Arduino Uno jako oscyloskop USB - projekt Girino, zalety i wady

Witam wszystkich,
Poszukiwałem jakiejś sensownej namiastki oscyloskopu na atmedze i podłączanej do USB, jednym słowem powinno być jak najtaniej i jak najlepiej. Chciałem się podzielić wynikami poszukiwań i podpytać o parę spraw. Znalazłem projekt Girino.

Hardware: Arduino UNO + układ wejściowy http://www.instructables.com/id/Girino-Fast-Arduino-Oscilloscope/?ALLSTEPS
Software (wymaga Javy i zainstalowanego Arduino IDE) https://github.com/Chatanga/Girinoscope - wygląda przyzwoicie.

Parę wad:
1. Układ wejściowy oparty jest na LM324 (o czym sam autor projektu wspomina) i jak dla mnie to ma małą impedancję wejściową (1MΩ)
2. Przetwornik wykorzystywany jest w trybie 8 bitowym - albo szybkość, albo rozdzielczość.
3. Brak FFT w sofcie.

Zalety:
1. Próbkowanie do 300kHz
2. Gotowy soft na PC
3. Regulacja offsetu wejścia.

Obowiązkowo na wejściu trzeba by dodać jakiś dzielnik i zmienić opamp. Ewentualnie dodać stopień wzmacniający x10 x100 i może wejście różnicowe.

Pytania:
1. Czy warto dodawać filtr dolnoprzepustowy żeby odciąć sygnały powyżej 150kHz?
2. Czy oprócz wyżej wymienionych coś jeszcze by by się przydało?
3. Czy ktoś próbował zrobić ten projekt?
4. Może zna ktoś podobne projekty? Dobrze by było z FFT.

A co powiesz na projekt naszego forumowego kolegi:
https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic2020182.html

majtek007 napisał:

jak dla mnie to ma małą impedancję wejściową (1MΩ)

To standardowa impedancja wejściowa znakomitej większości oscyloskopów. Pozwala na współpracę ze standardowymi przełączanymi (x1/x10) sondami pasywnymi.

majtek007 napisał:

Brak FFT w sofcie.

FFT w tanich (tak poniżej 2000zł) oscyloskopach cyfrowych ma taką funkcjonalność, że jej brak jest żadną stratą.

majtek007 napisał:

Przetwornik wykorzystywany jest w trybie 8 bitowym

Również standard dla niedrogich DSO.

Jak dla mnie impedancja wejściowa na poziomie 1MΩ jest dobra dla wszystkich przyrządów oprócz pomiarowych. Nawet marketowe multimetry mają po 10MΩ na wejściu.
Czemu 1MΩ to za mało? Przykładowo weźmy, że mierzymy napięcie na jednym rezystorze w dzielniku 100kΩ/100kΩ - podłączając równolegle miernik o impedancji wejściowej 1MΩ do 100k rezystora daje 91k - czyli z dzielnika 100/100 robi nam się 100/91 tym samym wynik pomiaru różni się o 9%.

A "drześkowy" oscyloskop bardzo fajny jak na swoje rozmiary, ale jak w temacie - poszukuję czegoś podpinanego do PC:
- po pierwsze duży ekran jest wygodniejszy,
- po drugie ekran komputera czyli brak zbędnych wydatków,
- po trzecie z oscyloskopu wystarczy wysłać same przebiegi a procesor PCta niech robi resztę roboty.

Niestety ten oscyloskop Girino i jego soft jest w fazie raczkującej, stąd pytam o jakieś alternatywy (niekoniecznie arduino, ważne żeby na jakimś AVRze).

majtek007 napisał:

Jak dla mnie impedancja wejściowa na poziomie 1MΩ jest dobra dla wszystkich przyrządów oprócz pomiarowych. Nawet marketowe multimetry mają po 10MΩ na wejściu.

