Реферат: Цифровой осциллограф

Содержание

Стр.

TOC o «1-3» h z u Введение. PAGEREF _Toc124566182 h 3

Актуальность темы… PAGEREF _Toc124566183 h 4

Постановка задачи. PAGEREF _Toc124566184 h 5

1 Разработка структурной схемыустройства. PAGEREF _Toc124566185 h 6

2 Выбор МК и АЦП… PAGEREF _Toc124566186 h 8

3 Разработка принципиальной схемы ивыбор электронных компонентов. PAGEREF _Toc124566187 h 10

4. Описание работы устройства. PAGEREF _Toc124566188 h 21

5 Описание программы для микроконтроллера. PAGEREF _Toc124566189 h 22

ПРИЛОЖЕНИЕ A Программа для МК цифрового осциллографа.PAGEREF _Toc124566191 h 30

Заключение. PAGEREF _Toc124566192 h 42

Список использованных источников. PAGEREF _Toc124566193 h 43

Введение

В ходеразвития технологии микроэлектроники происходила миниатюризация электронныхсхем, 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 илипараллельный интерфейс связи, таймеры, схему прерываний и другие периферийныеустройства. Таким образом, на одной ИС можно реализовать множество различныхустройств, в которых требуется управлять каким то процессом. Причём совершенствованиетехнологии изготовления СБИС привело к повышению их производительности, имикроконтроллеры могут достаточно быстро реагировать на событие и обрабатыватьего.

Внастоящее время бурно развиваются цифровые приборы. Причём из-за лучшиххарактеристик цифровые приборы вытесняют аналоговые приборы.

Можновыделить следующие преимущества цифрового осциллографа:

-высокая точность измерений;

- яркийхорошо сфокусированный экран на любойскорости 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;

- резкоочерченные 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 либов виде самостоятельных приборов, либо в виде приставки к ПК. Устройства наоснове ПК относятся к новому направлению в измерительной технике – виртуальныеприборы. Теперь специалисту достаточно подключить к компьютеру дополнительноеустройство – модуль цифрового осциллографа, для того чтобы начать измерения и анализ физической величины. При этомпрограммная часть виртуального прибора эмулирует переднюю управляющую панельстационарного измерительного устройства. С помощью мыши и клавиатурыосуществляется управление прибором, специальными программами обработка,поступившей информации, а также её хранение на накопителе на жёстком диске.

Теми же возможностями обладают осциллографыс ЖКД (жидкокристаллическим дисплеем). Все возможности связанные савтоматизаций измерений встроены в цифровой осциллограф.

Актуальностьтемы

В настоящее время нарынке измерительной техники присутствует множество производителей цифровых запоминающихосциллографов (ЦЗО). Наиболее преуспевающие производители в России: «АКТАКОМ», ОАО«Руднёв — Шиляев», ЗАО «Компания Сигнал». Лидирующиепроизводителизарубежом: компании«Tektronix», «Hitachi-Denshi», «Agilent<st1:PersonName w:st=«on»>Tech</st1:PersonName>nologies», «LeCroy», «GaGe Applied <st1:PersonName w:st=«on»>Tech</st1:PersonName>nologies»,Good Will instrument Co. Ltd, фирма «ChauvinArnoux», корпорация «Fluke».

ЦЗО используются дляисследовательских работ или для тестирования, наладки, настройки электронныхустройств.

Постановка задачи

Вработе ставится задача придумать функциональную схему устройства, разработать вграфическом редакторе

OrCAD Capture принципиальную схему. В ходеразработки схем подобрать подходящие микросхемы для обеспечения нужныххарактеристик осциллографа. Написать программу для микроконтроллера.

