FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A MĚŘICÍ TECHNIKY

´ UCEN ˇ Í TECHNICKE ´ V BRNE ˇ VYSOKE BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY ˇ ÍCH TECHNOLOGIÍ A KOMUNIKACN ´ ˇ RIC ˇ Í TECHNIKY USTAV AUTOMATIZACE A ME FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF CONTROL AND INSTRUMENTATION

´ Í PAME ˇ TOV ˇ Y ´ OSCILOSKOP DIGITALN DIGITAL STORAGE OSCILLOSCOPE

´ RSK ˇ A ´ PRACE ´ BAKALA BACHELOR’S THESIS

´ AUTOR PRACE

ˇ DANIEL PISI

AUTHOR

´ VEDOUCÍ PRACE SUPERVISOR

BRNO 2008

ˇ HAVRANEK ´ ING. ZDENEK

ABSTRAKT Tato bakaláˇrská práce se zabývá návrhem a realizac´ı digitáln´ıho pamˇet’ového osciloskopu pˇripojitelného k PC pˇres sbˇernici USB. Prezentovaný mˇeˇric´ı pˇr´ıstroj si klade za c´ıl vyplnit mezeru mezi amatérskými konstrukcemi a drahými profesionáln´ımi osciloskopy. Kromˇe dobrých parametr˚ u a pˇrijatelné ceny se snaˇz´ı zaujmout svou svobodnou licenc´ı a originalitou ˇreˇsen´ı. Koncepce celé konstrukce ukazuje mˇeˇric´ı pˇr´ıstroj jako systém navzájem nezávislých modul˚ u pˇrináˇsej´ıc´ıch ˇsiroké moˇznosti rozˇs´ıˇren´ı funkˇcnosti.

ˇ ´ SLOVA KLÍCOV A ˇ pˇrevodn´ık, hradlové pole digitáln´ı pamˇet’ový osciloskop, sbˇer dat, A/C

ABSTRACT This bachelor project deals with design and implementation of PC based USB digital storage oscilloscope. The aim of presented measurement instrument is to fill the space between amateur constructions and expensive proffesional oscilloscopes. In addition to good measurement parameters and affordable price wants to engage by free licence and originality solution. The concept of whole construction shows measurement instrument as a system of independent modules bringing new possibilities of extending functionality.

KEYWORDS digital storage oscilloscope, data acquisition, A/D converter, FPGA

ˇ D. Digitáln´ı pamˇet’ový osciloskop. Brno: Vysoké uˇcen´ı technické v Brnˇe, Fakulta PISI, elektrotechniky a komunikaˇcn´ıch technologi´ı, 2008. 99 s. Vedouc´ı semestráln´ı práce Ing. Zdenˇek Havránek.

´ SEN ˇ Í PROHLA Prohlaˇsuji, ˇze svou bakaláˇrskou práci na téma Digitáln´ı pamˇet’ový osciloskop jsem vypracoval samostatnˇe pod veden´ım vedouc´ıho bakaláˇrské práce a s pouˇzit´ım odborné literatury a dalˇs´ıch informaˇcn´ıch zdroj˚ u, které jsou vˇsechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakaláˇrské práce dále prohlaˇsuji, ˇze v souvislosti s vytvoˇren´ım této bakaláˇrské práce jsem neporuˇsil autorská práva tˇret´ıch osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným zp˚ usobem do ciz´ıch autorských práv osobnostn´ıch a jsem si plnˇe vˇedom následk˚ u poruˇsen´ı ustanoven´ı § 11 a následuj´ıc´ıch autorského zákona ˇc. 121/2000 Sb., vˇcetnˇe moˇzných trestnˇeprávn´ıch d˚ usledk˚ u vyplývaj´ıc´ıch z ustanoven´ı § 152 trestn´ıho zákona ˇc. 140/1961 Sb.

V Brnˇe dne

...............

.................................. (podpis autora)

Na tomto m´ıstˇe bych rád podˇekoval vˇsem, kteˇr´ı mˇe pˇri vzniku této práce podporovali. Pˇredevˇs´ım panu Ing. Zdeˇnkovi Havránkovi, vedouc´ımu mé bakaláˇrské práce, za zájem, cenné rady a ˇcas, který mé práci vˇenoval. Rovnˇeˇz bych chtˇel podˇekovat vˇsem bl´ızkým za jejich významnou podporu.

OBSAH ´ Uvod

12

1 Teoretick´ yu ´ vod

13

1.1

Digitáln´ı osciloskopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

1.2

Dostupná ˇreˇsen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

1.2.1

Komerˇcnˇe vyrábˇené pˇr´ıstroje . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

1.2.2

Amatérské konstrukce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

2 Hardwarov´ eˇ reˇ sen´ı 2.1

2.2

2.3

16

Koncepce pˇr´ıstroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.1.1

Základn´ı deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.1.2

Mˇeˇric´ı moduly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

2.1.3

Komunikaˇcn´ı moduly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

2.1.4

Pomocn´ y modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

Modul dvoukanálového osciloskopu . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.2.1

Parametry pˇr´ıstroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.2.2

Funkce hradlového pole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.2.3

Deska dvoukanálového osciloskopu . . . . . . . . . . . . . .

22

Analogové submoduly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

2.3.1

Vstupn´ı ˇca´st . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

2.3.2

Zesilovaˇc s voliteln´ ym zes´ılen´ım . . . . . . . . . . . . . . .

24

2.3.3

Vysokofrekvenˇcn´ı filtr

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

2.3.4

Vertikáln´ı posun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

2.3.5

Korekce offsetu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

2.3.6

Diferenˇcn´ı budiˇc A/D pˇrevodn´ıku . . . . . . . . . . . . . .

27

2.3.7

Kalibrace mˇeˇric´ıch rozsah˚ u. . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

2.3.8

A/D pˇrevodn´ık . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

2.3.9

Zdroj hodinového signálu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

ˇ 2.3.10 Sum operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

2.3.11 Drift operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

2.4

2.5

2.3.12 Vypoˇctené hodnoty ˇsumu a driftu OZ . . . . . . . . . . . .

35

USB modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

2.4.1

Galvanické oddˇelen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

Nalezené nedostatky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

2.5.1

Analogov´ y submodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

2.5.2

Deska dvoukanálového osciloskopu . . . . . . . . . . . . . .

38

2.5.3

USB modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

3 Softwarov´ e vybaven´ı 3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

39

Obsluˇzn´ y software pro PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

3.1.1

V´ yvojové nástroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

3.1.2

Komunikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

3.1.3

Zobrazen´ı namˇeˇren´ ych dat . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

3.1.4

Ovládán´ı osciloskopu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

3.1.5

Konfigurace FPGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

USB pˇrevodn´ık . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

3.2.1

Architektura mikrokontroléru . . . . . . . . . . . . . . . .

43

3.2.2


44

3.2.3

Implementace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

Mikrokontrolér na základn´ı desce . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

3.3.1


45

3.3.2


45

3.3.3

Implementace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

Mikrokontrolér na desce dvoukanálového osciloskopu

. . . . . . .

46

3.4.1


46

3.4.2


46

3.4.3

Implementace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

Hradlové pole na základn´ı desce . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

3.5.1


47

3.5.2

Implementace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

4 Ovˇ eˇ ren´ı parametr˚ u pˇ r´ıstroje 4.1

4.2

4.3

4.4

49

Frekvenˇcn´ı charakteristiky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

4.1.1

Schéma zapojen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

4.1.2

Postup mˇeˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

4.1.3

Namˇeˇrené hodnoty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

4.1.4

Zhodnocen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

Linearita zesilovaˇce s voliteln´ ym zes´ılen´ım . . . . . . . . . . . . .

54

4.2.1

Schéma zapojen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

4.2.2

Postup mˇeˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

4.2.3


55

4.2.4

Pˇr´ıklad v´ ypoˇctu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

4.2.5

Zhodnocen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

ˇ Sum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

4.3.1

Postup mˇeˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

4.3.2


60

4.3.3

Pˇr´ıklad v´ ypoˇctu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

4.3.4

Zhodnocen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

Referenˇcn´ı napˇet´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

4.4.1

Postup mˇeˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

4.4.2


63

4.4.3

Zhodnocen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

5 Z´ avˇ er

65

Reference

67

Seznam pˇ r´ıloh

74

A Sch´ emata zapojen´ı

76

A.1 Základn´ı deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

A.2 Deska dvoukanálového osciloskopu . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

A.3 Analogov´ y submodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

A.4 USB modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79

B Osazovac´ı pl´ anky

80

B.1 Základn´ı deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

B.1.1 Strana souˇcástek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

B.1.2 Strana spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81

B.2 Deska dvoukanálového osciloskopu . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82


82

B.2.2 Strana spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

B.3 Analogov´ y submodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

84


84

B.3.2 Strana spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

B.4 USB modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86


86

B.4.2 Strana spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

C V´ ykresy ploˇ sn´ ych spoj˚ u

88

C.1 Základn´ı deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88

C.1.1 Strana souˇcástek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88

C.1.2 Strana spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89

C.2 Deska dvoukanálového osciloskopu . . . . . . . . . . . . . . . . . .

90


90

C.2.2 Strana spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91

C.3 Analogov´ y submodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91


91

C.3.2 Strana spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92

C.4 USB modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92


92

C.4.2 Strana spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92

D Seznamy souˇ c´ astek

93

D.1 Základn´ı deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

93

D.2 Analogov´ y submodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

95

D.3 Deska dvoukanálového osciloskopu . . . . . . . . . . . . . . . . . .

97

D.4 USB modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

99

´ ˚ SEZNAM OBRAZK U 2.1

Blokové schéma pˇr´ıstroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.2

Sniˇzuj´ıc´ı DC/DC mˇeniˇce napájec´ıch napˇet´ı 3,3 V a 1,2 V . . . . .

18

2.3

Blokové analogového submodulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

2.4

Zapojen´ı vstupn´ı ˇca´sti osciloskopu . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

2.5

Schéma zesilovaˇce s voliteln´ ym zes´ılen´ım . . . . . . . . . . . . . .

24

2.6

Dolnofrekvenˇcn´ı propust druhého ˇra´du . . . . . . . . . . . . . . .

25

2.7

Obvod pro realizaci vertikáln´ıho posunu . . . . . . . . . . . . . .

26

2.8

Zapojen´ı diferenˇcn´ıho budiˇce A/D pˇrevodn´ıku . . . . . . . . . . .

27

2.9

Schéma zdroje referenˇcn´ıch napˇet´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

2.10 Korekce referenˇcn´ıho napˇet´ı A/D pˇrevodn´ıku . . . . . . . . . . . .

29

2.11 Blokové schéma pouˇzitého A/D pˇrevodn´ıku . . . . . . . . . . . . .

29

2.12 Zdroj hodinového signálu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

3.1

Sn´ımek obrazovky obsluˇzného software pro PC . . . . . . . . . . .

39

4.1

Zapojen´ı pracoviˇstˇe pro mˇeˇren´ı frekvenˇcn´ıch charakteristik . . . .

49

4.2

Zapojen´ı pracoviˇstˇe pro mˇeˇren´ı linearity zesilovaˇce . . . . . . . . .

54

´ ˇ RIC ˇ Í TECHNIKY USTAV AUTOMATIZACE A ME Fakulta elektrotechniky a komunikaˇ cn´ıch technologi´ı Vysok´ e uˇ cen´ı technick´ e v Brnˇ e

´ UVOD Mˇeˇric´ı technika se stala nepostradateln´ ym pomocn´ıkem pˇri oˇzivován´ı, servisu i studiu elektroniky. Jedn´ım z v´ yznamn´ ych mˇeˇric´ıch pˇr´ıstroj˚ u ve slaboproudé elektronice je osciloskop, pˇr´ıstroj umoˇzn ˇuj´ıc´ı zobrazen´ı a anal´ yzu rychle se mˇen´ıc´ıch napˇet’ov´ ych signál˚ u. Stejnˇe tak jako mnoˇzstv´ı ostatn´ıch návrháˇr˚ u elektronick´ ych zaˇr´ızen´ı, jsem si i já, po hodinách stráven´ ych hledán´ım triviáln´ıch chyb, uvˇedomil nemal´ y v´ yznam tohoto pˇr´ıstroje. Otázka zn´ı, proˇc vym´ yˇslet vymyˇslené, trávit drahocenn´ y ˇcas návrhem sloˇzitého digitáln´ıho osciloskopu a riskovat ne´ uspˇech. Digitáln´ı osciloskop je mˇeˇric´ı pˇr´ıstroj pracuj´ıc´ı na vysok´ ych kmitoˇctech, s n´ızk´ ymi u ´rovnˇemi napˇet´ı, kombinuj´ıc´ı analogovou a digitáln´ı techniku. Je to ale také d˚ uvod, proˇc se pro mˇe návrh digitáln´ıho osciloskopu stal velkou v´ yzvou. Je to ˇsance k z´ıskán´ı mnoha nov´ ych zkuˇsenost´ı. Rozhodl jsem se navrhnout pˇr´ıstroj, kter´ y bude reálnˇe pouˇziteln´ y. Prorazit na trh s vlastn´ı konstrukc´ı osciloskopu je ovˇsem v dneˇsn´ı dobˇe v´ıce neˇz obt´ıˇzné. Byla proto zvolena jiná taktika, a to zveˇrejnˇen´ı konstrukce prostˇrednictv´ım internetu pod svobodnou licenc´ı, konkrétnˇe GNU GPL verze 3. Tento na prvn´ı pohled iracionáln´ı krok pˇrináˇs´ı konstrukci nové moˇznosti. D´ıky tomu, ˇze nebrán´ı d´ılo studovat, sestavit nebo modifikovat a ˇs´ıˇrit dále pod stejnou licenc´ı, m˚ uˇze mnohé oslovit a b´ yt zdrojem inspirace. Ve spojen´ı s origináln´ı modulárn´ı koncepc´ı pˇr´ıstroje tak dává moˇznost vzniku zaj´ımavého projektu.