Ale nie oscyloskopy, jak już pisałem każdy normalny oscyloskop ma 1MOhm. Dlatego oscyloskopu praktycznie zawsze używa się z sondą pomiarową x10, która również 10x zwiększa jego impedancję wejściową... a tak w zasadzie to jest rezystancja wejściowa, bo impedancja przy 1MHz jest duuuużo mniejsza.

majtek007 napisał:

Czemu 1MΩ to za mało? Przykładowo weźmy, że mierzymy napięcie na jednym rezystorze w dzielniku 100kΩ/100kΩ - podłączając równolegle miernik o impedancji wejściowej 1MΩ do 100k rezystora daje 91k - czyli z dzielnika 100/100 robi nam się 100/91 tym samym wynik pomiaru różni się o 9%.

Błąd w rozumowaniu, bo to akurat nie jest żadnym problemem - wiesz o tym i możesz wyliczyć korektę. Prawdziwym problemem jest zaburzenie działania układu przez dołączenie urządzenia pomiarowego.

majtek007 napisał:

poszukuję czegoś podpinanego do PC:
- po pierwsze duży ekran jest wygodniejszy,
- po drugie ekran komputera czyli brak zbędnych wydatków,

W praktyce przystawki oscyloskopowe do PC są mało popularne i niezbyt lubiane, podobnie zresztą jako skopometry. Mi też podobały się przystawki ale ostatecznie kupiłem zwykły oscyloskop i szczerze powiedziawszy to praktycznie nie korzystam z możliwości jego pracy jako przystawka do PC (a ma taką opcję).

majtek007 napisał:

po trzecie z oscyloskopu wystarczy wysłać same przebiegi a procesor PCta niech robi resztę roboty.

Znów błąd w rozumowaniu - czym chcesz to przesłać do PC? Jeśli ten oscyloskop ma mieć jakieś sensowne pasmo (choćby 0,5MHz) i chciałbyś wyższą rozdzielczość niż 8 bitów (bo masz duży ekran) to jak to chcesz przesłać do PC po UARTcie? Pasmo 0,5MHz oznacza próbkowanie min. 1,5MSa/s (ale raczej 2,5MSa/s) i przy rozdzielczości 16 bit daje to 24Mbps (40Mbps). DSO nie działa w czasie rzeczywistym, ma spory czas martwy, dlatego co najmniej obsługa wyzwalania i bufor pierścieniowy muszą być realizowane po stronie elektroniki, a nie PC. Do tego przydałyby się sprzętowo przełączane dzielniki (mnożniki) wejściowe oraz obwód odcinania składowej stałej.

tzok napisał:

Błąd w rozumowaniu, bo to akurat nie jest żadnym problemem - wiesz o tym i możesz wyliczyć korektę. Prawdziwym problemem jest zaburzenie działania układu przez dołączenie urządzenia pomiarowego.

To jest wystarczający powód.

tzok napisał:

majtek007 napisał:

poszukuję czegoś podpinanego do PC:
- po pierwsze duży ekran jest wygodniejszy,
- po drugie ekran komputera czyli brak zbędnych wydatków,

W praktyce przystawki oscyloskopowe do PC są mało popularne i niezbyt lubiane, podobnie zresztą jako skopometry. Mi też podobały się przystawki ale ostatecznie kupiłem zwykły oscyloskop i szczerze powiedziawszy to praktycznie nie korzystam z możliwości jego pracy jako przystawka do PC (a ma taką opcję).

Jak to się mawia, o gustach się nie dyskutuje, ale skoro Pan zaczął. W pracy mam dwie przystawki Tie Pie Handyscope HS4 DIFF i na całe szczęście mogą one pracować jako połączone urządzenia wtedy mam do dyspozycji 8 zsynchronizowanych wejść i proszę wierzyć lub nie, ale wykorzystuję je wszystkie na raz. Czego z normalnym oscyloskopem zrobić nie mogę.

tzok napisał:

majtek007 napisał:

po trzecie z oscyloskopu wystarczy wysłać same przebiegi a procesor PCta niech robi resztę roboty.

Znów błąd w rozumowaniu - czym chcesz to przesłać do PC? Jeśli ten oscyloskop ma mieć jakieś sensowne pasmo (choćby 0,5MHz) i chciałbyś wyższą rozdzielczość niż 8 bitów (bo masz duży ekran) to jak to chcesz przesłać do PC po UARTcie? Pasmo 0,5MHz oznacza próbkowanie min. 1,5MSa/s (ale raczej 2,5MSa/s) i przy rozdzielczości 16 bit daje to 24Mbps (40Mbps). DSO nie działa w czasie rzeczywistym, ma spory czas martwy, dlatego co najmniej obsługa wyzwalania i bufor pierścieniowy muszą być realizowane po stronie elektroniki, a nie PC. Do tego przydałyby się sprzętowo przełączane dzielniki (mnożniki) wejściowe oraz obwód odcinania składowej stałej.