Разрабатываемыйцифрового осциллографа должен обладать следующими основными параметрами:

Числоканалов: 2

РазрядностьАЦП: 8

Частотадискретизации АЦП: 20 МГц

Размеркадра: 240 байт

Максимальныйдиапазон входного напряжения: <img src="/cache/referats/21009/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1026">

Количествовольт на деление, В/дел: 1, 0.5, 0.2,0.1, 0.01

Количествовремени на деление: от 500 нс/дел до 10 с/дел

Полосапропускания по уровню — 3 дБ аналогового блока: 10 МГц

Входноесопротивление:1 МОм

Входнаяёмкость: 20 пФ

Устройствоотображения: ЖКД 320X240

1Разработка структурной схемы устройства

Аналоговый сигнал передоцифровкой в зависимости от амплитуды и выбранного пользователем количествавольт на деление (В/дел) нужно, как известно, ослабить или усилить. Важно, чтобы напряжение нааналоговом входе аналого-цифрового преобразователя (АЦП) после преобразованийне выходило за пределы максимального допустимого значения. Обычно размахнапряжений аналогового входа АЦП равен 1 В (от — 0.5 В до + 0.5 В), а шагквантования 8 – разрядного АЦП равен 0.004 В. Поэтому напряжение от 0.5 В до 5В нужно уменьшить по амплитуде, чтобы не превысить максимальные значения, анапряжение от 0.004 В до 0.5 В – усилить перед оцифровкой для получения большейинформации о сигнале. Для этого на входставятся аттенюаторы и усилитель [1]. На рисунке 1.1 представленафункциональная схема аналогового блока для одного канала.

Информациюо сигнале после оцифровки с помощью АЦП нужно быстро сохранить в память, такчтобы сохранилась его частота дискретизации. Для выполнения условия нужно, чтобы время доступа у памяти (tдос) совпадало с периодом дискретизации АЦП (Tд). В нашем случае Tд= tдос= 50 нс.

На рисунке 1.2 изображенаструктурная схема устройства. МК предназначен для обработки информации осигнале и передачи данных на ЖКД. Чем выше скорость работы МК, тем больше информации о сигнале удаётся получить.

Аттенюатор

Ku=1/5

Аттенюатор

Ku=1/10

Аттенюатор

Ku=1/2

Ключ 2

Ключ 1

Ключ 3

Ключ 4

Усилитель Ku=10

AIn

Ключ 6

Рисунок 1.1 – Структурная схема аналогового блока

SHAPE * MERGEFORMAT

AIn2

AIn1

Аналоговый блок

АЦП

8 – разрядный МК

Рисунок

1.2 – Структурная схема устройства

Графический ЖКД

2 Выбор МК и АЦП

Для быстрого сохранения вОЗУ информации о сигнале нужно выбрать МК с максимальной производительностью.Объём ОЗУ должен быть не меньше 512 + 256 байт, так как размер кадра равен 240байт и осциллограф двухканальный. Для считывания данных с выходов АЦП нужно 2порта ввода-вывода. Также для управления ЖКД нужно ещё 2 порта. Для управленияключами и кнопок ещё 2 порта. Периферия должна содержать таймеры для созданиязадержек и встроенный АЦП для измерения постоянного напряжения. В таблице 2.1приведены результаты обзора микроконтроллеров с наиболее популярнымимикропроцессорными ядрами MCS-51 и PIC. Из таблицы выберем по главному параметру –быстродействию лучший МК.

Таблица 2.1 – Результаты обзора микроконтроллеров различныхпроизводителей

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

<st1:place w:st=«on»><st1:City w:st=«on»>Dallas

</st1:City></st1:place> Semiconductor

DS

87C550

33

55

1280

2 UARTs

Silicon

Laboratories

C8051F120

100

64

8448

2 UARTs, SMBus, SPI

Microchip

PIC

18F4455

48

34

2048

USB

2.0, I2C, SPI, USART

Отличительнойособенностью МК DS87C550 является перепроектированное ядро процессора,позволяющее исключить холостые такты и циклы памяти. В результате, каждаякоманда системы команд 8051 выполняется в три раза быстрее, чем стандартным МК,работающем на той же тактовой частоте. DS87C550 имеет максимальную тактовуючастоту 33MHz, что эквивалентно работе стандартного МК с тактовой частотой до99MHz.