12


´ UVOD ´ TEORETICKY

1 1.1

Digit´ aln´ı osciloskopy

Spolu se zvyˇsuj´ıc´ı se komplexnost´ı a rychlost´ı elektronick´ ych zaˇr´ızen´ı rostou i poˇzadavky kladené na mˇeˇric´ı pˇr´ıstroje. Trend dneˇsn´ı doby, kter´ ym je digitalizace, se nevyhnul ani této oblasti. Ukazuje se, ˇze digitáln´ı zpracován´ı signálu pˇrináˇs´ı do mˇeˇric´ı techniky ˇradu dˇr´ıve netuˇsen´ ych moˇznost´ı. Digitáln´ı pamˇeti ˇreˇs´ı zásadn´ı nedostatek analogov´ ych osciloskop˚ u, kter´ ym je problematické uchován´ı namˇeˇren´ ych dat. Rozˇsiˇruj´ı tak moˇznosti osciloskop˚ u o snadné mˇeˇren´ı neperiodick´ ych dˇej˚ u, sledován´ı velmi pomal´ ych pr˚ ubˇeh˚ u a pokroˇcilé funkce, jak´ ymi jsou napˇr. pre-trigger a post-trigger. Pˇr´ıjemná je i moˇznost posunu a zvˇetˇsován´ı namˇeˇren´ ych pr˚ ubˇeh˚ u. V´ yznamnou v´ yhodou digitáln´ıho zpracován´ı je moˇznost komplexn´ı anal´ yzy z´ıskan´ ych dat. Vˇetˇsina digitáln´ıch osciloskop˚ u nab´ız´ı pohotové vyhodnocen´ı základn´ıch parametr˚ u mˇeˇreného signálu, jak´ ymi jsou napˇr. amplituda, stˇredn´ı a efektivn´ı hodnota, frekvence, perioda, délka nábˇeˇzné hrany a dalˇs´ı. V´ ykonné osciloskopy zvládaj´ı vykreslen´ı frekvenˇcn´ıho spektra mˇeˇreného signálu, tvorbu histogram˚ u a statistik, demodulaci signálu a dalˇs´ı pokroˇcilé operace. Digitáln´ı osciloskopy maj´ı i svá omezen´ı a nedostatky. V´ ykon digitáln´ıch osciloskop˚ u je limitován pˇredevˇs´ım ˇs´ıˇrkou pásma vstupn´ıch analogov´ ych obvod˚ u a vzorkovac´ı rychlost´ı A/D pˇrevodn´ıku. Dle Shannon-Kotˇelnikovova teorému je zapotˇreb´ı volit vzorkovac´ı kmitoˇcet vyˇsˇs´ı dvojnásobku nejvyˇsˇs´ı harmonické sloˇzky mˇeˇreného signálu. V praxi se ˇcasto pro zv´ yˇsen´ı pˇresnosti mˇeˇren´ı vol´ı rychlost vzorkován´ı i ˇra´dovˇe vyˇsˇs´ı. V pˇr´ıpadˇe nedodrˇzen´ı teorému docház´ı k aliasing efektu, prom´ıtnut´ı vysok´ ych kmitoˇct˚ u do n´ızk´ ych, coˇz vede ke zkreslen´ı aˇz znehodnocen´ı namˇeˇren´ ych dat. Omezená obnovovac´ı rychlost displeje digitáln´ıch osciloskop˚ u zvyˇsuje riziko pˇrehlédnut´ı nepravidelnˇe se vyskytuj´ıc´ıch pˇrekmit˚ u ˇci jin´ ych artefakt˚ u. Tento nedostatek ˇreˇs´ı digitáln´ı osciloskopy typu ”Digital phosphor oscilloscopes“. Ty

13


ukládaj´ı data do pamˇeti organizované do dvojrozmˇerného pole. V´ ysledn´ y obraz vykresluj´ı s promˇennou intenzitou, zp˚ usobem napodobuj´ıc´ım chován´ı luminoforu obrazovek analogov´ ych osciloskop˚ u. Odtud také vycház´ı jejich název.

1.2 1.2.1

Dostupn´ aˇ reˇ sen´ı Komerˇ cnˇ e vyr´ abˇ en´ e pˇ r´ıstroje

Stejnˇe tak, jak rozmanité jsou poˇzadavky elektrotechnik˚ u, je rozmanitá i nab´ıdka digitáln´ıch osciloskop˚ u. Poˇr´ıdit lze malé univerzáln´ı pˇr´ıstroje, v´ ykonné pˇrenosné osciloskopy, zaˇr´ızen´ı a karty pro osobn´ı poˇc´ıtaˇce i profesionáln´ı mˇeˇric´ı stanice. V následuj´ıc´ım textu provedeme zhodnocen´ı osciloskop˚ u v cenové kategorii popisované konstrukce. Poˇrizovac´ı cena by nemˇela v´ yraznˇe pˇrev´ yˇsit ˇca´stku 10 tis´ıc Kˇc. V kategorii levn´ ych digitáln´ıch osciloskop˚ u lze nalézt pˇredevˇs´ım malé pˇr´ıruˇcn´ı osciloskopy a osciloskopy urˇcené pro pˇripojen´ı k osobn´ımu poˇc´ıtaˇci. Malé pˇr´ıruˇcn´ı osciloskopy b´ yvaj´ı ˇcasto kombinovány s multimetry. Sv´ ymi parametry nevynikaj´ı, zpravidla nab´ız´ı rozliˇsen´ı 8 bit˚ u a rychlost vzorkován´ı do 20 MS/s. Ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚ u jsou vybaveny mal´ ym ˇcernob´ıl´ ym displejem, kter´ y nenab´ız´ı pˇr´ıliˇs komfortn´ı zobrazen´ı. Nutno ovˇsem podotknout, ˇze pˇresnost a komplexn´ı anal´ yza mˇeˇreného signálu nejsou c´ılem tˇechto pˇr´ıstroj˚ u. Rozhoduj´ıc´ı jsou rozmˇery a univerzálnost pˇr´ıstroje. D´ıky nim se stávaj´ı dobr´ ymi pomocn´ıky pˇri mˇeˇren´ı v terénu i laboratoˇri. Osciloskopy pro osobn´ı poˇc´ıtaˇce vyuˇz´ıvaj´ı tento k ovládán´ı, prezentaci namˇeˇren´ ych dat a ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚ u i jejich anal´ yze. D´ıky tomu nab´ız´ı dobr´ y pomˇer ceny k v´ ykonu. Setkat se lze s intern´ımi kartami do PCI a PCI-express slot˚ u i extern´ımi zaˇr´ızen´ımi, typicky pˇripojiteln´ ymi ke sbˇernici USB. Oproti mal´ ym pˇr´ıruˇcn´ım osciloskop˚ um nab´ız´ı vyˇsˇs´ı rychlost vzorkován´ı mˇeˇreného signálu. V kategorii levn´ ych USB osciloskop˚ u lze nalézt dvoukanálové pˇr´ıstroje dosahuj´ıc´ı rychlosti vzorkován´ı 100 MS/s pˇri rozliˇsen´ı 8 bit˚ u. Vˇetˇsina v´ yrobc˚ u digitáln´ıch osciloskop˚ u nezveˇrejˇ nuje kompletn´ı dokumentaci

14


hardware a zdrojové kódy obsluˇzného software. Jistou v´ yjimkou je projekt BitScope. Mezi konstruktéry se stal obl´ıben´ ym právˇe pro svou otevˇrenost a pˇrijatelnou cenu. Nab´ız´ı 4 analogové multiplexované vstupy, rychlost vzorkován´ı 50 MS/s a rozliˇsen´ı 8 bit˚ u. Kromˇe analogov´ ych vstup˚ u obsahuje 16 logick´ ych. Pro uloˇzen´ı namˇeˇren´ ych dat nab´ız´ı pamˇet’ 2 x 16 KB.

1.2.2

Amat´ ersk´ e konstrukce

Vysoké ceny digitáln´ıch pamˇet’ov´ ych osciloskop˚ u a radost z vlastn´ı konstrukce vedou mnoˇzstv´ı elektrotechnik˚ u k návrhu vlastn´ıch ˇreˇsen´ı. Sv´ ymi parametry a komfortem uˇzivatelského rozhran´ı tyto pˇr´ıstroje za komerˇcn´ımi v´ yrobky ˇcasto znaˇcnˇe zaostávaj´ı, ale i tak dokáˇzou b´ yt v domác´ıch podm´ınkách neoceniteln´ ymi pomocn´ıky. Nepˇr´ıjemnou skuteˇcnost´ı je, ˇze ˇcasto postrádaj´ı kvalitn´ı obsluˇzn´ y software a kompletn´ı dokumentaci. V mnoha pˇr´ıpadech, po splnˇen´ı poˇzadavk˚ u konstruktéra, z˚ ustávaj´ı neudrˇzovány. Mnoho konstrukc´ı vˇsak z˚ ustává dobr´ ym zdrojem inspirace, samozˇrejmˇe i k mému digitáln´ımu pamˇet’ovému osciloskopu. Internetové odkazy na zaj´ımavé projekty jsou uvedeny v ˇca´sti Reference – Konstrukce. T´ımto bych chtˇel vˇsem koleg˚ um konstruktér˚ um podˇekovat za ochotu podˇelit se o své zkuˇsenosti.

15


´ RE ˇ SEN ˇ Í HARDWAROVE

2 2.1

Koncepce pˇ r´ıstroje

Obrázek 2.1: Blokové schéma pˇr´ıstroje

Navrˇzená koncepce pˇr´ıstroje nab´ız´ı ˇsiroké moˇznosti rozˇs´ıˇren´ı funkˇcnosti. Sp´ıˇse neˇz jako jedno´ uˇcelov´ y pˇr´ıstroj ho lze chápat jako osciloskop navrˇzen´ y nad modulárn´ım systémem pro realizaci rychl´ ych mˇeˇric´ıch pˇr´ıstroj˚ u. Je ˇzádouc´ı, aby jednotlivé moduly na sobˇe nebyly závislé a bylo moˇzno je neomezenˇe kombinovat. Konstrukci digitáln´ıho osciloskopu pak lze rozdˇelit na 3 nezávislé ˇcásti – základn´ı desku pˇr´ıstroje, modul osciloskopu (mˇeˇric´ı modul) a modul pro pˇripojen´ı ke sbˇernici USB (komunikaˇcn´ı modul). V této kapitole je popsán samotn´ y modulárn´ı systém pro realizaci rychl´ ych mˇeˇric´ıch pˇr´ıstroj˚ u.