Skoro ten Girono potrafi przesłać każdy sampel do PC i potrafi to zrobić dla 300kHz próbkowania, znaczy że się da przesłać taką ilość danych przy pomocy UARTa. A tę 300kHz wymieniłem jako zaletę - czyli wygórowanych wymagań nie mam, skąd Pan wie z jakimi częstotliwościami pracuję?

A wracając do przystawek które mam w pracy, to zbierają one tylko dane - resztę odwala soft na PC (TiePie MultiChannal) mogę je sobie obrabiać (FFT, filtrowanie, wzmacnianie, odejmowanie itp.) czy to w czasie rejestracji czy później, jeśli tylko zapiszę dane wejściowe.

PS. Nie próbuję nawet porównywać możliwości czegoś opartego o samą Atmegę z przystawką typu HS4, bo są to dwie różne skrajności.

PS. 2 Gdybym nie miał co zrobić z kasą, to do domu kupił bym oscyloskop albo przystawkę, a nie szukał jak zrobić je samemu za psie pieniądze. Nie po to ten temat.

majtek007 napisał:

Skoro ten Girono potrafi przesłać każdy sampel do PC i potrafi to zrobić dla 300kHz próbkowania, znaczy że się da przesłać taką ilość danych przy pomocy UARTa.

No właśnie nie potrafi, przesyła tylko zawartość bufora (2kSa) po wystąpieniu wyzwolenia. 300kSa/s to częstotliwość próbkowania ADC. Nawet prawdziwe DSO entry-level odświeża ekran kilka-kilkanaście razy w ciągu sekundy. Zapoznaj się też z pojęciami Real-Time Sampling i Equivalent-Time Sampling.

...po tym co piszesz to wnioskuję, ze Ty nie potrzebujesz oscyloskopu tylko rejestrator (a może wystarczy Ci analizator stanów logicznych). Jako oscyloskop to ten TiePie jest poniżej krytyki z deklarowanym pasmem analogowym 50MHz przy próbkowaniu 50MSa/s (jak coś takiego widzę w specyfikacji to zapala mi się w głowie przysłowiowa lampka z napisem "uwaga ściema"). Powinny być minimum 3 próbki na okres sygnału, w praktyce co najmniej 5... Producent tego "cudu" nie podaje też istotnych parametrów jak czas narastania sygnału (no ale to jest powiązane z pasmem analogowym) czy czas martwy (ale podaje maksymalną szybkość streamingu danych, która jest dużo niższa niż częstotliwość próbkowania, więc do PC też nie trafiają wszystkie zebrane próbki). Dla porównania mój na prawdę marny Siglent SDS-1022DL przy paśmie analogowym 25MHz ma próbkowanie 500MSa/s.

Może to Cię zainteresuje:
http://www.usbee.com/qx.html
https://www.saleae.com/ - Logic PRO8/PRO16

http://www.instructables.com/id/DIY-USB-OSCILLOSCOPE-IN-A-MATCHBOX/
http://www.instructables.com/id/DPScope-Build-Your-Own-USBPC-Based-Oscilloscope/
http://ajoyraman.in/USB_Simple_Oscilloscope.html
http://www.circuitvalley.com/2011/07/two-channel-pcbased-oscilloscope-usb.html <- PIC a nie AVR ale powinno Cię zainteresować.
http://www.pdamusician.com/lcscope/index.html
http://yveslebrac.blogspot.com/2008/10/cheapest-dual-trace-scope-in-galaxy.html <- raczej szybki woltomierz z rejestratorem niż oscyloskop ale prosty, tani i na AVR.

majtek007 napisał:

skąd Pan wie z jakimi częstotliwościami pracuję?

