Projekt dotyczy czterokana³owego oscyloskopu o nastêpuj±cych parametrach:
- maksymalna czêstotliwo¶æ próbkowania sygna³u - 200MHz (dwa kana³y), 100MHz (cztery kana³y),
- pojemno¶æ pamiêci - 128kB na kana³. Po³±czenie z komputerem za pomoc± portu SPP LPT lub USB.
Dziêki t³umikom wej¶ciowym mo¿na otrzymaæ jeden z czterech wariantów czu³o¶ci - 0,05; 0,25; 1 i 5V. Podstawa czasu jest bardziej elastyczna, mo¿e wynosiæ od 40ms do 25ns na dzia³kê, 16 wariantów. Impendancja na wej¶ciu wynosi 1MΩ;. Nie mam czym zmierzyæ pojemno¶ci, ale my¶lê, ¿e jest równa ok. 10pF.
Pasmo czê¶ci analogowej umo¿liwia rozró¿nienie impulsu o d³ugo¶ci 25ns od takiej samej d³ugo¶ci sinusa, czyli wykrywanie sygna³ów o czêstotliwo¶ci do 20MHz. Czas narastania zbocza impulsu na drodze analogowej wynosi wiêcej ni¿ 7ns, co zale¿y od wyboru ogólnie dostêpnego i stosunkowo taniego wzmacniacza operacyjnego w wzmacniaczu wej¶ciowym. Dlatego czas narastania i opadania krótszy ni¿ 10ns raczej ciê¿ko zaobserwowaæ.
Sygna³y o czêstotliwo¶ci wy¿szej ni¿ 25MHz mo¿na zaledwie oszacowaæ. Sygna³ o wysokiej czêstotliwo¶ci, okresowy, którego okres nie jest wielokrotno¶ci± 5ns, nie jest symetryczny, ale w tym wypadku mo¿na zastosowaæ zjawisko interpolacji sin(x)/x, dziêki której z „trawy” na ekranie uda siê otrzymaæ idealn± sinusoidê. Zauwa¿alne za³amanie charakterystyki amplitudowo-czêstotliwo¶ciowej zaczyna siê od 30MHz.
Trzeba podkre¶liæ, ¿e strojenie czê¶ci analogowej to trudny kompromis pomiêdzy wzbudzaniem wzmacniacza operacyjnego, a pasmem tego toru. Ale w praktyce okazuje siê, ¿e powtarzalno¶æ sygna³u miêdzy kana³ami jest dobra je¶li zostan± u¿yte takie same elementy.
Przejd¼my do schematu.
Czê¶æ analogowa zosta³a wykonana zgodnie z klasycznym schematem przedstawiaj±cym podzia³ na wysokie i niskie czêstotliwo¶ci, sta³e i zmienne napiêcie, co umo¿liwi³o otrzymanie p³askiej charakterystyki amplitudowo-czêstotliwo¶ciowej i niewielkie zak³ócenia sygna³u w ca³ym zakresie pasma.
T³umiki wej¶ciowe sk³adaj± siê z oddzielnych dzielników przez 5 i 20, w razie potrzeby w³±czaj±cych siê szeregowo, co u³atwia ich ustawienie i pozytywnie wp³ywa na jako¶æ sygna³u. Na schemacie przedstawiono tylko jeden kana³ z czterech.
Przeka¼nik K1 pod³±cza dzielnik przez 5, K2 pod³±cza dzielnik przez 20, K3 w³±cza tryb pomiaru napiêcia sta³ego. Przeka¼nik K13 od³±cza wej¶cie przetwornika analogowo-cyfrowego od wzmacniacza drugiego kana³u i pod³±cza go do wyj¶cia wzmacniacza kana³u pierwszego. K14 pe³ni tê sam± funkcjê dla trzeciego i czwartego kana³u.
Takie prze³±czanie jest wymagane w przypadku ³±czenia wej¶æ dwóch przetworników analogowo-cyfrowych w trybie, w którym urz±dzenia te dygitalizuj± wspólny sygna³ (pierwszy w czasie narastania, drugi – w czasie opadania), co umo¿liwia podwojenie maksymalnej czêstotliwo¶ci próbkowania sygna³u.
