w którym urządzenia te dygitalizują wspólny sygnał (pierwszy w czasie narastania, drugi – w czasie opadania), co umożliwia podwojenie maksymalnej częstotliwości próbkowania sygnału.
Za pomocą rezystora R44 określamy współczynnik wzmocnienia DA1 tak, aby zniekształcenie 10-20Hz pojawiało się na wyświetlaczu bez zakrzywień linii poziomych - nawiasem mówiąc, lepiej to robić w trybie DC, ponieważ przy pomiarze sygnału o częstotliwości mniejszej niż 40Hz w trybie AC dochodzi do zakłóceń sygnału, których nie udało mi się usunąć.
Ponieważ urządzenie jest zasilane akumulatorem, w celu oszczędzania energii w szereg z cewką przekaźnika wpięto rezystory ograniczające przepływ prądu z „rozruchowymi” kondensatorami. Z tej przyczyny do schematu dołączono zespół monitorujący poziom napięcia zasilającego na elementach DA9, VT13.
Kolor diody LED1 zmieni się z zielonego na czerwony kiedy napięcie spadnie poniżej 4,7V. Świecenie się diody LED2 świadczy o zapisywaniu danych w pamięci operacyjnej urządzenia.
Synchronizacji dokonuje się za pomocą komparatora cyfrowego, co może i zmniejszyło wartości użytkowe, ale znacznie uprościło schemat.
Część cyfrowa również wymaga uruchomienia. Za pomocą rezystora R6 i kondensatorów TR1 i C14 opóźniamy sygnał kanałów 1 i 3 przetwornika analogowo-cyfrowego, co kompensuje opóźnienia wywołane łączeniem i inwersją kanałów 2 i 4. Za pomocą trymera TR1 wyrównujemy kształt sygnału sinusoidalnego.
Muszę jednak przyznać, że nie udało mi się całkowicie zsynchronizować faz różnych kanałów przetwornika z powodu drgań częstotliwości, które w tym trybie wystąpiły.
Tak czy siak, żeby wpiąć kilka przetworników do pracy naprzemiennej i żeby to działało, najlepiej byłoby skorzystać z PLD z PLL na pokładzie.
Rezystor R7 i kondensator C15 wywołują opóźnienie, aby moment zapisu danych w rejestrze tymczasowym nie zbiegł się z niestabilnością na wyjściach przetwornika analogowo-cyfrowego. Być może trzeba zmniejszyć rezystor R12 w celu ustawienia na nim napięcia o wartości „pewnego” zera logicznego w chwili, kiedy nie świeci LED2. To zależy od podpięcia do VCC od strony portu komputera.
Zastosowanie przetwornicy МАХ1627 w jednostce zasilania umożliwia zasilanie urządzenia napięciem o wartości od 5 do 9V (przy napięciu wyższym niż 9V na oscylografie widać zakłócenia wywołane pracą PWM).
Urządzenie wymaga zasilania o mocy do 3,5W.
Projekt na PLD opracowany w środowisku MAX+plus II.
Płytki urządzenia zaprojektowano w P-CAD 2001 i wykonano domowym sposobem za pomocą drukarki laserowej i żelazka. Na płytce w części analogowej układ ścieżek zasilania analogowych układów scalonych, przekaźników oraz połączenia bramek tranzystorów z wyjściami rejestru przesuwnego wykonano metodą przewlekaną, gdyż rozmieszczenie tego na dwóch warstwach bez ryzyka powstania błędu jest trudne.
Płytki są połączone zworkami ХР1-ХР5, napięcie początkowe polaryzacji na kanały podaje się ze zworki XP7 z części cyfrowej urządzenia. Na schemacie podstawowym części cyfrowej nie przedstawiono wszystkich kondensatorów blokujących o pojemności 100nF, które należy montować przy każdym z wyjść VCC zasilania układów scalonych. Zworka XP6 jest przeznaczona do programowania PLD, XP8 służy w celu podłączenia do portu LPT lub USB, XP9 jest przeznaczona do źródła zasilania.
W czasie pracy PLD i przetwornik wyraźnie się nagrzewają, więc żeby uniknąć pogorszenia się charakterystyk tych układów scalonych w momencie przegrzania (zwłaszcza PLD), należy na nich zamontować radiator. Trzeba również ekranować kanały analogowe - zarówno między sobą, jak i między dzielnikami wewnątrz kanału. Jako pamięć operacyjną można zastosować układy scalone pamięci typu cache procesorów Pentium II.