МКC8051F120выполняет 70% команд за 1 или 2 такта и обладает производительностьдо 100 MIPS на тактовой частоте 100МГц. Кроме того, он подходит по всемостальным параметрам для разрабатываемого устройства. Поэтому остановим свойвыбор на нём.

АЦП долженбыть сдвоенный и иметь частоту дискретизации 20 МГц. Такие АЦП выпускают многиепроизводители. Так как AnalogDevicesвыпускаеткачественные АЦП, то выберем из её продукции микросхему AD9288 cчастотой преобразования40 МГц.

3 Разработка принципиальной схемы ивыбор электронных компонентов

Как видно из структурнойсхемы аналогового блока нужно рассчитать аттенюаторы или делители напряжениядля ослабления сигнала по амплитуде.

Рисунок 3.1 – Делитель напряжения

Предположим, что нагрузки нет, тогдапо закону Ома <img src="/cache/referats/21009/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028"><img src="/cache/referats/21009/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> Для различныхделителей будет меняться коэффициент ослабления <img src="/cache/referats/21009/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030"><img src="/cache/referats/21009/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1031">

Таблица 3.1 – Номиналы резисторов для аттенюаторов

0.5

0.8

0.2

0.9

0.1

Резисторы на высокихчастотах имеют паразитную ёмкость на подложку. Проволочные резисторы ведут себяхорошо на частотах до 50 кГц, углеродные резисторы используются на частотах до1 МГц. Для данной схемы нужно использовать плёночные резисторы, которые имеютстабильные параметры на частотах до 100 МГц.

При работе в режиме постоянногонапряжения сигнал подаётся сразу на делитель, а при работе с переменнынапряжением для отсечения постоянных составляющих сигнала на вход ставитсяконденсатор. Конденсатор имеет комплексное сопротивление <img src="/cache/referats/21009/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1038"><img src="/cache/referats/21009/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1039">

Делители должныотключаться и подключаться к цепи по отдельности. Для этого будем использоватьаналоговые ключи ADG201, обладающие сопротивлением 60 Ом в открытом состоянии иразмахом напряжения аналогового входа <img src="/cache/referats/21009/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1040">[2].

Для усиления сигналабудем использовать сдвоенный ОУ AD8008. ОУ имеет полосу пропускания по уровню -3 дБ равную 600 МГц прикоэффициенте усиления <img src="/cache/referats/21009/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1041"> и диапазон напряженияна входе равный <img src="/cache/referats/21009/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1042">

На рисунки 3.2 показанарекомендуемая производителем схема включения [3].

Рисунок 3.2– Схема включения ОУ

Как известно при неинвертирующем включении идеального ОУ, его коэффициент усиления определяетсяпростой формулой: <img src="/cache/referats/21009/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1044"><img src="/cache/referats/21009/image042.gif" v:shapes="_x0000_i1045"> в документациирекомендуется использовать следующие номиналы резисторов в: <img src="/cache/referats/21009/image044.gif" v:shapes="_x0000_i1046"><img src="/cache/referats/21009/image046.gif" v:shapes="_x0000_i1047">

Для фильтрации ВЧ помех вцепи питания микросхем включаем конденсаторы.

На рисунке 3.3представлена схема аналогового блока.

Выбранный АЦП имеетдифференциальные аналоговые входы. Для преобразования однопроводного сигнала вдифференциальный производитель рекомендует использовать ВЧ трансформатор ADT1-1WT, который имеет сопротивление 75 Ом иполосу пропускания 800 МГц [4]. Трансформатор не пропускает постоянный ток,поэтому для измерения постоянного напряжения будем использовать встроенный вмикроконтроллер АЦП.