Za pomoc± rezystora R44 okre¶lamy wspó³czynnik wzmocnienia DA1 tak, aby zniekszta³cenie 10-20Hz pojawia³o siê na wy¶wietlaczu bez zakrzywieñ linii poziomych - nawiasem mówi±c, lepiej to robiæ w trybie DC, poniewa¿ przy pomiarze sygna³u o czêstotliwo¶ci mniejszej ni¿ 40Hz w trybie AC dochodzi do zak³óceñ sygna³u, których nie uda³o mi siê usun±æ.
Poniewa¿ urz±dzenie jest zasilane akumulatorem, w celu oszczêdzania energii w szereg z cewk± przeka¼nika wpiêto rezystory ograniczaj±ce przep³yw pr±du z „rozruchowymi” kondensatorami. Z tej przyczyny do schematu do³±czono zespó³ monitoruj±cy poziom napiêcia zasilaj±cego na elementach DA9, VT13.
Kolor diody LED1 zmieni siê z zielonego na czerwony kiedy napiêcie spadnie poni¿ej 4,7V. ¦wiecenie siê diody LED2 ¶wiadczy o zapisywaniu danych w pamiêci operacyjnej urz±dzenia.
Synchronizacji dokonuje siê za pomoc± komparatora cyfrowego, co mo¿e i zmniejszy³o warto¶ci u¿ytkowe, ale znacznie upro¶ci³o schemat.
Czê¶æ cyfrowa równie¿ wymaga uruchomienia. Za pomoc± rezystora R6 i kondensatorów TR1 i C14 opó¼niamy sygna³ kana³ów 1 i 3 przetwornika analogowo-cyfrowego, co kompensuje opó¼nienia wywo³ane ³±czeniem i inwersj± kana³ów 2 i 4. Za pomoc± trymera TR1 wyrównujemy kszta³t sygna³u sinusoidalnego.
Muszê jednak przyznaæ, ¿e nie uda³o mi siê ca³kowicie zsynchronizowaæ faz ró¿nych kana³ów przetwornika z powodu drgañ czêstotliwo¶ci, które w tym trybie wyst±pi³y.
Tak czy siak, ¿eby wpi±æ kilka przetworników do pracy naprzemiennej i ¿eby to dzia³a³o, najlepiej by³oby skorzystaæ z PLD z PLL na pok³adzie.
Rezystor R7 i kondensator C15 wywo³uj± opó¼nienie, aby moment zapisu danych w rejestrze tymczasowym nie zbieg³ siê z niestabilno¶ci± na wyj¶ciach przetwornika analogowo-cyfrowego. Byæ mo¿e trzeba zmniejszyæ rezystor R12 w celu ustawienia na nim napiêcia o warto¶ci „pewnego” zera logicznego w chwili, kiedy nie ¶wieci LED2. To zale¿y od podpiêcia do VCC od strony portu komputera.
Zastosowanie przetwornicy МАХ1627 w jednostce zasilania umo¿liwia zasilanie urz±dzenia napiêciem o warto¶ci od 5 do 9V (przy napiêciu wy¿szym ni¿ 9V na oscylografie widaæ zak³ócenia wywo³ane prac± PWM).
Urz±dzenie wymaga zasilania o mocy do 3,5W.
Projekt na PLD opracowany w ¶rodowisku MAX+plus II.
P³ytki urz±dzenia zaprojektowano w P-CAD 2001 i wykonano domowym sposobem za pomoc± drukarki laserowej i ¿elazka. Na p³ytce w czê¶ci analogowej uk³ad ¶cie¿ek zasilania analogowych uk³adów scalonych, przeka¼ników oraz po³±czenia bramek tranzystorów z wyj¶ciami rejestru przesuwnego wykonano metod± przewlekan±, gdy¿ rozmieszczenie tego na dwóch warstwach bez ryzyka powstania b³êdu jest trudne.