Teraz parę słów o wymaganym programie.
Jest napisany w Delphi7 i może doskonałością nie grzeszy, ale spełnia podstawową funkcję odzwierciedlenia sygnałów. Ze wszystkich „korzyści” należy wymienić: pomiar tylko za pomocą kursora, wyzwalanie na zbocze narastające i opadające, zapis obrazu do pliku BMP, możliwości wyboru długości zapisu w pamięci operacyjnej - 1kB lub 128kB (przy małej częstotliwości próbkowania i 128kB czas zapisu wynosi ok. 3 minuty).
Pozostałe funkcje to możliwość wyboru długości oglądanej strony pamięci 1kB lub 8kB, możliwość wyboru ilości oglądanych kanałów oraz możliwość ustawienia koloru obrazu oscylogramu według własnego uznania.
Jest jeszcze analizator widma, który co prawda posiada dość słaby zakres dynamiki i drgania o amplitudzie mniejszej niż -50dB nie są widoczne.
Istnieje również możliwość włączenia interpolacji sin(x)/x (domyślna interpolacja - liniowa), ale z tej funkcji lepiej korzystać przy częstotliwości sygnału większej niż 10MHz (tzn. przy ilości odczytów na okres mniej niż 15-10). W przeciwnym wypadku funkcja ta powoduje tylko zakłócenia. Ponadto stara się z sygnału trójkątnego zrobić sinusoidalny, co nie zawsze jest wykonywane poprawnie.
Od długości strony, ilości wykorzystywanych kanałów, mocy procesora komputera, częstotliwości próbkowania zależy czas zapisu, przesyłu i wyświetlania obrazu, a także maksymalna częstotliwość odświeżania ekranu w momencie automatycznego uruchomienia. Tak więc przy większych ilościach kilobajtów i mikrosekund przegląd w czasie „rzeczywistym” nie jest możliwy.
Maksymalna częstotliwości odświeżania oscylogramu przy długości zapisu o wartości 1kB i użyciu interfejsu USB wynosi 5fps. Natomiast maksymalna częstotliwość w momencie pracy za pośrednictwem LPT zależy od ilości wyświetlanych kanałów i wynosi 1-3fps.
Żeby program normalnie pracował, wystarczy komputer z procesorem Pentium1, monitorem 800 na 600 pikseli, systemem Win98 - Win XP. Na Win Vista nie sprawdzałem.
Źródło: http://radiokot.ru/circuit/digital/measure/25/
Załączniki:
Płytki drukowane w formacieP-CAD 2001.
Projekt dla MAX+plus II.
Soft do komputera
Źródła softu do komputera
- maksymalna częstotliwość próbkowania sygnału - 200MHz (dwa kanały), 100MHz (cztery kanały),
- pojemność pamięci - 128kB na kanał. Połączenie z komputerem za pomocą portu SPP LPT lub USB.
Dzięki tłumikom wejściowym można otrzymać jeden z czterech wariantów czułości - 0,05; 0,25; 1 i 5V. Podstawa czasu jest bardziej elastyczna, może wynosić od 40ms do 25ns na działkę, 16 wariantów. Impendancja na wejściu wynosi 1MΩ;. Nie mam czym zmierzyć pojemności, ale myślę, że jest równa ok. 10pF.
Pasmo części analogowej umożliwia rozróżnienie impulsu o długości 25ns od takiej samej długości sinusa, czyli wykrywanie sygnałów o częstotliwości do 20MHz. Czas narastania zbocza impulsu na drodze analogowej wynosi więcej niż 7ns, co zależy od wyboru ogólnie dostępnego i stosunkowo taniego wzmacniacza operacyjnego w wzmacniaczu wejściowym. Dlatego czas narastania i opadania krótszy niż 10ns raczej ciężko zaobserwować.
Sygnały o częstotliwości wyższej niż 25MHz można zaledwie oszacować. Sygnał o wysokiej częstotliwości, okresowy, którego okres nie jest wielokrotnością 5ns, nie jest symetryczny, ale w tym wypadku można zastosować zjawisko interpolacji sin(x)/x, dzięki której z „trawy” na ekranie uda się otrzymać idealną sinusoidę. Zauważalne załamanie charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej zaczyna się od 30MHz.