Nie wiem, chyba warto byłoby o tym napisać w poście otwierającym. Bo pod pojęciem oscyloskop zazwyczaj rozumie się coś co ma pasmo analogowe przynajmniej powyżej 1MHz i co najmniej 5MSa/s. Konstrukcje DIY mające gorsze parametry mają co najwyżej wartość dydaktyczną.

majtek007 napisał:

wtedy mam do dyspozycji 8 zsynchronizowanych wejść i proszę wierzyć lub nie, ale wykorzystuję je wszystkie na raz. Czego z normalnym oscyloskopem zrobić nie mogę.

Dlaczego nie? Jeśli tylko ma wyjście sygnału wyzwalającego (a większość 4-ro kanałowych ma) to można.

Cytat:

Nawet prawdziwe DSO entry-level odświeża ekran kilka-kilkanaście razy w ciągu sekundy.

Wiele oscyloskopów PC (w tym bardzo tanich) zapewnia transmisję danych do granic możliwości interfejsu (w przypadku USB FS/HS, SS też się pewnie da wysycić ale wymagania co do sprzętu są większe). Nie ma problemu z odświeżaniem dorównującym odświeżaniu monitora, ale odświeżanie ekranu to mało istotny parametr bo ograniczony przez percepcję człowieka, istotna jest ilość zapamiętywanych ramek (wfps, waveforms per second) która sięga w dobrych oscyloskopach miliona.

Dlaczego niby AVR? W podobnej cenie (~$5) do klonów arduino są mini-zestawy z ARM o znacząco większych możliwościach:
- 2 x (= gwarancja braku przesłuchów przy pracy dwukanałowej) ADC które pracowałyby w nominalnym zakresie a nie przetaktowane
- 8 x więcej pamięci RAM (= kilkanaście razy większy bufor) na potrzeby pracy z buforowaniem po stronie urządzenia
- DMA, zdolność do transmisji do PC w czasie rzeczywistym do ok. 900 kB/s

Lista otwartego oprogramowania: http://www.opencircuits.com/Oscilloscope#Free_software , zapewne niepełna (nie widzę projektu sigrok, chociaż to przede wszystkim analizator logiczny, nie wiem czy jego część oscyloskopowa była rozwijana i jest w praktyce użyteczna).

tzok napisał:

No właśnie nie potrafi, przesyła tylko zawartość bufora (2kSa) po wystąpieniu wyzwolenia. 300kSa/s to częstotliwość próbkowania ADC. Nawet prawdziwe DSO entry-level odświeża ekran kilka-kilkanaście razy w ciągu sekundy. Zapoznaj się też z pojęciami Real-Time Sampling i Equivalent-Time Sampling.

...po tym co piszesz to wnioskuję, ze Ty nie potrzebujesz oscyloskopu tylko rejestrator (a może wystarczy Ci analizator stanów logicznych).

No tak, patrząc w ten sposób, to 300kSa/s to jakieś 320kB/s, UART tyle nie wyciśnie. Tylko, że nie myślę o sekundowym oknie, na dobrą sprawę to by wystarczyło małe okno np 12kS @ 300kHz - to daje okno czasowe 40ms (do przebiegów w kHz to i tak za szerokie okno, najczęściej wystarczy kilka okresów - parę ms na ekranie), pozostałe 960ms było by tracone bezpowrotnie (skoro nikt tego nie ogląda to co to za strata?). Przełączanie częstotliwości próbkowania w dół oczywiście wydłuża to okno, ale zachowywane jest cały czas 12kS (czyli niecałe 14kB/s przez UART), więc jak ktoś potrzebuje sekundowe okno np do przebiegów wolnozmiennych to zmienia próbkowanie i przy 12kHz i 12kS miałby dokładnie sekundowe okno, a przy 1kHz próbkowania i 12kS - 12 sekundowe okno.

To jest jeszcze oscyloskop czy rejestrator?

Zacznij od tego jakie częstotliwości chcesz obserwować.
Jeśli chodzi o obróbkę danych czy interfejs po stronie komputera to polecam zainteresowanie się LabView - tam masz gotowe FFT i jakie tylko chcesz analizy.
Filtr dolnoprzepustowy zawsze powinno się stosować aby eliminować alaising.
Co do impedancji to 1MOhm to standard - aby zmniejszyć wpływ pomiaru na układ badany stosuje się odpowiednie sondy - np. x10, czy specjalne aktywne.
Woltomierze z kolei owszem, jeśli są dobrej klasy to mają rezystancję rzędu 10-100MOhm.