2.1.1

Z´ akladn´ı deska

Základn´ı deska pˇr´ıstroje definuje poˇcet, hardwarové rozhran´ı jednotliv´ ych modul˚ u a komunikaˇcn´ı protokoly. Slouˇz´ı ke sbˇeru a zpracován´ı namˇeˇren´ ych

16


dat a zprostˇredkuje komunikaci mezi jednotliv´ ymi moduly. Umoˇzn ˇuje pˇripojen´ı aˇz 3 mˇeˇric´ıch a 3 komunikaˇcn´ıch modul˚ u. Prostˇrednictv´ım zvláˇstn´ıho konektoru lze pˇripojit modul pomocn´ y. Pouˇzité FPGA Xilinx ˇrady Spartan 3 je urˇceno ke zpracován´ı dat v reálném ˇcase. Osazen´ y obvod XC3S200 s 200 tis´ıci ekvivalentn´ıch hradel nab´ız´ı dostateˇcnou kapacitu a rychlost pro implementaci i nároˇcnˇejˇs´ıch algoritm˚ u anal´ yzy dat. Synchronn´ı statická pamˇet’ Cypress CY7C1351G nab´ız´ı pro uloˇzen´ı dat kapacitu 4 Mbit. D´ıky rychlosti hodinového taktu aˇz 133 MHz nab´ız´ı pˇri vyuˇzit´ı vˇsech 36-bit˚ u datové sbˇernice propustnost bl´ıˇz´ıc´ı se 4,8 Gb/s. Pˇr´ızniv´ y dopad na rychlost pamˇeti má i technologie NoBL, která umoˇzn ˇuje pˇrechod mezi reˇzimy ˇcten´ı a zápisu bez ˇcekac´ıch cykl˚ u. Jednoˇcipov´ y mikrokontrolér Atmel AT91SAM7X256 postaven´ y na 32-bitovém jádˇre ARM7TDMI se stará o ˇr´ızen´ı celého systému. Jeho hlavn´ım u ´kolem je pˇrinést do systému urˇcitou inteligenci, definovat komunikaˇcn´ı protokoly mezi jednotliv´ ymi moduly a data zpracovaná hradlov´ ym polem odes´ılat prostˇrednictv´ım komunikaˇcn´ıch modul˚ u nadˇrazen´ ym systém˚ um. Mikrokontrolér má na ˇcipu integrováno 256 KB pamˇeti Flash pro program a 64 KB pamˇeti RAM pro data. Tyto parametry umoˇzn ˇuj´ı nasazen´ı jednoduchého operaˇcn´ıho systému reálného ˇcasu. Zapojen´ı je navrˇzeno na oboustranné prokovené desce ploˇsn´ ych spoj˚ u o rozmˇerech 16 cm x 8 cm. Podél kratˇs´ıch stran desky je ponecháno neobsazené m´ısto v ˇs´ıˇrce 5 mm. To umoˇzn ˇuje desku zasunout do vodic´ıch liˇst v krabiˇcce, pˇr´ıpadnˇe ji upevnit na distanˇcn´ı sloupky. Nap´ ajec´ı ˇ c´ ast Základn´ı desku lze napájet stejnosmˇern´ ym zdrojem napˇet´ı v rozsahu 5 V aˇz 15 V. Navrˇzené mˇeniˇce zajiˇst’uj´ı stabilizaci napájec´ıch napˇet´ı 3,3 V a 1,2 V do v´ ystupn´ıho proudu 2 A. V´ ystup 3,3 V je zapotˇreb´ı pro napájen´ı vˇsech digitáln´ıch obvod˚ u základn´ı desky a jako pomocné napájen´ı komunikaˇcn´ıch modul˚ u. V´ ystup

17


Obrázek 2.2: Sniˇzuj´ıc´ı DC/DC mˇeniˇce napájec´ıch napˇet´ı 3,3 V a 1,2 V

1,2 V je urˇcen pro jádro hradlového pole Xilinx XC3S200. Pomocné napˇet´ı 2,5 V pro hradlové pole je stabilizováno n´ızko´ ubytkov´ ym stabilizátorem TPS77625. Minimalizace rozmˇer˚ u DC/DC mˇeniˇc˚ u je dosaˇzeno pouˇzit´ım ˇr´ıdic´ıch obvod˚ u Texas Instruments ˇrady TPS5435 pracuj´ıc´ıch na kmitoˇctu 500 kHz. Zapojen´ı mˇeniˇc˚ u bylo pˇrevzato z katalogového listu v´ yrobce. V´ yhodou zvolené konfigurace je synchronizace ˇcinnosti obvod˚ u. Ty pracuj´ı v protifázi, coˇz minimalizuje kol´ısán´ı vstupn´ıho proudu. Pro omezen´ı proudové ˇspiˇcky po zapnut´ı pˇr´ıstroje mˇeniˇce integruj´ı obvod pomalého startu. Mimo to startuj´ı sekvenˇcnˇe, mˇeniˇc stabilizuj´ıc´ı 1,2 V zaˇc´ıná pracovat aˇz po ustálen´ı v´ ystupn´ıho napˇet´ı mˇeniˇce 3,3 V. Nam´ısto klasick´ ych rekuperaˇcn´ıch diod jsou pouˇzity ˇr´ızené unipolárn´ı tranzistory. Pˇredevˇs´ım d´ıky n´ızkému u ´bytku napˇet´ı v sepnutém stavu, ale i rychlé zotavovac´ı dobˇe, zvyˇsuj´ı u ´ˇcinnost mˇeniˇc˚ u. Napájec´ı napˇet´ı na vstupu i v´ ystupu mˇeniˇce je zapotˇreb´ı blokovat zp˚ usobem odpov´ıdaj´ıc´ım vysokému pracovn´ımu kmitoˇctu a v´ ykonu mˇeniˇc˚ u. Keramické kondenzátory kapacity 22 µF na vstupu mˇeniˇce pokr´ yvaj´ı rychlé zmˇeny ve velikosti

18


odeb´ıraného proudu. Na v´ ystupu mˇeniˇce jsou elektrolytické kondenzátory typu Polymer Al vyznaˇcuj´ıc´ı se velmi n´ızk´ ym ekvivalentn´ım odporem. Vˇsechny souˇca´stky byly vybrány za pomoci programu Swift Designer 3.51. Ten kromˇe doporuˇcen´ı jejich parametr˚ u umoˇzn ˇuje i ruˇcn´ı modifikaci pˇri sledován´ı dopadu na v´ ysledné parametry mˇeniˇce.

2.1.2

Mˇ eˇ ric´ı moduly

Mˇeˇric´ı moduly jsou urˇceny k interakci pˇr´ıstroje s mˇeˇren´ ym objektem. Slouˇz´ı pro pˇrevod mˇeˇrené fyzikáln´ı veliˇciny do digitáln´ı reprezentace vhodné pro dalˇs´ı zpracován´ı základn´ı deskou pˇr´ıstroje. Na m´ıstˇe mˇeˇric´ıho modulu si lze pˇredstavit A/D pˇrevodn´ık, spektráln´ı analyzátor, logick´ y analyzátor apod. Nen´ı vˇsak nutné se omezovat pouze na mˇeˇren´ı. Teoreticky nic nebrán´ı v návrhu modulu funkˇcn´ıho generátoru, generátoru logick´ ych funkc´ı nebo systému pro automatické testován´ı elektronick´ ych zapojen´ı. Mˇeˇric´ı moduly maj´ı moˇznost komunikovat s hradlov´ ym polem i ˇr´ıdic´ım jednoˇcipov´ ym mikrokontrolérem na základn´ı desce. S hradlov´ ym polem je kaˇzd´ yz modul˚ u spojen 16 bitovou paraleln´ı sbˇernic´ı, hodinov´ ym signálem a 3 pomocn´ ymi vodiˇci pro obecné uˇzit´ı. S ˇr´ıdic´ım mikrokontrolérem maj´ı moduly moˇznost komunikovat po plnˇe duplexn´ı asynchronn´ı sériové sbˇernici. Kaˇzd´ y z modul˚ u je zvláˇst’ pˇripojen k ˇr´ıdic´ımu mikrokontroléru dvojic´ı vodiˇc˚ u urˇcen´ ych pro ˇr´ızen´ı pˇr´ıstupu ke sbˇernici. Napájec´ı napˇet´ı i datové signály jsou k mˇeˇric´ım modul˚ um pˇrivedeny ze základn´ı desky prostˇrednictv´ım pˇr´ım´ ych dvouˇrad´ ych 34 pinov´ ych konektor˚ u. Deska mˇeˇric´ıho modulu leˇz´ı rovnobˇeˇznˇe s deskou základn´ı, ˇc´ımˇz tvoˇr´ı druhé paˇıˇrka modulu je omezena rozestupem konektor˚ tro pˇr´ıstroje. S´ u na základn´ı desce, a to na 5 cm. Na stranˇe protilehlé konektoru lze mˇeˇric´ı moduly upevnit pomoc´ı distanˇcn´ıch sloupk˚ u. Délka modulu nen´ı základn´ı deskou omezena.

19


2.1.3

Komunikaˇ cn´ı moduly

Tyto moduly zprostˇredkuj´ı komunikaci pˇr´ıstroje s okol´ım. Ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚ u s nadˇrazen´ ym systémem v podobˇe osobn´ıho poˇc´ıtaˇce. Mohou b´ yt pouˇzity pro pˇripojen´ı pˇr´ıstroje ke sbˇernici USB, rozhran´ı RS232, ethernetu, pr˚ umyslov´ ym sbˇernic´ım nebo napˇr. k tiskárnˇe. Vyuˇz´ıt je lze také k indikaci ˇcinnosti pˇr´ıstroje nebo realizaci inteligentn´ıho ˇradiˇce displeje pro uˇzivatelské rozhran´ı. Komunikaˇcn´ı moduly mohou s ˇr´ıdic´ım mikrokontrolérem komunikovat po ˇctyˇrvodiˇcové sériové sbˇernici SPI. Na této pracuj´ı v reˇzimu slave, komunikaci na sbˇernici ˇr´ıd´ı mikrokontrolér na základn´ı desce. Mimo sériové sbˇernice je kaˇzd´ y z modul˚ u s ˇr´ıdic´ım mikrokontrolérem propojen trojic´ı vodiˇc˚ u. Jeden z vodiˇc˚ u je vyhrazen k indikaci nové události, napˇr. dokonˇcen´ı pˇrenosu dat nebo pˇr´ıjem nového poˇzadavku. Zb´ yvaj´ıc´ı dvojice je pro vˇseobecné uˇzit´ı. Komunikaˇcn´ı moduly se k základn´ı desce pˇripojuj´ı prostˇrednictv´ım dvouˇrad´ ych u ´hlov´ ych 16 pinov´ ych konektor˚ u. Z˚ ustávaj´ı tak v u ´rovni základn´ı desky, ve spodn´ım patˇre. Stejnˇe jako u mˇeˇric´ıch modul˚ u je jejich ˇs´ıˇrka omezena základn´ı deskou na 5 cm. K upevnˇen´ı modulu na stranˇe protilehlé konektoru lze, stejnˇe jako v pˇr´ıpadˇe mˇeˇric´ıch modul˚ u, pouˇz´ıt distanˇcn´ı sloupky.

2.1.4

Pomocn´ y modul

Funkce tohoto modulu nen´ı nijak zvláˇst’ definována. Lze ho pouˇz´ıt k indikaci ˇcinnosti pˇr´ıstroje, mˇeˇren´ı a regulaci teploty nebo m˚ uˇze pomoci pˇri ladˇen´ı firmware. Napájec´ı napˇet´ı i datové signály jsou k modulu pˇrivedeny prostˇrednictv´ım jednoˇradého 10-pinového konektoru Molex s rozteˇc´ı v´ yvod˚ u 1,25 mm. S ˇr´ıdic´ım mikrokontrolérem je modul propojen 5 linkami USARTu (RXD, TXD, CTS, RTS a CLK). Rozmˇery ani um´ıstˇen´ı modulu nejsou základn´ı deskou omezeny.

20


2.2 2.2.1

Modul dvoukan´ alov´ eho osciloskopu Parametry pˇ r´ıstroje

Digitáln´ı pamˇet’ov´ y osciloskop je navrˇzen s c´ılem dosáhnout následuj´ıc´ıch parametr˚ u: • 2 analogové kanály • Vstupn´ı impedance 1 MΩ k cca. 20 pF • Mˇeˇric´ı rozsah ±100 mV aˇz ±10 V v kroc´ıch 1-2-5 • Frekvenˇcn´ı pásmo (pro -3 dB) 0 Hz aˇz 30 MHz • Rychlost vzorkován´ı 80 MS/s • Rozliˇsen´ı 12-bit˚ u • Velikost pamˇeti 4 Mbit • Automatická korekce offsetu • Automatická kalibrace mˇeˇric´ıch rozsah˚ u • Obsazen´ı dvou slot˚ u základn´ı desky (rozmˇery 14 cm x 10 cm)

2.2.2

Funkce hradlov´ eho pole

K nastaven´ı rychlosti ˇcasové základny, respektive mˇeˇr´ıtka ˇcasu, bude vyuˇzito hradlové pole na základn´ı desce. To umoˇzn´ı ponechat vzorkovac´ı frekvenci A/D pˇrevodn´ık˚ u konstantn´ı. Tento pˇr´ıstup pˇrinese pˇredevˇs´ım moˇznost ˇsirokého nastaven´ı ˇcasové základny a umoˇzn´ı zaˇrazen´ı digitáln´ıho filtru plovouc´ıho pr˚ umˇeru pro z´ıskán´ı pˇresnˇejˇs´ıch v´ ysledk˚ u. V hradlovém poli budou rovnˇeˇz implementovány funkce triggeru. Mimo zjednoduˇsen´ı hardware toto ˇreˇsen´ı pˇrinese moˇznost implementace pre-triggeru, post-triggeru i dalˇs´ıch pokroˇcil´ ych technik spouˇstˇen´ı mˇeˇren´ı. Vyhodnocen´ı spouˇstˇec´ı podm´ınky hradlov´ ym polem pˇrináˇs´ı moˇznost aktivace triggeru na základˇe v´ ystupu jin´ ych modul˚ u, nab´ız´ı se napˇr. spolupráce s modulem logického analyzátoru.