Trzeba podkreślić, że strojenie części analogowej to trudny kompromis pomiędzy wzbudzaniem wzmacniacza operacyjnego, a pasmem tego toru. Ale w praktyce okazuje się, że powtarzalność sygnału między kanałami jest dobra jeśli zostaną użyte takie same elementy.
Przejdźmy do schematu.
Część analogowa została wykonana zgodnie z klasycznym schematem przedstawiającym podział na wysokie i niskie częstotliwości, stałe i zmienne napięcie, co umożliwiło otrzymanie płaskiej charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej i niewielkie zakłócenia sygnału w całym zakresie pasma.
Tłumiki wejściowe składają się z oddzielnych dzielników przez 5 i 20, w razie potrzeby włączających się szeregowo, co ułatwia ich ustawienie i pozytywnie wpływa na jakość sygnału. Na schemacie przedstawiono tylko jeden kanał z czterech.
Przekaźnik K1 podłącza dzielnik przez 5, K2 podłącza dzielnik przez 20, K3 włącza tryb pomiaru napięcia stałego. Przekaźnik K13 odłącza wejście przetwornika analogowo-cyfrowego od wzmacniacza drugiego kanału i podłącza go do wyjścia wzmacniacza kanału pierwszego. K14 pełni tę samą funkcję dla trzeciego i czwartego kanału.
Takie przełączanie jest wymagane w przypadku łączenia wejść dwóch przetworników analogowo-cyfrowych w trybie, w którym urządzenia te dygitalizują wspólny sygnał (pierwszy w czasie narastania, drugi – w czasie opadania), co umożliwia podwojenie maksymalnej częstotliwości próbkowania sygnału.
Za pomocą rezystora R44 określamy współczynnik wzmocnienia DA1 tak, aby zniekształcenie 10-20Hz pojawiało się na wyświetlaczu bez zakrzywień linii poziomych - nawiasem mówiąc, lepiej to robić w trybie DC, ponieważ przy pomiarze sygnału o częstotliwości mniejszej niż 40Hz w trybie AC dochodzi do zakłóceń sygnału, których nie udało mi się usunąć.
Ponieważ urządzenie jest zasilane akumulatorem, w celu oszczędzania energii w szereg z cewką przekaźnika wpięto rezystory ograniczające przepływ prądu z „rozruchowymi” kondensatorami. Z tej przyczyny do schematu dołączono zespół monitorujący poziom napięcia zasilającego na elementach DA9, VT13.
Kolor diody LED1 zmieni się z zielonego na czerwony kiedy napięcie spadnie poniżej 4,7V. Świecenie się diody LED2 świadczy o zapisywaniu danych w pamięci operacyjnej urządzenia.
Synchronizacji dokonuje się za pomocą komparatora cyfrowego, co może i zmniejszyło wartości użytkowe, ale znacznie uprościło schemat.
Część cyfrowa również wymaga uruchomienia. Za pomocą rezystora R6 i kondensatorów TR1 i C14 opóźniamy sygnał kanałów 1 i 3 przetwornika analogowo-cyfrowego, co kompensuje opóźnienia wywołane łączeniem i inwersją kanałów 2 i 4. Za pomocą trymera TR1 wyrównujemy kształt sygnału sinusoidalnego.
Muszę jednak przyznać, że nie udało mi się całkowicie zsynchronizować faz różnych kanałów przetwornika z powodu drgań częstotliwości, które w tym trybie wystąpiły.
Tak czy siak, żeby wpiąć kilka przetworników do pracy naprzemiennej i żeby to działało, najlepiej byłoby skorzystać z PLD z PLL na pokładzie.
Rezystor R7 i kondensator C15 wywołują opóźnienie, aby moment zapisu danych w rejestrze tymczasowym nie zbiegł się z niestabilnością na wyjściach przetwornika analogowo-cyfrowego. Być może trzeba zmniejszyć rezystor R12 w celu ustawienia na nim napięcia o wartości „pewnego” zera logicznego w chwili, kiedy nie świeci LED2. To zależy od podpięcia do VCC od strony portu komputera.
Zastosowanie przetwornicy МАХ1627 w jednostce zasilania umożliwia zasilanie urządzenia napięciem o wartości od 5 do 9V (przy napięciu wyższym niż 9V na oscylografie widać zakłócenia wywołane pracą PWM).
