Цифровой осциллограф
Содержание
Стр.
1 Разработка структурной схемы устройства. 6
3 Разработка принципиальной схемы и выбор электронных компонентов. 10
4. Описание работы устройства. 21
5 Описание программы для микроконтроллера. 22
ПРИЛОЖЕНИЕ A Программа для МК цифрового осциллографа. 30
Список использованных источников. 43
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.
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.
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.
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
|
Количество линий ввода - вывода |
|||||
|
DS87C550 |
|||||
|
Silicon Laboratories |
|||||
|
PIC18F4455 |
USB 2.0, I2C, SPI, USART |