21


2.2.3

Deska dvoukan´ alov´ eho osciloskopu

Tato deska zajiˇst’uje napájen´ı a ovládán´ı dvou analogov´ ych submodul˚ u. Ponechává zdroje potenciáln´ıho ruˇsen´ı, jak´ ymi jsou DC/DC mˇeniˇc záporného napájec´ıho napˇet´ı, paraleln´ı datová sbˇernice a pomocn´ y jednoˇcipov´ y mikrokontrolér, mimo st´ınˇen´ y kryt analogov´ ych submodul˚ u. Pˇr´ınosem této desky je pak i rozvod digitáln´ıch signál˚ u pˇr´ımo na urˇcená m´ısta analogov´ ych submodul˚ u. To sniˇzuje riziko pronikán´ı ruˇsen´ı z digitáln´ı do analogové ˇcásti. Kaˇzd´ y z analogov´ ych submodul˚ u vyˇzaduje napájec´ı napˇet´ı ±5 V a 3,3 V. Kladná napˇet´ı jsou stabilizována tˇr´ısvorkov´ ymi lineárn´ımi stabilizátory. Záporné napˇet´ı je generováno DC/DC mˇeniˇcem Linear Technology LT1373 zapojeném v topologii Cuk. Tato se vyznaˇcuje pouˇzit´ım indukˇcnosti na vstupu i v´ ystupu mˇeniˇce s jejich vzájemnou vazbou. Dosahuje tak velmi n´ızkého zvlnˇen´ı v´ ystupn´ıho napˇet´ı a minimalizace kol´ısán´ı vstupn´ıho proudu. Pro dalˇs´ı sn´ıˇzen´ı zvlnˇen´ı a dosaˇzen´ı rychlé odezvy napájec´ıho zdroje je v´ ystup mˇeniˇce nastaven na napˇet´ı bl´ıˇz´ıc´ı se -7,5 V, filtrován LC ˇclánkem a na pˇresnou hodnotu -5 V stabilizován lineárn´ım stabilizátorem. O komunikaci s ˇr´ıdic´ım mikrokontrolérem na základn´ı desce a ovládán´ı obou analogov´ ych submodul˚ u se stará 8-mi bitov´ y jednoˇcipov´ y mikrokontrolér Atmel ATmega16L. Jeho u ´kolem je nab´ıdnout definovanou sadu funkc´ı pro volbu zes´ılen´ı mˇeˇreného signálu, velikost vertikáln´ıho posunu, vazby vstupu, automatickou kalibraci a mˇeˇren´ı teploty. Zapojen´ı je navrˇzeno na oboustranné prokovené desce ploˇsn´ ych spoj˚ u o rozmˇerech 14 cm x 10 cm. Na základn´ı desce obsazuje m´ısto dvou mˇeˇric´ıch modul˚ u.

2.3

Analogov´ e submoduly

Analogové submoduly jsou kl´ıˇcovou ˇcást´ı celého návrhu. Submodul obsahuje veˇskeré analogové obvody jednoho kanálu osciloskopu. Zapojen´ı je realizováno

22


Obrázek 2.3: Blokové analogového submodulu na oboustranné desce ploˇsn´ ych spoj˚ u o rozmˇerech 73 mm x 43 mm. Pro potlaˇcen´ı ruˇsiv´ ych elektrostatick´ ych pol´ı bude tato st´ınˇena kovovou krabiˇckou.

2.3.1

Vstupn´ı ˇ c´ ast

Obrázek 2.4: Zapojen´ı vstupn´ı ˇcásti osciloskopu

Vstupn´ı ˇca´st umoˇzn ˇuje nastavit mˇeˇric´ı rozsah, zp˚ usob vazby vstupn´ıho signálu a zajistit pˇriveden´ı referenˇcn´ıho napˇet´ı pro korekci offsetu a kalibraci mˇeˇric´ıch rozsah˚ u. Pro minimalizaci svodov´ ych proud˚ u a parazitn´ıch kapacit jsou k pˇrep´ınán´ı signálu pouˇzita vysokofrekvenˇcn´ı relé.

23


Za pomoci relé K1 lze volit mezi stejnosmˇernou a stˇr´ıdavou vazbou vstupn´ıho signálu. Odstranˇen´ı stejnosmˇerné sloˇzky signálu je realizováno kondenzátorem C1. Rezistor R1 slouˇz´ı k omezen´ı zkratového proudu kondenzátoru po sepnut´ı relé K1. Pˇrepnut´ım relé K2 lze nam´ısto mˇeˇreného signálu pˇripojit jedno z referenˇcn´ıch napˇet´ı. To pˇripravuje analogovou ˇcást k automatické kalibraci. Relé R3 pˇrep´ıná mezi odboˇckami vstupn´ıho frekvenˇcnˇe kompenzovaného dˇeliˇce. Vol´ı mezi pˇr´ım´ ym a 10 krát zeslaben´ ym signálem. Pro dalˇs´ı zpracován´ı mˇeˇreného signálu je tento v´ ykonovˇe zes´ılen. Pro n´ızké zat´ıˇzen´ı vstupn´ıho dˇeliˇce je pouˇzit vysokofrekvenˇcn´ı operaˇcn´ı zesilovaˇc s unipolárn´ımi tranzistory na vstupu. Pˇred pˇriveden´ım vysokého napˇet´ı na jeho neinvertuj´ıc´ı vstup je tento chránˇen dvojitou n´ızkokapacitn´ı diodou D1. Na v´ ystupu zesilovaˇce je zapojen prvn´ı vysokofrekvenˇcn´ı filtr, RC ˇclánek s mezn´ım kmitoˇctem fm = 39 MHz.

2.3.2

Zesilovaˇ c s voliteln´ ym zes´ılen´ım

Obrázek 2.5: Schéma zesilovaˇce s voliteln´ ym zes´ılen´ım

Zesilovaˇc umoˇzn ˇuje nastavit zes´ılen´ı vstupn´ıho signálu v kroc´ıch 1x, 2x, 5x a 10x. Skládá se ze dvou stupˇ n˚ u tvoˇren´ ych vysokofrekvenˇcn´ımi operaˇcn´ımi zesilovaˇci v neinvertuj´ıc´ım zapojen´ı. Prvn´ı stupeˇ n nab´ız´ı pˇetinásobné zes´ılen´ı, druh´ y dvojnásobné. Analogové pˇrep´ınaˇce ADG619 umoˇzn ˇuj´ı jednotlivé stupnˇe nezávisle

24


na sobˇe vyˇradit, resp. umoˇzn ˇuj´ı signálu zesilovaˇce obej´ıt a tak nastavit v´ ysledné zes´ılen´ı. V´ ystup druhého analogového pˇrep´ınaˇce je pˇred vysokofrekvenˇcn´ım filtrem v´ ykonovˇe pos´ılen operaˇcn´ım zesilovaˇcem OZ4A.

2.3.3

Vysokofrekvenˇ cn´ı filtr

Obrázek 2.6: Dolnofrekvenˇcn´ı propust druhého ˇra´du Pro potlaˇcen´ı ˇsumu vysok´ ych kmitoˇct˚ u a omezen´ı aliasing efektu je zapotˇreb´ı z mˇeˇreného signálu odstranit kmitoˇcty vyˇsˇs´ı poloviny vzorkovac´ı frekvence A/D pˇrevodn´ıku. Na v´ ystupu zesilovaˇce s voliteln´ ym zes´ılen´ım je zapojena aktivn´ı dolnofrekvenˇcn´ı propust druhého ˇrádu s mezn´ım kmitoˇctem f = 33 MHz. Pouˇzitá topologie Sallen-Key pˇrináˇs´ı i pˇres svou relativn´ı jednoduchost moˇznost pˇrizp˚ usobit chován´ı filtru. Umoˇzn ˇuje volbou hodnot souˇcástek nastavit polohu pól˚ u frekvenˇcn´ıho pˇrenosu a zvolit tak dobr´ y kompromis mezi tvarem frekvenˇcn´ı a fázové charakteristiky.

2.3.4

Vertik´ aln´ı posun

Hardwarové ˇreˇsen´ı vertikáln´ıho posunu, tedy pˇriˇcten´ı ˇci odeˇcten´ı volitelné hodnoty stejnosmˇerného napˇet´ı, pˇrináˇs´ı moˇznost pˇresnˇejˇs´ıho mˇeˇren´ı pˇrekmit˚ u signálu a zvlnˇen´ı napájec´ıch napˇet´ı. Nejvyˇsˇs´ı moˇzná amplituda zes´ıleného signálu je s ohledem na rozsah A/D pˇrevodn´ıku ±1 V. Operaˇcn´ı zesilovaˇce napájené ±5 V nab´ız´ı znaˇcnou rezervu pro posun pracovn´ıho bodu, umoˇzn ˇuj´ı realizovat vertikáln´ı posun velikosti aˇz ± 3 V. Pˇriˇcten´ı stejnosmˇerné sloˇzky k mˇeˇrenému signálu je realizováno operaˇcn´ım zesilovaˇcem AD8057 v invertuj´ıc´ım zapojen´ı.

25


Obrázek 2.7: Obvod pro realizaci vertikáln´ıho posunu Velikost vertikáln´ıho posunu je ˇr´ızena v´ ystupem prvn´ıho kanálu D/A pˇrevodn´ıku AD5627. V´ ystupn´ı napˇet´ı D/A pˇrevodn´ıku se m˚ uˇze pohybovat od 0 V do referenˇcn´ıho napˇet´ı, kter´ ym jsou v naˇsem pˇr´ıpadˇe 3 V. Rozˇs´ıˇren´ı v´ ystupu do záporn´ ych hodnot je realizováno operaˇcn´ım zesilovaˇcem OZ8B.

2.3.5

Korekce offsetu

Vstupn´ı napˇet’ov´ y offset operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u vnáˇs´ı do mˇeˇreného signálu neˇzádouc´ı posun jeho stejnosmˇerné sloˇzky. Tento lze potlaˇcit pˇriˇcten´ım stejnosmˇerné sloˇzky opaˇcného znaménka, ˇc´ımˇz se stejnosmˇerné posuny vykompenzuj´ı. To lze realizovat stejn´ ym zp˚ usobem, jak´ ym provád´ıme vertikáln´ı posun, avˇsak pouze v kroc´ıch 1,46 mV. Pˇresnˇejˇs´ı korekci je moˇzno provést po digitalizaci signálu v hradlovém poli - pˇriˇcten´ım konstanty ke vˇsem vzork˚ um. Pro zmˇeˇren´ı stejnosmˇerné sloˇzky, zanesené do mˇeˇreného signálu offsetem operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u, je zapotˇreb´ı na vstup osciloskopu pˇrivést nulové napˇet´ı. Na tuto operaci je pˇripraveno relé K2 a analogov´ y multiplexor IC3. Po jejich nastaven´ı nic nebrán´ı v zapoˇcet´ı automatické korekce offsetu. C´ılem korekce je, za pouˇzit´ı analogového a následnˇe digitáln´ıho posunu stejnosmˇerné sloˇzky, dosáhnout nulové stˇredn´ı hodnoty digitalizovaného signálu. Velikosti napˇet’ového offsetu operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u je bohuˇzel závislá na teplotˇe. Pˇredpokladem dobré teplotn´ı stability analogové ˇca´sti je pouˇzit´ı souˇcástek s n´ızk´ ym teplotn´ım driftem. Nicménˇe ani peˇcliv´ y v´ ybˇer souˇca´stek

26


nen´ı koneˇcn´ ym ˇreˇsen´ım problému. Protoˇze osciloskop nab´ız´ı moˇznost rychlé korekce offsetu, bylo zvoleno jednoduché ˇreˇsen´ı. T´ım je um´ıstˇen´ı teplotn´ıho ˇcidla do prostoru st´ınˇené analogové ˇca´sti. To umoˇzn´ı, v pˇr´ıpadˇe vˇetˇs´ı zmˇeny teploty, uˇzivatele ihned varovat a nab´ıdnout opˇetovnou korekci offsetu. Zaj´ımavou moˇznost´ı, která se t´ımto otev´ırá, je implementace automatické korekce teplotn´ıho driftu na základˇe experimentálnˇe z´ıskané korekˇcn´ı kˇrivky.