Ogólnie może powiedz do czego chcesz stosować układ, co chcesz nim mierzyć.

majtek007 napisał:

Przełączanie częstotliwości próbkowania w dół oczywiście wydłuża to okno, ale zachowywane jest cały czas 12kS (czyli niecałe 14kB/s przez UART), więc jak ktoś potrzebuje sekundowe okno np do przebiegów wolnozmiennych to zmienia próbkowanie i przy 12kHz i 12kS miałby dokładnie sekundowe okno, a przy 1kHz próbkowania i 12kS - 12 sekundowe okno.

Tylko, żeby mieć okno musi być wyzwalanie po stronie elektroniki/mikrokontrolera, a nie PC. Jak potrzebujesz rejestrować wszystkie próbki (bez wyzwalania), to mówimy o rejestratorze. Oscyloskop służy głównie do obserwacji przebiegów powtarzalnych (okresowych), DSO może rejestrować też przebiegi jednorazowe w ramach pojemności swojego bufora (od wyzwolenia do zapełnienia bufora, choć da się też przed wyzwoleniem albo nawet do wyzwolenia).

majtek007 napisał:

To jest jeszcze oscyloskop czy rejestrator?

Jest wyzwalanie i przebiegi okresowe, więc oscyloskop... ale jako przyrząd serwisowy raczej mało przydatny. Może do jakiegoś specyficznego zastosowania wystarczający, ale nie sprecyzowałeś swojego zastosowania.

piotrva napisał:

Jeśli chodzi o obróbkę danych czy interfejs po stronie komputera to polecam zainteresowanie się LabView - tam masz gotowe FFT i jakie tylko chcesz analizy.

Niech kolega mnie źle nie zrozumie ale w cenie LabView można mieć całkiem niezły nowy chiński oscyloskop albo porządnego używanego HP/Tektronixa.

I tak ogólnie - mało który oscyloskop ma ADC większe niż 8 bitów - nowsze oscyloskopy owszem np nowe produkty Keysight'a ale ENOB w takich oscyloskopach (z 10 bitowym - 12 bitowym ADC) szybko leci w dol do ok 6 - 7 ENOB.
Starsze DSO maja przetworniki 6 - 8 bitów co widać.
Ilość próbek wymaganych do rekonstrukcji zależy ściśle od filtru interpolacyjnego użytego w DSO - dla filtrów klasy Sinc potrzeba ich mniej, w wypadku interpolacji liniowej więcej.

Niektóre ARM oferują prędkości próbkowania w okolicach kilku Ms, zmniejszenie błędów kwantyzacji przetwornika jest możliwe z użyciem ditheringu (tak subtraktywnego jak i zwykłego).

tzok napisał:

Tylko, żeby mieć okno musi być wyzwalanie po stronie elektroniki/mikrokontrolera, a nie PC. Jak potrzebujesz rejestrować wszystkie próbki (bez wyzwalania), to mówimy o rejestratorze. Oscyloskop służy głównie do obserwacji przebiegów powtarzalnych (okresowych), DSO może rejestrować też przebiegi jednorazowe w ramach pojemności swojego bufora (od wyzwolenia do zapełnienia bufora, choć da się też przed wyzwoleniem albo nawet do wyzwolenia).

Co do wyzwalania okna po stronie uC to widzę to tak, że co 1 sekundę było by zbierane tę powiedzmy 40ms @ 300kHz próbkowania.

Co do wymagań:
Na pewno potrzebuję oscyloskopu z FFT. Jeśli chodzi o zastosowanie to w grę wchodzą raczej częstotliwości rzędu parudziesięciu kHz, powiedzmy do 100kHz - zasilacze / przetwornice (głównie prostokątne przebiegi), częstotliwości sieciowe 50Hz + harmoniczne, czasem trochę audio. Te 8 bitów może rzeczywiście wystarczy - przy wejściu 1Vp-p wychodzi rozdzielczość rzędu 4mV.