P³ytki s± po³±czone zworkami ХР1-ХР5, napiêcie pocz±tkowe polaryzacji na kana³y podaje siê ze zworki XP7 z czê¶ci cyfrowej urz±dzenia. Na schemacie podstawowym czê¶ci cyfrowej nie przedstawiono wszystkich kondensatorów blokuj±cych o pojemno¶ci 100nF, które nale¿y montowaæ przy ka¿dym z wyj¶æ VCC zasilania uk³adów scalonych. Zworka XP6 jest przeznaczona do programowania PLD, XP8 s³u¿y w celu pod³±czenia do portu LPT lub USB, XP9 jest przeznaczona do ¼ród³a zasilania.
W czasie pracy PLD i przetwornik wyra¼nie siê nagrzewaj±, wiêc ¿eby unikn±æ pogorszenia siê charakterystyk tych uk³adów scalonych w momencie przegrzania (zw³aszcza PLD), nale¿y na nich zamontowaæ radiator. Trzeba równie¿ ekranowaæ kana³y analogowe - zarówno miêdzy sob±, jak i miêdzy dzielnikami wewn±trz kana³u. Jako pamiêæ operacyjn± mo¿na zastosowaæ uk³ady scalone pamiêci typu cache procesorów Pentium II.
Teraz parê s³ów o wymaganym programie.
Jest napisany w Delphi7 i mo¿e doskona³o¶ci± nie grzeszy, ale spe³nia podstawow± funkcjê odzwierciedlenia sygna³ów. Ze wszystkich „korzy¶ci” nale¿y wymieniæ: pomiar tylko za pomoc± kursora, wyzwalanie na zbocze narastaj±ce i opadaj±ce, zapis obrazu do pliku BMP, mo¿liwo¶ci wyboru d³ugo¶ci zapisu w pamiêci operacyjnej - 1kB lub 128kB (przy ma³ej czêstotliwo¶ci próbkowania i 128kB czas zapisu wynosi ok. 3 minuty).
Pozosta³e funkcje to mo¿liwo¶æ wyboru d³ugo¶ci ogl±danej strony pamiêci 1kB lub 8kB, mo¿liwo¶æ wyboru ilo¶ci ogl±danych kana³ów oraz mo¿liwo¶æ ustawienia koloru obrazu oscylogramu wed³ug w³asnego uznania.
Jest jeszcze analizator widma, który co prawda posiada do¶æ s³aby zakres dynamiki i drgania o amplitudzie mniejszej ni¿ -50dB nie s± widoczne.
Istnieje równie¿ mo¿liwo¶æ w³±czenia interpolacji sin(x)/x (domy¶lna interpolacja - liniowa), ale z tej funkcji lepiej korzystaæ przy czêstotliwo¶ci sygna³u wiêkszej ni¿ 10MHz (tzn. przy ilo¶ci odczytów na okres mniej ni¿ 15-10). W przeciwnym wypadku funkcja ta powoduje tylko zak³ócenia. Ponadto stara siê z sygna³u trójk±tnego zrobiæ sinusoidalny, co nie zawsze jest wykonywane poprawnie.
Od d³ugo¶ci strony, ilo¶ci wykorzystywanych kana³ów, mocy procesora komputera, czêstotliwo¶ci próbkowania zale¿y czas zapisu, przesy³u i wy¶wietlania obrazu, a tak¿e maksymalna czêstotliwo¶æ od¶wie¿ania ekranu w momencie automatycznego uruchomienia. Tak wiêc przy wiêkszych ilo¶ciach kilobajtów i mikrosekund przegl±d w czasie „rzeczywistym” nie jest mo¿liwy.
Maksymalna czêstotliwo¶ci od¶wie¿ania oscylogramu przy d³ugo¶ci zapisu o warto¶ci 1kB i u¿yciu interfejsu USB wynosi 5fps. Natomiast maksymalna czêstotliwo¶æ w momencie pracy za po¶rednictwem LPT zale¿y od ilo¶ci wy¶wietlanych kana³ów i wynosi 1-3fps.
¯eby program normalnie pracowa³, wystarczy komputer z procesorem Pentium1, monitorem 800 na 600 pikseli, systemem Win98 - Win XP. Na Win Vista nie sprawdza³em.
¬ród³o: http://radiokot.ru/circuit/digital/measure/25/
Za³±czniki:
P³ytki drukowane w formacieP-CAD 2001.
Projekt dla MAX+plus II.