Через состояние входов S1 и S2 задаётся режим вывода данных нацифровые выходы D7-D0. При S1=1, S2=0 (нормальный режим) данные на цифровые выходы канала Aи Bвыводятся одновременно, как показанона рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Временныедиаграммы для нормального режима работы АЦП

<img src="/cache/referats/21009/image050.gif" v:shapes="_x0000_i1049">Рисунок 3.3 – Принципиальная схема аналогового блока

АЦПимеет встроенный источник опорного напряжения (ИОН) напряжением 1.25 В, которыйподключен к выводу REFOUT. Ко входам REFINAи REFINBможно подключить внешний ИОН. Мы будем использоватьвстроенный источник, поэтому эти выводы не используются.

Приподаче высокого уровня на вход DFS(DataFormatOutput) данные выводятся в дополнительномкоде, а при низком уровня – в прямом коде.

Навход ENCAи ENCBподадим тактовый сигнал от МК длязапуска процесса преобразования. На рисунке 3.5 изображена схема включения АЦП.

Порт P4 и P5 микроконтроллера подключены к цифровым выходам канала Aи BАЦП соответственно.

Порт P0 используется для вывода сигналатактирования АЦП. Порт P3 — для подачи сигналов управления на ЖКД.

Порт P1 – используется для вывода данных наЖКД.

Вывод VDD– напряжение питания цифровой частиМК, DGND– земля цифровой части МК. Вывод AV+ – напряжение питания аналоговойчасти МК, DGND– земля аналоговой части МК [5].

TMS, TCK, TDI, TDO– выводы через которые производитсязагрузка и отладка программы. Они соединены c выводами JTAG интерфейса.

Так как мы будемиспользовать встроенный тактовый генератор с частотой 24.5 МГц, выводы XTAL1 и XTAL2 не используются. MONEN– монитор питания при высоком уровненапряжения на нём сбрасывает микроконтроллер, если VDD<VRST, а при низком уровне – он отключен.

На вывод VREFвыводится напряжение ИОН. Вход VREFAподключим к выходу VREFдля того чтобы использоватьвнутренний ИОН для работы АЦП. Таким образом, встроенный в МК АЦП будетизмерять постоянное напряжение.

Для измерения постоянногонапряжения с канала 1 будем использовать вход AIN0.1, а для измерения постоянногонапряжения с канала два — вход AIN0.2.

На рисунке 3.6представлена схема цифрового блока.

Рисунок 3.5 – Схема включения АЦП

Рисунок 3.6 – Схема включения МК

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

Рисунок 3.7 — Схема иерархическогоблока кнопок.

Ковходу P2 подключены цифровые входы ключей. Подключение произведено черездешифраторы, чтобы уменьшить длину управляющего кода.

Для отображения осциллограммы воспользуемся ЖКДпроизводства компании «Hantronix» HDM3224-1 cразрешением 320x240 пикселов ивстроенным контроллером SED1335 фирмы «Epson».

Описание контактов SED1335 [6]:

Выходы:

VA0 — VA15 — 16 разрядный адрес памятидисплея. 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 управлениячтением памяти дисплея.

VCE — активныйпо низкому уровню сигнал управления режимом ожидания статической памяти.

VWR — активный по низкому уровню выход управлениязаписью памяти дисплея.

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

XSCL – выход, вырабатывающий сигнал тактирования длясдвигового регистра (соединён со входом CPдисплея). Задний фронт XSCLзащёлкивает данные XD0…XD3 на входе регистра сдвига.

LP – защёлка импульса. Защёлкивает сигнал на сдвиговыхрегистрах Х-драйвера в защёлках выходных данных. LP — сигнал, отпирающий позаднему фронту, и приходящий один раз в каждой строке дисплея.

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

Входы:

XGи XD– входы, к которым подключаетсявнешний тактовый генератор

VDD — напряжениепитания от 2.7 В до 5.5 В.

VSS – общий вывод.

D0 — D7 – шина данных. Контактывхода/выхода на три состояния. Подключаются к микропроцессорной шине данных.

SEL1 и SEL2 – контакты выбора интерфейсамикропроцессора (таблица 3.2).

Таблица3.2 – Виды интерфейсов, поддерживаемые контроллером SED1335

SEL1

SEL2

Интерфейс

A0

RD