2.3.6

Diferenˇ cn´ı budiˇ c A/D pˇ revodn´ıku

Obrázek 2.8: Zapojen´ı diferenˇcn´ıho budiˇce A/D pˇrevodn´ıku

Diferenˇcn´ı buzen´ı A/D pˇrevodn´ıku nen´ı v tomto pˇr´ıpadˇe ani tak v´ yznamné pro potlaˇcen´ı pˇr´ıpadn´ ych ruˇsen´ı jako pro zachován´ı dobr´ ych dynamick´ ych vlastnost´ı pˇrevodn´ıku. Diferenˇcn´ı operaˇcn´ı zesilovaˇc AD8139 je pˇr´ımo navrˇzen k buzen´ı A/D pˇrevodn´ık˚ u. Souhlasná stejnosmˇerná sloˇzka v´ ystupn´ıho signálu je nastavena na . stˇred napájec´ıho napˇet´ı pˇrevodn´ıku. Zes´ılen´ı budiˇce je sn´ıˇzeno na 475/499 = 0, 952 z d˚ uvodu vytvoˇren´ı rezervy pro korekci mˇeˇric´ıho rozsahu. Na v´ ystupu budiˇce je um´ıstˇen dolnofrekvenˇcn´ı filtr prvn´ıho ˇra´du, RC ˇclánek s mezn´ım kmitoˇctem f = 33 MHz. Ten lom´ı frekvenˇcn´ı charakteristiku o −20 dB/dek a t´ım zvyˇsuje celkovou strmost u ´tlumu vysok´ ych kmitoˇct˚ u na −80 dB/dek.

27


Zapojen´ım invertovaného v´ ystupu na neinvertuj´ıc´ı vstup pˇrevodn´ıku docház´ı k obrácen´ı polarity mˇeˇreného signálu. T´ım kompenzujeme pˇrevrácen´ı polarity zp˚ usobené invertuj´ıc´ım zesilovaˇcem realizuj´ıc´ım vertikáln´ı posun mˇeˇreného signálu.

2.3.7

Kalibrace mˇ eˇ ric´ıch rozsah˚ u

Analogové submoduly jsou pˇripraveny pro automatickou kalibraci vˇsech mˇeˇric´ıch rozsah˚ u. Korekce mˇeˇric´ıho rozsahu funguje na principu srovnán´ı stˇredn´ı hodnoty mˇeˇreného digitalizovaného signálu se známou hodnotou napˇet´ı na vstupu osciloskopu.

Obrázek 2.9: Schéma zdroje referenˇcn´ıch napˇet´ı Podm´ınkou dobré kalibrace je pˇresn´ y zdroj referenˇcn´ıho napˇet´ı. Pro moˇznost korekce vˇsech mˇeˇric´ıch rozsah˚ u je v´ ystup 3 V napˇet’ové reference IC4 rozˇs´ıˇren o v´ ystupn´ı napˇet´ı 733, ¯3 mV mV a 66, ¯6 mV. Sledovaˇce OZ5A a OZ5B slouˇz´ı k v´ ykonovému pos´ılen´ı napˇet´ı na odboˇckách dˇeliˇce. K v´ ybˇeru mezi referenˇcn´ımi napˇet’ov´ ymi u ´rovnˇemi 0 V, 66, ¯6 mV, 733, ¯3 mV a 3 V slouˇz´ı analogov´ y multiplexor IC3. Pro pˇriveden´ı referenˇcn´ıho napˇet´ı na vstup osciloskopu je urˇceno relé K2. Korekce mˇeˇric´ıch rozsah˚ u je realizována jemnou zmˇenou referenˇcn´ıho napˇet´ı A/D pˇrevodn´ıku tak, aby stˇredn´ı hodnota mˇeˇreného signálu odpov´ıdala hodnotˇe napˇet´ı pˇrivedené na vstup osciloskopu. Referenˇcn´ı napˇet´ı A/D pˇrevodn´ıku je z´ıskáno z odboˇcky dˇeliˇce R40, R43, v´ ykonovˇe pos´ıleno a filtrováno RC ˇclánkem

28


Obrázek 2.10: Korekce referenˇcn´ıho napˇet´ı A/D pˇrevodn´ıku

R42, C41. Rezistory R40, R41 a R43 jsou voleny právˇe tak, aby napˇet´ı na stˇredu dˇeliˇce R40, R43 odpov´ıdalo zeslaben´ı diferenˇcn´ıho budiˇce, tedy 0,952 V a pˇritom zmˇenou v´ ystupn´ıho napˇet´ı druhého kanálu D/A pˇrevodn´ıku bylo moˇzno doc´ılit zmˇeny mˇeˇric´ıho rozsahu ±5 %.

2.3.8

A/D pˇ revodn´ık

Obrázek 2.11: Blokové schéma pouˇzitého A/D pˇrevodn´ıku

Pouˇzit´ y A/D pˇrevodn´ık AD9236 nab´ız´ı rychlost vzorkován´ı 80 MS/s pˇri ro-

29


zliˇsen´ı 12 bit˚ u. K dosaˇzen´ı tˇechto parametr˚ u vyuˇz´ıvá v´ıcestupˇ nové diferenˇcn´ı architektury s korekc´ı chyb. Vstupn´ı obvod pˇrevodn´ıku je vybaven ˇsirokopásmov´ ym diferenˇcn´ım sample-and-hold obvodem umoˇzn ˇuj´ıc´ım volbu vstupn´ıho rozsahu a souhlasné stejnosmˇerné sloˇzky signálu. Pro zachován´ı dobr´ ych parametr˚ u pˇrevodu nezávisle na stˇr´ıdˇe ˇr´ıdic´ıho hodinového signálu je pˇrevodn´ık vybaven obvodem pro stabilizaci stˇr´ıdy. Tvar v´ ystupn´ıch dat lze volit mezi pˇr´ım´ ym binárn´ım kódem a druh´ ym doplˇ nkem. Pˇrekroˇcen´ı vstupn´ıho rozsahu je indikována zvláˇstn´ım v´ yvodem (OTR). Dostupné jsou pinovˇe kompatibiln´ı pˇrevodn´ıky s frekvenc´ı vzorkován´ı 20 MS/s aˇz 80 MS/s s rozliˇsen´ım 10 aˇz 14 bit˚ u. Napájec´ı napˇet´ı pˇrevodn´ıku lze volit z rozsahu 2,7 aˇz 3,6 V, samostatné napájen´ı v´ ystupn´ıch ˇc´ıslicov´ ych budiˇc˚ u umoˇzn ˇuje pˇrizp˚ usoben´ı v´ ystupn´ıch logick´ ych u ´rovn´ı 2,5 V aˇz 3,3 V logice. Pˇri plné rychlosti a napájec´ım napˇet´ı 3 V má spotˇrebu 366 mW. Architektura AD9236 sestává ze vstupn´ıho sample-and-hold obvodu následovaného nˇekolikastupˇ nov´ ym A/D pˇrevodn´ıkem. Samotn´ y pˇrevod signálu je realizován nˇekolika stupni, a sice vstupn´ım 4-bitov´ ym paraleln´ım pˇrevodn´ıkem následovan´ ym osmi 1,5 bitov´ ymi stupni, které jsou zakonˇceny 3 bitov´ ym paraleln´ım pˇrevodn´ıkem. Kaˇzd´ y z 1,5 bitov´ ych stupˇ n˚ u poskytuje dostateˇcné pˇrekryt´ı umoˇzn ˇuj´ıc´ı opravu chyb pˇredchoz´ıho stupnˇe. V´ ystup vˇsech stupˇ n˚ u je logick´ ym obvodem zkombinován ve v´ ysledné 12-bitové ˇc´ıslo. V´ıcestupˇ nová architektura dovoluje prvn´ımu stupni pracovat na pˇrevodu nového vzorku, zat´ımco zb´ yvaj´ıc´ım stupˇ n˚ um na vzorc´ıch pˇredeˇsl´ ych. Vzorkován´ı vstupn´ıho signálu je provádˇeno s nábˇeˇznou hranou hodinového signálu. Kaˇzd´ y ze stupˇ n˚ u pˇrevodn´ıku, mimo posledn´ıho, sestává z paraleln´ıho A/D pˇrevodn´ıku, D/A pˇrevodn´ıku a rozd´ılového zesilovaˇce. Ten zesiluje rozd´ıl mezi vstupn´ım napˇet´ım paraleln´ıho A/D pˇrevodn´ıku a j´ım ˇr´ızeného D/A pˇrevodn´ıku. V´ ystup rozd´ılového zesilovaˇce je vstupem dalˇs´ıho stupnˇe pˇrevodn´ıku. Paraleln´ı A/D pˇrevodn´ık kaˇzdého stupnˇe obsahuje jeden redundantn´ı bit pouˇziteln´ y k digitáln´ı korekci chyb pˇrevodn´ıku. Posledn´ı stupeˇ n A/D pˇrevodn´ıku je jiˇz klasick´ ym paraleln´ım pˇrevodn´ıkem.

30


2.3.9

Zdroj hodinov´ eho sign´ alu

Obrázek 2.12: Zdroj hodinového signálu

Oba analogové submoduly mohou b´ yt taktovány nezávisle nebo b´ yt navzájem synchronizovány. Mód ˇcinnosti je moˇzno nastavit za pomoci pˇrep´ınaˇce SJ1. Pro minimalizaci parazitn´ı indukˇcnosti a svodov´ ych proud˚ u je tento realizován pˇr´ımo na ploˇsném spoji. Zkratován´ı jednotliv´ ych ploˇsek lze provést pˇri v´ yrobˇe pájeˇckou. Propojen´ım prostˇredn´ı ploˇsky s ploˇskou ˇc´ıslo 3 se zdrojem hodinového signálu A/D pˇrevodn´ıku stává krystalov´ y oscilátor Q1. Pˇri zkratován´ı prostˇredn´ı ploˇsky s ploˇskou ˇc´ıslo 1 je moˇzno submodul taktovat hodinov´ ym signálem druhého submodulu. U ˇr´ıdic´ıho submodulu pak zkratujeme vˇsechny 3 ploˇsky navzájem.

2.3.10

ˇ Sum operaˇ cn´ıch zesilovaˇ c˚ u

Limituj´ıc´ım faktorem citlivosti mˇeˇric´ıch pˇr´ıstroj˚ u jsou ruˇsivé vlivy. U rychl´ ych mˇeˇric´ıch pˇr´ıstroj˚ u se v´ yznamn´ ym zdrojem ruˇsen´ı stává ˇsum aktivn´ıch prvk˚ u. Návrh analogové ˇca´sti se snaˇz´ı ruˇsivé vlivy minimalizovat v´ ybˇerem kvalitn´ıch souˇcástek, st´ınˇen´ım, pouˇzit´ım dobré topologie napájec´ıch zdroj˚ u a d˚ ukladn´ ym blokován´ım napájec´ıch napˇet´ı. Pro z´ıskán´ı pˇredstavy o dosaˇziteln´ ych parametrech pˇr´ıstroje provedeme orientaˇcn´ı v´ ypoˇcet oˇcekávan´ ych ˇspiˇckov´ ych napˇet´ı ˇsumu v navrˇzeném obvodu. Z´ıskané hodnoty mohou poukázat na slabá m´ısta návrhu a pomoci s volbou vhodn´ ych souˇca´stek. V tabulce ˇc´ıslo 1 jsou patrny pˇr´ıspˇevky jednotliv´ ych operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u k v´ ysledné hodnotˇe ˇsumu na vstupu A/D pˇrevodn´ıku. Pˇri mˇeˇric´ım rozsahu

31


±100 mV lze oˇcekávat ˇsum ˇspiˇcka–ˇspiˇcka 2,65 LSB, coˇz naznaˇcuje, ˇze nebude moˇzno vyuˇz´ıt plného rozliˇsen´ı pˇrevodn´ıku. U rozsahu ±1 V je situace znatelnˇe pˇr´ıznivˇejˇs´ı, oˇcekávaná velikost ˇsumu je 0,62 LSB ˇspiˇcka–ˇspiˇcka. ˇ Sum operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u nen´ı jedin´ ym zdrojem ruˇsiv´ ych vliv˚ u v obvodu. Jist´ ym d´ılem k celkovému ˇsumu pˇrispˇej´ı i rezistory a analogové pˇrep´ınaˇce. Lze oˇcekávat i pronikán´ı ruˇsiv´ ych vliv˚ u kapacitn´ı vazbou z jin´ ych ˇca´st´ı obvodu, z napájec´ıho napˇet´ı nebo indukc´ı z okol´ı. Pro potlaˇcen´ı ˇsumu lze vyuˇz´ıt pˇredpokladu, ˇze se jeho stˇredn´ı hodnota bl´ıˇz´ı nule. Pˇri mˇeˇren´ı signál˚ u niˇzˇs´ıch frekvenc´ı pak bude moˇzno pˇresnost mˇeˇren´ı zv´ yˇsit zaˇrazen´ım digitáln´ıho filtru plovouc´ıho pr˚ umˇeru. Pˇ r´ıklad v´ ypoˇ ctu Pˇr´ıklad v´ ypoˇctu provedeme pro operaˇcn´ı zesilovaˇc OZ2 a vstupn´ı rozsah 100 mV, kdy jsou zaˇrazeny oba stupnˇe zesilovaˇce. Vstupn´ı napˇet’ov´ y ˇsum pouˇzitého operaˇcn´ıho zesilovaˇce AD8021 je √ en = 2, 1 nV/ Hz. Je zapojen v neinvertuj´ıc´ım zapojen´ı se zes´ılen´ım A = 5. Frekvenˇcn´ı rozsah analogové ˇca´sti je omezen zaˇrazen´ ymi vysokofrekvenˇcn´ımi filtry na fm = 30 MHz. ˇ Sum na v´ ystupu OZ: en2pp = A · en ·

en2pp

q

fm √ = 5 · 2, 1 · 10−9 · 30 · 106 en2pp = 57, 5 µV

V´ ystupn´ı signál OZ2 je stupni následuj´ıc´ımi zes´ılen A2 = 3, 68 krát. Pˇr´ıspˇevek zesilovaˇce OZ2 k ˇsumu na vstupu A/D pˇrevodn´ıku oznaˇc´ıme eADCpp .