Soft do komputera
¬ród³a softu do komputera
- maksymalna czêstotliwo¶æ próbkowania sygna³u - 200MHz (dwa kana³y), 100MHz (cztery kana³y),
- pojemno¶æ pamiêci - 128kB na kana³. Po³±czenie z komputerem za pomoc± portu SPP LPT lub USB.
Dziêki t³umikom wej¶ciowym mo¿na otrzymaæ jeden z czterech wariantów czu³o¶ci - 0,05; 0,25; 1 i 5V. Podstawa czasu jest bardziej elastyczna, mo¿e wynosiæ od 40ms do 25ns na dzia³kê, 16 wariantów. Impendancja na wej¶ciu wynosi 1MΩ;. Nie mam czym zmierzyæ pojemno¶ci, ale my¶lê, ¿e jest równa ok. 10pF.
Pasmo czê¶ci analogowej umo¿liwia rozró¿nienie impulsu o d³ugo¶ci 25ns od takiej samej d³ugo¶ci sinusa, czyli wykrywanie sygna³ów o czêstotliwo¶ci do 20MHz. Czas narastania zbocza impulsu na drodze analogowej wynosi wiêcej ni¿ 7ns, co zale¿y od wyboru ogólnie dostêpnego i stosunkowo taniego wzmacniacza operacyjnego w wzmacniaczu wej¶ciowym. Dlatego czas narastania i opadania krótszy ni¿ 10ns raczej ciê¿ko zaobserwowaæ.
Sygna³y o czêstotliwo¶ci wy¿szej ni¿ 25MHz mo¿na zaledwie oszacowaæ. Sygna³ o wysokiej czêstotliwo¶ci, okresowy, którego okres nie jest wielokrotno¶ci± 5ns, nie jest symetryczny, ale w tym wypadku mo¿na zastosowaæ zjawisko interpolacji sin(x)/x, dziêki której z „trawy” na ekranie uda siê otrzymaæ idealn± sinusoidê. Zauwa¿alne za³amanie charakterystyki amplitudowo-czêstotliwo¶ciowej zaczyna siê od 30MHz.
Trzeba podkre¶liæ, ¿e strojenie czê¶ci analogowej to trudny kompromis pomiêdzy wzbudzaniem wzmacniacza operacyjnego, a pasmem tego toru. Ale w praktyce okazuje siê, ¿e powtarzalno¶æ sygna³u miêdzy kana³ami jest dobra je¶li zostan± u¿yte takie same elementy.
Przejd¼my do schematu.
Czê¶æ analogowa zosta³a wykonana zgodnie z klasycznym schematem przedstawiaj±cym podzia³ na wysokie i niskie czêstotliwo¶ci, sta³e i zmienne napiêcie, co umo¿liwi³o otrzymanie p³askiej charakterystyki amplitudowo-czêstotliwo¶ciowej i niewielkie zak³ócenia sygna³u w ca³ym zakresie pasma.
T³umiki wej¶ciowe sk³adaj± siê z oddzielnych dzielników przez 5 i 20, w razie potrzeby w³±czaj±cych siê szeregowo, co u³atwia ich ustawienie i pozytywnie wp³ywa na jako¶æ sygna³u. Na schemacie przedstawiono tylko jeden kana³ z czterech.
Przeka¼nik K1 pod³±cza dzielnik przez 5, K2 pod³±cza dzielnik przez 20, K3 w³±cza tryb pomiaru napiêcia sta³ego. Przeka¼nik K13 od³±cza wej¶cie przetwornika analogowo-cyfrowego od wzmacniacza drugiego kana³u i pod³±cza go do wyj¶cia wzmacniacza kana³u pierwszego. K14 pe³ni tê sam± funkcjê dla trzeciego i czwartego kana³u.
Takie prze³±czanie jest wymagane w przypadku ³±czenia wej¶æ dwóch przetworników analogowo-cyfrowych w trybie, w którym urz±dzenia te dygitalizuj± wspólny sygna³ (pierwszy w czasie narastania, drugi – w czasie opadania), co umo¿liwia podwojenie maksymalnej czêstotliwo¶ci próbkowania sygna³u.