Co do LV - czasem w ramach różnych wydarzeń, czy współpracy z uczelniami NI rozdaje licencje studenckie. Ale tak, dla firmy jest to obiektywnie drogie oprogramowanie.

Ja tu też bym się skłaniał do jakiegoś STM32 czy coś w tym stylu - będziesz miał więcej Ramu, zapas szybkości próbkowania.

Kiedyś kolega na STM32F4 zrobił taki "oscyloskop" z wysyłaniem danych po sieci Ethernet.

albertb napisał:

majtek007 napisał:

powiedzmy do 100kHz - zasilacze / przetwornice (głównie prostokątne przebiegi),

To jakie pasmo powinien według Ciebie mieć oscyloskop, który coś takiego pokaże?

Albert

Gdybym chciał oglądać stromość zboczy sygnału to musiałoby to być co najmniej paręnaście próbek na okres, czyli parę MHz. Ale dając 50zł zadowoliłbym się nawet takim "cudem" na arduino z 300kHz - chociażby po to żeby posprawdzać częstotliwości. Kwestia kasy.


PS. Ten wątek coraz bardziej odbiega w inną stronę niż, jego początkowy temat - czyli projekty przystawek oscyloskopowych na usb. Może tego się trzymajmy - jak ktoś ma i chce się podzielić to jestem otwarty na sugestię, a to czy projekt się przyda czy nie to każdy zainteresowany sam oceni.

majtek007 napisał:

Co do wyzwalania okna po stronie uC to widzę to tak, że co 1 sekundę było by zbierane tę powiedzmy 40ms @ 300kHz próbkowania.

Nici z tego, bo tym losowo zbieranym oknem możesz sobie "nie trafić". Wyzwalanie jest po to, żeby w buforze fragment przebiegu na którym następuje wyzwalanie był zawsze np. w połowie bufora (bufor jest pierścieniowy, więc im więcej ustawisz próbek do zbierania po wyzwoleniu, tym mniej będziesz mógł zobaczyć poprzedzających impuls wyzwalający).

majtek007 napisał:

Jeśli chodzi o zastosowanie to w grę wchodzą raczej częstotliwości rzędu parudziesięciu kHz, powiedzmy do 100kHz - zasilacze / przetwornice (głównie prostokątne przebiegi)

No to tak co najmniej 0,5MSa/s by się przydało... i do tego separacja od sieci (USB nie jest separowane). Do naprawy zasilaczy/przetwornic mam stary ruski analogowy oscyloskop S1-112A.

Spójrz na ten rysunek:


Oryginalny przebieg to ślad niebieski, kolejne to jego liniowe aproksymacje przy:
ślad czerwony przy częstotliwości próbkowania równej częstotliwości tego przebiegu,
ślad zielony przy częstotliwości próbkowania 2x większej od f przebiegu,
ślad różowy przy częstotliwości próbkowania 4x większej od f przebiegu.

majtek007 napisał:

Ten wątek coraz bardziej odbiega w inną stronę niż, jego początkowy temat - czyli projekty przystawek oscyloskopowych na usb.

Dałem Ci linki do 2 gotowych niedrogich przystawek i kilku projektów DIY. Nic nie wspomniałeś czy Ci pasują czy nie, a jeśli nie to dlaczego.

tzok napisał:

majtek007 napisał:

Ten wątek coraz bardziej odbiega w inną stronę niż, jego początkowy temat - czyli projekty przystawek oscyloskopowych na usb.

Dałem Ci linki do 2 gotowych niedrogich przystawek i kilku projektów DIY. Nic nie wspomniałeś czy Ci pasują czy nie, a jeśli nie to dlaczego.

Dzięki, widziałem wcześniej te projekty. A co do tych dwóch "tanich" przystawek - to tanie jak dla kogo Skoro nie chcę wykrzesać 100zł na stary ruski oscyloskop, tylko kombinuję jak by to zrobić najniższym kosztem, żeby mieć namiastkę oscyloskopu - jakaś Atmega zawsze się znajdzie pod ręką... a pytając o projekty - naprawdę nie oczekuję odpowiedzi "kup sobie gotowy".
Temat zamykam, bo widzę nic nowego się tu raczej nie pojawi.