eADCpp = en2pp · A2 eADCpp = 57, 5 · 10−6 · 3, 68

32


eADCpp = 212 µV Hodnotu vyjádˇr´ıme v poˇctu nejniˇzˇs´ıch bit˚ u A/D pˇrevodn´ıku. Jeho rozliˇsen´ı 12 bit˚ u odpov´ıdá 212 = 4096 krok˚ um. Pˇri vstupn´ım rozsahu 1.84 V (± 0.92 V) je velikost jednoho kroku Us = 45 µ. eADCpp ∆ULSB 212 · 10−6 LSB = = 0, 47 45 · 10−6 LSB =

2.3.11

Drift operaˇ cn´ıch zesilovaˇ c˚ u

Teplotn´ı závislost offsetu operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u vede pˇredevˇs´ım ke vzniku chyb stejnosmˇerné sloˇzky mˇeˇreného napˇet´ı. Zmˇena teploty má vˇsak nepˇr´ızniv´ y vliv i na pˇresnost amplitudy mˇeˇreného signálu. Analogové submoduly jsou proto pˇripraveny pro automatickou korekci offsetu i kalibraci mˇeˇric´ıho rozsahu. Mimo to je moˇzno osadit teplotn´ı ˇcidlo DS18B20 a pˇri v´ yraznˇejˇs´ı zmˇenˇe teploty nab´ıdnout automatickou rekalibraci ˇci provést digitáln´ı korekci namˇeˇren´ ych dat. Pˇ r´ıklad v´ ypoˇ ctu Stejnˇe jako v pˇredchoz´ım pˇr´ıkladu, tento provedeme pro operaˇcn´ı zesilovaˇc OZ2 se zes´ılen´ım A = 5 a mˇeˇric´ı rozsah 100 mV. Typick´ y drift operaˇcn´ıho zesilovaˇce AD8021 je ∆UOS /∆T = 0, 5 µV/◦ C. Na v´ ystupu bude zes´ılen 5 krát.

∆U2 /∆T = A · ∆UOS /∆T ∆U2 /∆T = 5 · 0, 5 · 10−6 ∆U2 /∆T = 2, 5 µV/◦ C Na vstupu A/D pˇrevodn´ıku se tento objev´ı po zes´ılen´ı A2 = 3, 68 následuj´ıc´ıch stupˇ n˚ u.

33


∆UADC /∆T = A2 · ∆U2 /∆T ∆UADC /∆T = 3, 68 · 2, 5 ∆UADC /∆T = 9, 2 µV/◦ C Vyjádˇreno v poˇctu nejniˇzˇs´ıch bit˚ u A/D pˇrevodn´ıku.

LSB/∆T = LSB/∆T =

∆UADC /∆T ∆ULSB

9, 2 · 10−6 = 0, 02 ◦ C −1 −6 45 · 10

34

[-] [uV] [-]

A1000 eADC_pp

LSB

A [-] ΔUADC / ΔT [uV] LSB / ΔT [°C-1]

A [-] ΔUADC / ΔT [uV] LSB / ΔT [°C-1]

Zesílení výstupu k ADC Drift na vstupu ADC Drift na vstupu ADC

Zesílení signálu k ADC Drift na vstupu ADC Počet nejnižších bitů

[-] [uV/°C] [uV/°C]

A ΔUOS / ΔT ΔU2 / ΔT

Funkce Označení ve schematu Typ OZ Zesílení OZ Drift napěťového offsetu Drift na výstupu

OZ3 AD8057

Zesil. 2x

OZ2 AD8021

OZ1 AD8065

OZ3 AD8057

Zesil. 2x

1 5 2 1 0,5 3 1 2,5 6 Vstupní rozsah 200 mV 18,40 3,68 1,84 18,4 9,2 11,0 0,041 0,020 0,025 Vstupní rozsah 2 V 1,84 2 0,004 -

Zesil. 5x

FET sled.

1 5 2 7 2,1 7 38,3 57,5 76,7 Vstupní rozsah 200 mV 18,40 3,68 1,84 705 212 141 1,57 0,47 0,31 Vstupní rozsah 2 V 1,84 71 0,16 -

OZ2 AD8021

OZ1 AD8065

Teplotní drift napěťového offsetu – typické hodnoty

Zesílení signálu k ADC Šum na vstupu ADC Počet nejnižších bitů

[-] [uV] [-]

A100 eADC_pp

LSB

[-] [nV/rtHz] [uV]

A en en2_pp

Zesil. 5x

FET sled.

1 3 3

1,84 6 0,012

1,84 5,5 0,012

OZ4A AD8058

Sledovač

1,84 71 0,16

1,84 71 0,16

1 7 38,3

OZ4A AD8058

Sledovač

1 3 3

1,84 6 0,012

1,84 5,5 0,012

OZ4B AD8058

Filtr

1,84 71 0,16

1,84 71 0,16

1 7 38,3

OZ4B AD8058

Filtr

Diff.budič

Diff.budič

1,00 23 0,05

1,00 23 0,05

305 0,68

1293 2,87

1,84 6 0,012

1,00 2 0,005

1,00 2,3 0,005

20,7 0,046

57,5 0,128

Součet OZ7 AD8139 1 1,84 3 1,25 3 2,3 1,84 5,5 0,012

OZ6 AD8057

Vert.pos.

1,84 71 0,16

1,84 71 0,16

OZ6 AD8057

Součet OZ7 AD8139 1 1,84 7 2,25 38,3 22,7

Vert.pos.

2.3.12

Zesílení signálu k ADC Šum na vstupu ADC Počet nejnižších bitů

Funkce Označení Typ OZ Zesílení OZ Vstupní šum OZ Šum na výstupu OZ

Napěťový šum operačních zesilovačů


35

Vypoˇ cten´ e hodnoty ˇ sumu a driftu OZ


2.4

USB modul

Modul slouˇz´ı ke komunikaci s osobn´ım poˇc´ıtaˇcem pˇres sbˇernici USB, pˇriˇcemˇz zajiˇst’uje galvanické oddˇelen´ı poˇc´ıtaˇce od mˇeˇric´ıho pˇr´ıstroje. Stejnˇe tak jako ostatn´ı komunikaˇcn´ı moduly, i tento komunikuje s ˇr´ıdic´ım mikrokontrolérem na základn´ı desce po sériové sbˇernici SPI. Modul se tedy mus´ı postarat o pˇrevod mezi sériov´ ymi sbˇernicemi USB a SPI. Ke konverzi sbˇernice SPI na USB lze pˇristoupit dvˇema zp˚ usoby. Prvn´ım je pouˇzit´ı specializovaného obvodu. Nutno poznamenat, ˇze nab´ıdka tˇechto obvod˚ u je znatelnˇe uˇzˇs´ı neˇz obvod˚ u pro pˇrevod USB na klasickou asynchronn´ı sériovou linku. Jedin´ ym obvodem splˇ nuj´ıc´ım vˇsechny poˇzadavky, kter´ y se podaˇrilo nalézt, je MAX3420E. Druh´ ym pˇr´ıstupem je nasazen´ı levného jednoˇcipového mikrokontroléru s integrovan´ ymi ˇradiˇci USB a SPI. Tento pˇr´ıstup proti specializovan´ ym obvod˚ um nab´ız´ı znaˇcnou programovatelnost. Mimo pˇrevodu mezi sbˇernicemi se tak v pˇr´ıpadˇe potˇreby nab´ız´ı moˇznost modul rozˇs´ıˇrit napˇr. o funkce zajiˇst’uj´ıc´ı zpˇetnou kompatibilitu nebo kompatibilitu s jin´ ymi pˇr´ıstroji. Pro pˇrevod mezi SPI a USB sbˇernicemi byl zvolen jednoˇcipov´ y mikrokontrolér Atmel AT91SAM7S64 postaven´ y na 32-bitovém jádˇre ARM7. Jeho v´ yhodou je, mimo shodné architektury s ˇr´ıdic´ım mikrokontrolérem na základn´ı desce, n´ızká cena a dobrá dostupnost. Mikrokontrolér obsahuje ˇradiˇc sbˇernice USB 2.0 ve variantˇe high-speed, nab´ız´ı dostateˇcn´ y v´ ykon i velikost RAM pouˇzitelnou jako vyrovnávac´ı pamˇet’.

2.4.1

Galvanick´ e oddˇ elen´ı

Ke galvanickému oddˇelen´ı mˇeˇric´ıho pˇr´ıstroje od osobn´ıho poˇc´ıtaˇce jsou pouˇzity obvody postavené na technologii iCoupler spoleˇcnosti Analog Devices. Kombinac´ı rychl´ ych CMOS obvod˚ u a miniaturn´ıch transformátor˚ u se vzduchov´ ym jádrem dosahuj´ı, v porovnán´ı s alternativn´ımi ˇreˇsen´ımi, velmi dobr´ ych parametr˚ u.

36


Obvody vyuˇz´ıvaj´ıc´ı technologie iCoupler ˇreˇs´ı r˚ uzné nev´ yhody spojené s uˇzit´ım klasick´ ych optoˇclen˚ u. S obvody iCoupler odpadaj´ı problémy s velk´ ymi vstupn´ımi proudy, velkou toleranc´ı pomˇeru v´ ystupn´ıho ke vstupn´ımu proudu (CTR) a teplotn´ı závislost´ı. Spotˇreba obvod˚ u iCoupler typicky pˇredstavuje desetinu aˇz ˇsestinu spotˇreby optoˇclen˚ u srovnateln´ ych rychlost´ı. Kaˇzd´ y z pouˇzit´ ych obvod˚ u ADuM1400 nab´ız´ı 4 nezávislé kanály. Obˇe strany digitáln´ıch izolátor˚ u lze napájet napájec´ım napˇet´ım v rozsahu 2,7 V aˇz 5,5 V, coˇz pˇrináˇs´ı moˇznost konverze logick´ ych u ´rovn´ı. Izolaˇcn´ı pevnost tˇechto obvod˚ u je 2,5 kV, pˇriˇcemˇz se vyráb´ı i ve variantˇe se zv´ yˇsenou pevnost´ı 5 kV. Obvody AduM1400 se vyráb´ı ve 3 variantách. Nejvyˇsˇs´ı varianta nab´ız´ı pˇrenosovou rychlost 90 Mb/s, maximáln´ı zpoˇzdˇen´ı procházej´ıc´ıho signálu 32 ns a nejvyˇsˇs´ı zkreslen´ı délky pulzu 2 ns.

2.5

Nalezen´ e nedostatky

Tato kapitola shrnuje nedostatky v návrhu hardware, které byly nalezeny bˇehem oˇzivován´ı navrˇzeného digitáln´ıho pamˇet’ového osciloskopu. Uvedena jsou i jejich provizorn´ı ˇreˇsen´ı.

2.5.1

Analogov´ y submodul

• Parazitn´ı kapacita analogov´ ych pˇrep´ınaˇc˚ u Pˇri návrhu nebyla uvaˇzována parazitn´ı kapacita analogov´ ych pˇrep´ınaˇc˚ u, coˇz mˇelo za následek znaˇcné omezen´ı ˇs´ıˇrky pásma analogové ˇcásti. ˇ sen´ım je sn´ıˇzen´ı odporu rezistoru R4 na 33 Ω a odstranˇen´ı kondenzátoru Reˇ C4. • N´ızká kapacita trimru C3 Provizorn´ım ˇreˇsen´ım bylo pˇridán´ı kondenzátoru kapacity 22 pF paralelnˇe k trimru C3.

37


• Zrcadlové pˇrevrácen´ı oscilátoru ˇ sen´ım je zapájet samotn´ Reˇ y oscilátor zrcadlovˇe. V´ yvody oscilátoru je zapotˇreb´ı s pájec´ımi ploˇskami propojit krátk´ ymi vodiˇci tak, aby vrchn´ı strana oscilátoru nezp˚ usobila jejich zkratován´ı. • Zrcadlové pˇrevrácen´ı relé Pouˇzitá relé jsou citlivá na polaritu budic´ıho napˇet´ı, v´ yvody budic´ıch c´ıvek je proto zapotˇreb´ı prohodit. Motiv ploˇsného spoje je tˇreba na nˇekolika m´ıstech pˇreruˇsit a na vhodná m´ısta um´ıstit nulové rezistory nebo drátové propojky.