Za pomoc± rezystora R44 okre¶lamy wspó³czynnik wzmocnienia DA1 tak, aby zniekszta³cenie 10-20Hz pojawia³o siê na wy¶wietlaczu bez zakrzywieñ linii poziomych - nawiasem mówi±c, lepiej to robiæ w trybie DC, poniewa¿ przy pomiarze sygna³u o czêstotliwo¶ci mniejszej ni¿ 40Hz w trybie AC dochodzi do zak³óceñ sygna³u, których nie uda³o mi siê usun±æ.
Poniewa¿ urz±dzenie jest zasilane akumulatorem, w celu oszczêdzania energii w szereg z cewk± przeka¼nika wpiêto rezystory ograniczaj±ce przep³yw pr±du z „rozruchowymi” kondensatorami. Z tej przyczyny do schematu do³±czono zespó³ monitoruj±cy poziom napiêcia zasilaj±cego na elementach DA9, VT13.
Kolor diody LED1 zmieni siê z zielonego na czerwony kiedy napiêcie spadnie poni¿ej 4,7V. ¦wiecenie siê diody LED2 ¶wiadczy o zapisywaniu danych w pamiêci operacyjnej urz±dzenia.
Synchronizacji dokonuje siê za pomoc± komparatora cyfrowego, co mo¿e i zmniejszy³o warto¶ci u¿ytkowe, ale znacznie upro¶ci³o schemat.
Czê¶æ cyfrowa równie¿ wymaga uruchomienia. Za pomoc± rezystora R6 i kondensatorów TR1 i C14 opó¼niamy sygna³ kana³ów 1 i 3 przetwornika analogowo-cyfrowego, co kompensuje opó¼nienia wywo³ane ³±czeniem i inwersj± kana³ów 2 i 4. Za pomoc± trymera TR1 wyrównujemy kszta³t sygna³u sinusoidalnego.
Muszê jednak przyznaæ, ¿e nie uda³o mi siê ca³kowicie zsynchronizowaæ faz ró¿nych kana³ów przetwornika z powodu drgañ czêstotliwo¶ci, które w tym trybie wyst±pi³y.
Tak czy siak, ¿eby wpi±æ kilka przetworników do pracy naprzemiennej i ¿eby to dzia³a³o, najlepiej by³oby skorzystaæ z PLD z PLL na pok³adzie.
Rezystor R7 i kondensator C15 wywo³uj± opó¼nienie, aby moment zapisu danych w rejestrze tymczasowym nie zbieg³ siê z niestabilno¶ci± na wyj¶ciach przetwornika analogowo-cyfrowego. Byæ mo¿e trzeba zmniejszyæ rezystor R12 w celu ustawienia na nim napiêcia o warto¶ci „pewnego” zera logicznego w chwili, kiedy nie ¶wieci LED2. To zale¿y od podpiêcia do VCC od strony portu komputera.
Zastosowanie przetwornicy МАХ1627 w jednostce zasilania umo¿liwia zasilanie urz±dzenia napiêciem o warto¶ci od 5 do 9V (przy napiêciu wy¿szym ni¿ 9V na oscylografie widaæ zak³ócenia wywo³ane prac± PWM).
Urz±dzenie wymaga zasilania o mocy do 3,5W.
Projekt na PLD opracowany w ¶rodowisku MAX+plus II.
P³ytki urz±dzenia zaprojektowano w P-CAD 2001 i wykonano domowym sposobem za pomoc± drukarki laserowej i ¿elazka. Na p³ytce w czê¶ci analogowej uk³ad ¶cie¿ek zasilania analogowych uk³adów scalonych, przeka¼ników oraz po³±czenia bramek tranzystorów z wyj¶ciami rejestru przesuwnego wykonano metod± przewlekan±, gdy¿ rozmieszczenie tego na dwóch warstwach bez ryzyka powstania b³êdu jest trudne.
P³ytki s± po³±czone zworkami ХР1-ХР5, napiêcie pocz±tkowe polaryzacji na kana³y podaje siê ze zworki XP7 z czê¶ci cyfrowej urz±dzenia. Na schemacie podstawowym czê¶ci cyfrowej nie przedstawiono wszystkich kondensatorów blokuj±cych o pojemno¶ci 100nF, które nale¿y montowaæ przy ka¿dym z wyj¶æ VCC zasilania uk³adów scalonych. Zworka XP6 jest przeznaczona do programowania PLD, XP8 s³u¿y w celu pod³±czenia do portu LPT lub USB, XP9 jest przeznaczona do ¼ród³a zasilania.