Urządzenie wymaga zasilania o mocy do 3,5W.
Projekt na PLD opracowany w środowisku MAX+plus II.
Płytki urządzenia zaprojektowano w P-CAD 2001 i wykonano domowym sposobem za pomocą drukarki laserowej i żelazka. Na płytce w części analogowej układ ścieżek zasilania analogowych układów scalonych, przekaźników oraz połączenia bramek tranzystorów z wyjściami rejestru przesuwnego wykonano metodą przewlekaną, gdyż rozmieszczenie tego na dwóch warstwach bez ryzyka powstania błędu jest trudne.
Płytki są połączone zworkami ХР1-ХР5, napięcie początkowe polaryzacji na kanały podaje się ze zworki XP7 z części cyfrowej urządzenia. Na schemacie podstawowym części cyfrowej nie przedstawiono wszystkich kondensatorów blokujących o pojemności 100nF, które należy montować przy każdym z wyjść VCC zasilania układów scalonych. Zworka XP6 jest przeznaczona do programowania PLD, XP8 służy w celu podłączenia do portu LPT lub USB, XP9 jest przeznaczona do źródła zasilania.
W czasie pracy PLD i przetwornik wyraźnie się nagrzewają, więc żeby uniknąć pogorszenia się charakterystyk tych układów scalonych w momencie przegrzania (zwłaszcza PLD), należy na nich zamontować radiator. Trzeba również ekranować kanały analogowe - zarówno między sobą, jak i między dzielnikami wewnątrz kanału. Jako pamięć operacyjną można zastosować układy scalone pamięci typu cache procesorów Pentium II.
Teraz parę słów o wymaganym programie.
Jest napisany w Delphi7 i może doskonałością nie grzeszy, ale spełnia podstawową funkcję odzwierciedlenia sygnałów. Ze wszystkich „korzyści” należy wymienić: pomiar tylko za pomocą kursora, wyzwalanie na zbocze narastające i opadające, zapis obrazu do pliku BMP, możliwości wyboru długości zapisu w pamięci operacyjnej - 1kB lub 128kB (przy małej częstotliwości próbkowania i 128kB czas zapisu wynosi ok. 3 minuty).
Pozostałe funkcje to możliwość wyboru długości oglądanej strony pamięci 1kB lub 8kB, możliwość wyboru ilości oglądanych kanałów oraz możliwość ustawienia koloru obrazu oscylogramu według własnego uznania.
Jest jeszcze analizator widma, który co prawda posiada dość słaby zakres dynamiki i drgania o amplitudzie mniejszej niż -50dB nie są widoczne.
Istnieje również możliwość włączenia interpolacji sin(x)/x (domyślna interpolacja - liniowa), ale z tej funkcji lepiej korzystać przy częstotliwości sygnału większej niż 10MHz (tzn. przy ilości odczytów na okres mniej niż 15-10). W przeciwnym wypadku funkcja ta powoduje tylko zakłócenia. Ponadto stara się z sygnału trójkątnego zrobić sinusoidalny, co nie zawsze jest wykonywane poprawnie.
Od długości strony, ilości wykorzystywanych kanałów, mocy procesora komputera, częstotliwości próbkowania zależy czas zapisu, przesyłu i wyświetlania obrazu, a także maksymalna częstotliwość odświeżania ekranu w momencie automatycznego uruchomienia. Tak więc przy większych ilościach kilobajtów i mikrosekund przegląd w czasie „rzeczywistym” nie jest możliwy.
Maksymalna częstotliwości odświeżania oscylogramu przy długości zapisu o wartości 1kB i użyciu interfejsu USB wynosi 5fps. Natomiast maksymalna częstotliwość w momencie pracy za pośrednictwem LPT zależy od ilości wyświetlanych kanałów i wynosi 1-3fps.
Żeby program normalnie pracował, wystarczy komputer z procesorem Pentium1, monitorem 800 na 600 pikseli, systemem Win98 - Win XP. Na Win Vista nie sprawdzałem.
Źródło: http://radiokot.ru/circuit/digital/measure/25/
Załączniki:
Płytki drukowane w formacieP-CAD 2001.
Projekt dla MAX+plus II.
Soft do komputera
Źródła softu do komputera
Cool? Ranking DIY