2.5.2


• Rozteˇc dvouˇrad´ ych 34-pinov´ ych konektor˚ u na desce dvoukanálového osciloskopu je o 0,75 mm menˇs´ı neˇz rozteˇc konektor˚ u na základn´ı desce pˇr´ıstroje. ˇ sen´ım je pouˇzit´ı delˇs´ıch pinov´ Reˇ ych liˇst umoˇzn ˇuj´ıc´ıch m´ırnou deformac´ı jednotliv´ ych pin˚ u kompenzovat nepˇresnost návrhu.

2.5.3

USB modul

• Vstupn´ı signál CS digitáln´ıho izolátoru IC4 je invertovan´ y, coˇz má za následek deaktivaci v´ ystupu v dobˇe, kdy má b´ yt aktivn´ı a naopak. Nejjednoduˇsˇs´ım ˇreˇsen´ım je provést pˇreruˇsen´ı zmiˇ novaného signálu CS a t´ım v´ ystup integrovaného obvodu trvale aktivovat. • Pˇri návrhu bylo poˇc´ıtáno s propojen´ım modulu se základn´ı deskou dvouˇrad´ ym u ´hlov´ ym konektorem. Byla vˇsak opomenuta nutnost prohodit vnˇejˇs´ı a vnitˇrn´ı ˇradu signál˚ u. ˇ sen´ım je pouˇzit´ı pˇr´ımého dvouˇradého konektoru. Reˇ

38


´ VYBAVENÍ SOFTWAROVE

3 3.1

Obsluˇ zn´ y software pro PC

Obrázek 3.1: Sn´ımek obrazovky obsluˇzného software pro PC

Program pro osobn´ı poˇc´ıtaˇc slouˇz´ı k zobrazen´ı namˇeˇren´ ych dat a ovládán´ı digitáln´ıho pamˇet’ového osciloskopu. Pro zobrazen´ı namˇeˇren´ ych pr˚ ubˇeh˚ u napˇet´ı je vyhrazena hlavn´ı ˇca´st okna. Rychlé orientaˇcn´ı urˇcen´ı parametr˚ u mˇeˇreného signálu umoˇzn ˇuje mˇr´ıˇzka dˇel´ıc´ı pole na 8 d´ıl˚ u v obou osách. Pro pˇresné urˇcen´ı maximáln´ı, minimáln´ı, ˇspiˇckové a stˇredn´ı hodnoty napˇet´ı mˇeˇreného signálu jsou tyto zobrazeny ve spodn´ı ˇca´sti okna programu. V pravé ˇcásti okna programu se nacház´ı karty umoˇzn ˇuj´ıc´ı ovládán´ı osciloskopu. Karta ”Zobrazen´ı” umoˇzn ˇuje volit vstupn´ı vazbu osciloskopu, vstupn´ı napˇet’ov´ y rozsah, rychlost ˇcasové základny a napˇet’ovou u ´roveˇ n triggeru.

39


Vstupn´ı napˇet’ov´ y rozsah lze volit v kroc´ıch 1-2-5 v rozmez´ı 25 mV aˇz 2,5 V na d´ılek, coˇz odpov´ıdá mˇeˇric´ım rozsah˚ um ±100 mV aˇz ±10 V. ˇ Casov´ a základna, resp. rozliˇsen´ı v ˇcasové ose, lze volit v kroc´ıch 1-2-5 v rozmez´ı od 250 ns na d´ılek do 5 ms na d´ılek. Pˇri v´ ychoz´ı volbˇe 1 µs na d´ılek jsou zobrazovány posloupnosti 667 mˇeˇren´ ych hodnot. Pˇri volbˇe vyˇsˇs´ı rychlosti ˇcasové základny je poˇcet vzork˚ u na obrazovku sniˇzován, pˇri volbˇe niˇzˇs´ı rychlosti ˇcasové základny jsou naopak namˇeˇrené vzorky vynechávány. Dále je osciloskop vybaven funkc´ı triggeru citlivého na sestupnou hranu ´ mˇeˇreného signálu. Uroveˇ n triggeru, nastavitelná posuvn´ıkem ve spodn´ı ˇcásti karty ”Zobrazen´ı”, je v oblasti zobrazuj´ıc´ı mˇeˇren´ y pr˚ ubˇeh napˇet´ı znázornˇena krátkou vodorovnou modrou ˇcarou. Karta ”Kurzory” umoˇzn ˇuje do zobrazovaˇce mˇeˇreného signálu um´ıstit dvojici kurzor˚ u napˇet´ı. Na kartˇe je moˇzno za pomoci posuvn´ık˚ u mˇenit jejich polohu. Polohu a rozd´ıl obou kurzor˚ u lze odeˇc´ıtat dle nastaveného mˇeˇric´ıho rozsahu ve voltech nebo milivoltech. Za pomoci karty ”Kalibrace” lze provádˇet vertikáln´ı posun a korekci amplitudy mˇeˇreného signálu. Vertikáln´ı posun je moˇzn´ y v rozsahu ± 3 V s krokem 1,465 mV. Korekci amplitudy lze provádˇet zmˇenou referenˇcn´ıho napˇet´ı A/D pˇrevodn´ıku v rozsahu od 906,2 do 997,8 s krokem 22,4 µV. Zvolen´ y rozsah odpov´ıdá 95,2 % aˇz 104,8 % ideáln´ı hodnoty, dané pomˇerem rezistor˚ u ve zpˇetné vazbˇe diferenciáln´ıho budiˇce A/D pˇrevodn´ıku, Uref = 475 / 499 = 951,9 mV. Za pomoci pˇrep´ınaˇc˚ u v doln´ı ˇca´sti karty lze na vstup pˇripojit referenˇcn´ı napˇet´ı 0 V, 66, ¯6 mV, 733, ¯3 mV nebo 3 V. Karta ”Pˇr´ıkazová ˇrádka” je urˇcena k ladˇen´ı programového vybaven´ı digitáln´ıho pamˇet’ového osciloskopu. Umoˇzn ˇuje sledovat odes´ılané pˇr´ıkazy a v pˇr´ıpadˇe potˇreby odeslat libovoln´ y ˇr´ıdic´ı povel.

40


3.1.1

V´ yvojov´ e n´ astroje

Program je vytvoˇren a odladˇen na osobn´ım poˇc´ıtaˇci kompatibiln´ım se standardem i386 pod operaˇcn´ım systémem GNU/Linux distribuce Kubuntu 7.10. Je vytvoˇren v programovac´ım jazyce C++, pˇriˇcemˇz stav´ı na knihovnˇe Qt 4.3 spoleˇcnosti Trolltech. Ke kompilaci byl pouˇzit pˇrekladaˇc g++ z kolekce GNU GCC verze 4.1.3.

3.1.2

Komunikace

Digitáln´ı pamˇet’ov´ y osciloskop je k osobn´ımu poˇc´ıtaˇci pˇripojen prostˇrednictv´ım sbˇernice USB 2.0. Komunikace je postavena na tˇr´ıdˇe Communication Device Class (CDC). To znamená, ˇze ze strany hostitelského PC se k zaˇr´ızen´ı pˇristupuje jako k sériovému portu. Vytvoˇren´ı virtuáln´ıho sériového portu zajiˇst’uje ovladaˇc zaˇr´ızen´ı, v prostˇred´ı GNU/Linux modul usbserial. Tento je zapotˇreb´ı zavést pˇr´ıkazem modprobe usbserial vendor=0x03EB product=0x6119. Data jsou pˇrenáˇsena pomoc´ı paket˚ u sestávaj´ıc´ıch z následuj´ıc´ıch poloˇzek hlaviˇcka

znaˇcka zaˇca´tku paketu, vˇzdy 0xCA

verze

verze datagramu, nyn´ı 0x01

typ

typ datagramu, pro CommandStream 0x01

pˇr´ıznaky

potvrzen´ı pˇr´ıjmu 0x5E, jinak 0x00

index

poˇradové ˇc´ıslo paketu

zdroj. port

rozliˇsen´ı odesilatele / komponenty obsluˇzného programu

c´ıl. port

rozliˇsen´ı pˇr´ıjemce / komponenty programu

typ c´ıle

identifikaˇcn´ı ˇc´ıslo pˇr´ıjemce, zat´ım nevyuˇzito

délka dat

velikost datového segmentu v bytech

data

vlastn´ı data

souˇcet

kontroln´ı souˇcet - nonekvivalence vˇsech byt˚ u paketu

stop byte

vˇzdy 0x00

Implementace komunikaˇcn´ı ˇcásti je rozdˇelena do 3 vrstev. Pˇr´ıstup k virtuáln´ımu sériovému portu implementuje tˇr´ıda UsbPhy postavená na kni-

41


hovnˇe QextSerial 1.1. Nad tˇr´ıdou UsbPhy stoj´ı tˇr´ıda DsoStack. Ta slouˇz´ı k zapouzdˇren´ı odchoz´ıch datov´ ych paket˚ u a smˇerován´ı paket˚ u pˇr´ıchoz´ıch. Jednotlivé komponenty programu pak komunikuj´ı s tˇr´ıdou DsoStack za pomoci objekt˚ u tˇr´ıdy CommandStream. Tˇr´ıda CommandStream vytváˇr´ı virtuáln´ı datov´ y proud a implementuje zásobn´ıky pˇr´ıchoz´ıch a odchoz´ıch dat.

3.1.3

Zobrazen´ı namˇ eˇ ren´ ych dat

Zobrazen´ı namˇeˇren´ ych dat realizuje tˇr´ıda ScopeView dˇed´ıc´ı z tˇr´ıdy QGraphicsView (souˇcást Qt toolkitu). Obsahuje funkce pro vykreslen´ı mˇr´ıˇzky, kurzor˚ u, triggeru a libovolné kˇrivky udané seznamem namˇeˇren´ ych hodnot napˇet´ı. Namˇeˇrené pr˚ ubˇehy napˇet´ı pˇrij´ımá tˇr´ıda ScopeForm prostˇrednictv´ım objektu dataStream naslouchaj´ıc´ım na portu 2. Vyhodnocuje maximáln´ı, minimáln´ı, ˇspiˇckovou a stˇredn´ı hodnotu napˇet´ı a z´ıskaná data pˇredává objektu scopeView k vykreslen´ı. Po vykreslen´ı dat odes´ılá potvrzen´ı o zpracován´ı a pˇripravenosti na nová data.

3.1.4

Ovl´ ad´ an´ı osciloskopu

ˇ ıdic´ı povely pro digitáln´ı pamˇet’ov´ R´ y osciloskop jsou v ˇcitelném textovém tvaru, sestávaj´ı z posloupnosti znak˚ u ASCII. Kaˇzd´ y povel je sloˇzen z názvu pˇr´ıkazu a parametr˚ u navzájem oddˇelen´ ych mezerami. Pˇr´ıkazy nen´ı tˇreba ukonˇcovat speciáln´ım znakem. Plat´ı pravidlo, ˇze jeden datov´ y paket odpov´ıdá jednomu ˇr´ıdic´ımu povelu. Odes´ılán´ı ˇr´ıdic´ıch povel˚ u a jejich v´ ypis do karty ”Pˇr´ıkazov´ y ˇra´dek” zajiˇst’uje tˇr´ıda CmdWidget. Jednotlivé pˇr´ıkazy odes´ılá za pomoci objektu cmdStream tˇr´ıdy CommandStream na port ˇc´ıslo 1 digitáln´ıho osciloskopu. Chován´ı a funkci jednotliv´ ych ovládac´ıch prvk˚ u obsluˇzného software osciloskopu definuje tˇr´ıda ScopeForm.

42


3.1.5

Konfigurace FPGA

Po spuˇstˇen´ı digitáln´ıho pamˇet’ového osciloskopu je zapotˇreb´ı provést konfiguraci osazeného hradlového pole Xilinx ˇrady Spartan 3. Po inicializaci hradlového pole pˇr´ıstroj odes´ılá obsluˇznému software pro PC poˇzadavek na konfiguraˇcn´ı soubor hradlového pole. Na portu 3, kam je poˇzadavek smˇeˇrován, naslouchá objekt fpgaStream. Ten pˇr´ıjem poˇzadavku hlás´ı objektu tˇr´ıdy ScopeForm, kter´ y prostˇrednictv´ım objektu fpgaStream odes´ılá na port 0 digitáln´ıho osciloskopu vyˇzádaná data. Prvn´ı paket obsahuje ˇc´ıslo, velikost konfiguraˇcn´ıho souboru v bytech. Následuj´ı vlastn´ı binárn´ı data – konfiguraˇcn´ı soubor vytvoˇren´ y ve v´ yvojovém prostˇred´ı ISE Webpack 9.2i.