W czasie pracy PLD i przetwornik wyra¼nie siê nagrzewaj±, wiêc ¿eby unikn±æ pogorszenia siê charakterystyk tych uk³adów scalonych w momencie przegrzania (zw³aszcza PLD), nale¿y na nich zamontowaæ radiator. Trzeba równie¿ ekranowaæ kana³y analogowe - zarówno miêdzy sob±, jak i miêdzy dzielnikami wewn±trz kana³u. Jako pamiêæ operacyjn± mo¿na zastosowaæ uk³ady scalone pamiêci typu cache procesorów Pentium II.
Teraz parê s³ów o wymaganym programie.
Jest napisany w Delphi7 i mo¿e doskona³o¶ci± nie grzeszy, ale spe³nia podstawow± funkcjê odzwierciedlenia sygna³ów. Ze wszystkich „korzy¶ci” nale¿y wymieniæ: pomiar tylko za pomoc± kursora, wyzwalanie na zbocze narastaj±ce i opadaj±ce, zapis obrazu do pliku BMP, mo¿liwo¶ci wyboru d³ugo¶ci zapisu w pamiêci operacyjnej - 1kB lub 128kB (przy ma³ej czêstotliwo¶ci próbkowania i 128kB czas zapisu wynosi ok. 3 minuty).
Pozosta³e funkcje to mo¿liwo¶æ wyboru d³ugo¶ci ogl±danej strony pamiêci 1kB lub 8kB, mo¿liwo¶æ wyboru ilo¶ci ogl±danych kana³ów oraz mo¿liwo¶æ ustawienia koloru obrazu oscylogramu wed³ug w³asnego uznania.
Jest jeszcze analizator widma, który co prawda posiada do¶æ s³aby zakres dynamiki i drgania o amplitudzie mniejszej ni¿ -50dB nie s± widoczne.
Istnieje równie¿ mo¿liwo¶æ w³±czenia interpolacji sin(x)/x (domy¶lna interpolacja - liniowa), ale z tej funkcji lepiej korzystaæ przy czêstotliwo¶ci sygna³u wiêkszej ni¿ 10MHz (tzn. przy ilo¶ci odczytów na okres mniej ni¿ 15-10). W przeciwnym wypadku funkcja ta powoduje tylko zak³ócenia. Ponadto stara siê z sygna³u trójk±tnego zrobiæ sinusoidalny, co nie zawsze jest wykonywane poprawnie.
Od d³ugo¶ci strony, ilo¶ci wykorzystywanych kana³ów, mocy procesora komputera, czêstotliwo¶ci próbkowania zale¿y czas zapisu, przesy³u i wy¶wietlania obrazu, a tak¿e maksymalna czêstotliwo¶æ od¶wie¿ania ekranu w momencie automatycznego uruchomienia. Tak wiêc przy wiêkszych ilo¶ciach kilobajtów i mikrosekund przegl±d w czasie „rzeczywistym” nie jest mo¿liwy.
Maksymalna czêstotliwo¶ci od¶wie¿ania oscylogramu przy d³ugo¶ci zapisu o warto¶ci 1kB i u¿yciu interfejsu USB wynosi 5fps. Natomiast maksymalna czêstotliwo¶æ w momencie pracy za po¶rednictwem LPT zale¿y od ilo¶ci wy¶wietlanych kana³ów i wynosi 1-3fps.
¯eby program normalnie pracowa³, wystarczy komputer z procesorem Pentium1, monitorem 800 na 600 pikseli, systemem Win98 - Win XP. Na Win Vista nie sprawdza³em.
¬ród³o: http://radiokot.ru/circuit/digital/measure/25/
Za³±czniki:
P³ytki drukowane w formacieP-CAD 2001.
Projekt dla MAX+plus II.
Soft do komputera
¬ród³a softu do komputera
Cool! Ranking DIY