3.2

USB pˇ revodn´ık

Pˇrevodn´ık zprostˇredkovává styk mezi jednoˇcipov´ ym mikrokontrolérem na základn´ı desce digitáln´ıho osciloskopu, k USB pˇrevodn´ıku pˇripojen´ ym prostˇrednictv´ım galvanicky oddˇelené sbˇernice SPI a ˇradiˇcem USB osobn´ıho poˇc´ıtaˇce. Firmware jednoˇcipového mikrokontroléru AT91SAM7S64 implementuje komunikaˇcn´ı tˇr´ıdu USB Communication Device Class, zajiˇst’uje obsluhu sbˇernice SPI a pro zv´ yˇsen´ı datové propustnosti nab´ız´ı vyrovnávac´ı pamˇet’.

3.2.1

Architektura mikrokontrol´ eru

Firmware byl vyvinut pro jednoˇcipov´ y mikrokontrolér Atmel AT91SAM7S64. Jedná se o mikrokontrolér von Neumannovy architektury obsahuj´ıc´ı 32-bitové RISC jádro ARM7TDMI, 64 kB flash pamˇeti programu, 16 kB RAM a mnoˇzstv´ı periferi´ı, z nichˇz pro náˇs u ´ˇcel jsou v´ yznamné pˇredevˇs´ım integrované ˇradiˇce sbˇernic USB a SPI.

43


3.2.2


Firmware je vytvoˇren v programovac´ım jazyce C s vyuˇzit´ım v´ yvojov´ ych nástroj˚ u CodeSourcery G++ Lite Edition verze 2007q3. K zápisu firmware do flash pamˇeti mikrokontroléru byl pouˇzit program openocd 1.0 a programovac´ı adaptér USBprog 3.0.

3.2.3

Implementace

Implementace komunikaˇcn´ıho rozhran´ı USB stav´ı na AT91 USB frameworku poskytnutého spoleˇcnost´ı Atmel. Firmware splˇ nuje poˇzadavky dané komunikaˇcn´ı tˇr´ıdou Communication Device Class (CDC), to umoˇzn ˇuje na stranˇe hostitelského PC vyuˇz´ıt standadn´ıch ovladaˇc˚ u a k zaˇr´ızen´ı pˇristupovat stejn´ ym zp˚ usobem jako k sériovému portu. ˇ c sbˇernice SPI vyuˇz´ıvá DMA kanál˚ Radiˇ u. Pˇreruˇsen´ı od ˇradiˇce SPI má nastavenu vysokou prioritu, coˇz zabraˇ nuje podteˇcen´ı zásobn´ıku pˇrij´ıman´ ych dat. Tento pˇr´ıstup dovoluje mikrokontroléru na základn´ı desce digitáln´ıho osciloskopu zahájit vys´ılán´ı v jakémkoli okamˇziku, bez ovˇeˇrován´ı pˇripravenosti SPI/USB pˇrevodn´ıku. Pˇr´ıchoz´ı datové pakety jsou ˇrazeny do datov´ ych zásobn´ık˚ u. Pro kaˇzdou z komunikuj´ıc´ıch stran je vyhrazen jeden zásobn´ık kapacity 50 paket˚ u, pˇriˇcemˇz velikost jednoho paketu je, s ohledem na velikost datov´ ych blok˚ u pˇrenáˇsen´ ych po sbˇernici USB, omezena na 64 byt˚ u. Pouˇzit´ı datov´ ych zásobn´ık˚ u umoˇzn ˇuje odeslán´ı vˇetˇs´ıho mnoˇzstv´ı paket˚ u bez ˇcekán´ı na okamˇzité potvrzen´ı pˇr´ıjmu kaˇzdého z paket˚ u protistranou, ˇc´ımˇz zvyˇsuje datovou propust.

3.3

Mikrokontrol´ er na z´ akladn´ı desce

Mikrokontrolér AT91SAM7X256 na základn´ı desce pˇr´ıstroje zajiˇst’uje komunikaci a zprostˇredkuje funkce poskytované hradlov´ ym polem XC3S200 a mikrokontrolérem ATmega16 na desce dvoukanálového osciloskopu.

44


3.3.1


Firmware je urˇcen pro jednoˇcipov´ y mikrokontrolér Atmel AT91SAM7X256. Tento 32-bitov´ y mikrokontroler von Neumannovy architektury s jádrem ARM7TDMI nab´ız´ı 256 kB flash pamˇeti programu a 64 kB RAM. Z mnoˇzstv´ı integrovan´ ych periferi´ı jsou pro náˇs u ´ˇcel v´ yznamné ˇradiˇce sbˇernic SPI, SSC a USART.

3.3.2


K v´ yvoji firmware byly pouˇzity v´ yvojové nástroje CodeSourcery G++ Lite Edition verze 2007q3, openocd 1.0 a programovac´ı adaptér USBprog 3.0.

3.3.3

Implementace

Prvn´ım u ´kolem mikrokontroléru, po zapnut´ı digitáln´ıho pamˇet’ového osciloskopu a vlastn´ı inicializaci, je provést inicializaci hradlového pole. Jakmile je hradlové pole pˇripraveno, odes´ılá pˇripojenému osobn´ımu poˇc´ıtaˇci poˇzadavek na konfiguraˇcn´ı soubor FPGA. Konfigurace FPGA je provádˇena po sériové sbˇernici ˇr´ızené ˇradiˇcem SSC, pˇriˇcemˇz mikrokontrolér zde vystupuje jako master. Hradlové pole informuje mikrokontrolér o dostupnosti nov´ ych dat vystaven´ım logické 1 na linku RF. Jakmile je mikrokontrolér pˇripraven, zahajuje ˇcten´ı zvednut´ım linky TF. Namˇeˇrená data jsou pˇrenáˇsena po sériové sbˇernici ˇr´ızené ˇradiˇcem ˇ c SSC podporuje plnˇe duplexn´ı pˇrenos SSC, mikrokontroler je masterem. Radiˇ dat, ˇcehoˇz je vyuˇzito k pˇrenosu nastaven´ı ˇcasové základny a triggeru do registr˚ u hradlového pole. ˇ ıdic´ı povely t´ R´ ykaj´ıc´ı se nastaven´ı vstupn´ıho analogového modulu jsou pˇredávány mikrokontroléru ATmega16L na desce dvoukanálového osciloskopu po asynchronn´ı sériové sbˇernici.

45


3.4

Mikrokontrol´ er na desce dvoukan´ alov´ eho osciloskopu

Mikrokontrolér ATmega16L na desce dvoukanálového osciloskopu má za u ´kol zajistit ˇza´dané nastaven´ı vstupn´ıho analogového modulu. Za pomoci relé, osazen´ ych na analogovém vstupn´ım modulu, umoˇzn ˇuje nastavit vstupn´ı signálu, na vstup osciloskopu pˇripojit referenˇcn´ı napˇet´ı nebo volitelnˇe mˇeˇren´ y signál 10 krát zeslabit. Nastaven´ım analogov´ ych pˇrep´ınaˇc˚ u umoˇzn ˇuje mˇenit zes´ılen´ı mˇeˇreného signálu. Dále umoˇzn ˇuje nastaven´ım D/A pˇrevodn´ıku po I2C sbˇernici realizovat vertikáln´ı posun mˇeˇreného signálu a korekci amplitudy.

3.4.1


Osazen´ y jednoˇcipov´ y mikrokontrolér ATmega16L Harvardské architektury obsahuje 8-mi bitové RISC jádro AVR, 16 kB pamˇeti programu a 1 kB pamˇeti RAM. Z periferi´ı je pro nás d˚ uleˇzit´ y USART, ˇradiˇc sbˇernice TWI (I2C) a integrovan´ y RC oscilátor poskytuj´ıc´ı taktovac´ı frekvenci 1 MHz.

3.4.2


K v´ yvoji byly pouˇzity v´ yvojové nástroje GNU AVR-GCC 4.2.1 a knihovny AVR Libc 1.4.5. K zápisu firmware do flash pamˇeti mikrokontroléru byl pouˇzit program avrdude 5.4 a programovac´ı adaptér USBprog 3.0 s konvertorem logick´ ych u ´rovn´ı 5 V / 3,3 V.

3.4.3

Implementace

Data pˇrij´ımaná po asynchronn´ı sériové sbˇernici jsou v pˇreruˇsen´ı USARTu ukládána do kruhového bufferu. V hlavn´ı smyˇcce programu jsou pˇrijaté znaky skládány do datového zásobn´ıku dokud nen´ı naˇcten znak zalomen´ı ˇra´dku, ten znaˇc´ı konec pˇr´ıkazu. Pˇrijat´ y ˇretˇezec je pˇredán funkci callCmd, která volá

46


odpov´ıdaj´ıc´ı funkci a pˇredává ji pˇrijaté parametry. Volaná funkce realizuje ˇr´ıdic´ı pokyn zmˇenou stavu v´ ystup˚ u mikrokontroléru, pˇr´ıpadnˇe aktualizac´ı nastaven´ı D/A pˇrevodn´ıku.

3.5

Hradlov´ e pole na z´ akladn´ı desce

Hlavn´ım u ´kolem hradlového pole je sbˇer dat z A/D pˇrevodn´ıku, jejich zápis do pˇripojené RAM a následné odes´ılán´ı mikrokontroléru na základn´ı desce pˇr´ıstroje. Dále zajiˇst’uje zmˇenu mˇeˇr´ıtka ˇcasu a funkci triggeru.

3.5.1


Návrh je proveden ve v´ yvojovém prostˇred´ı ISE WebPack 9.2i, v programovac´ım jazyce VHDL. Konfigurace hradlového pole je provádˇena za pomoci ˇr´ıdic´ıho mikrokontroléru na základn´ı desce digitáln´ıho pamˇet’ového osciloskopu.

3.5.2

Implementace

Pracovn´ı cyklus hradlového pole je rozdˇelen do 2 fáz´ı – sbˇer dat z A/D pˇrevodn´ıku a komunikace s ˇr´ıdic´ım mikrokontrolérem. Pracovn´ı fázi ˇr´ıd´ı mikrokontrolér na základn´ı desce pˇr´ıstroje za pomoci signálu TF. Ve fázi sbˇeru dat, kdy je signál TF v logické 0, jsou namˇeˇrená data ukládána do pˇripojené synchronn´ı RAM. Za pomoci registru timebase je moˇzno volit rychlost ˇcasové základny, resp. frekvenci ukládán´ı vzork˚ u. V pˇr´ıpadˇe nastaven´ı timebase = 0 jsou ukládány vˇsechny namˇeˇrené vzorky. V pˇr´ıpadˇe opaˇcném je ukládán pouze kaˇzd´ y x-t´ y vzorek, kde x = timebase + 1. Hradlové pole implementuje funkci triggeru citlivého na sestupnou hranu ´ mˇeˇreného signálu. Uroveˇ n, na kterou je trigger citliv´ y, lze volit nastaven´ım registru trig lvl. V pˇr´ıpadˇe, ˇze je detekována sestupná hrana mˇeˇreného signálu,

47


je vynulován ˇc´ıtaˇc adresy RAM a nastaven pˇr´ıznak triggered, kter´ y brán´ı v´ıcenásobnému nulován´ı ˇc´ıtaˇce. Po uloˇzen´ı 667 vzork˚ u oznamuje hradlové pole zvednut´ım linky RF pˇripravenost na pˇrechod do druhé fáze. V druhé fázi (TF = 1) jsou data uloˇzená v RAM odes´ılána po sériové sbˇernici ˇr´ıdic´ımu mikrokontroléru na základn´ı desce. Hradlové pole zajiˇst’uje ˇcten´ı dat z RAM a jejich serializaci. Zároveˇ n ˇcte data odes´ılaná mikrokontrolérem. S pˇrenosem prvn´ıho vzorku je pˇrij´ımána hodnota registru timebase, s pˇrenosem druhého vzorku hodnota registru trig lvl.

48


ˇ REN ˇ Í PARAMETRU ˚ PR ˇ ÍSTROJE OVE

4 4.1

Frekvenˇ cn´ı charakteristiky

C´ılem této ˇca´sti mˇeˇren´ı bylo ovˇeˇrit frekvenˇcn´ı charakteristiky vˇsech mˇeˇric´ıch rozsah˚ u zkonstruovaného digitáln´ıho pamˇet’ového osciloskopu.

4.1.1

Sch´ ema zapojen´ı

Obrázek 4.1: Zapojen´ı pracoviˇstˇe pro mˇeˇren´ı frekvenˇcn´ıch charakteristik

4.1.2

Postup mˇ eˇ ren´ı

Jak je patrno ze schématu zapojen´ı mˇeˇric´ıho pracoviˇstˇe, mˇeˇren´ y signál ˇzádané frekvence a amplitudy U0pp je vytváˇren generátorem funkc´ı HP 33120A. V´ ystupn´ı napˇet´ı generátoru je mˇeˇreno souˇcasnˇe navrˇzen´ ym digitáln´ım osciloskopem (U2pp ) a digitáln´ım osciloskopem HP 54600A (Uref pp ). Vyhodnocován je pomˇer namˇeˇren´ ych hodnot napˇet´ı ˇspiˇcka-ˇspiˇcka obou osciloskop˚ u, pˇriˇcemˇz hodnoty namˇeˇrené digitáln´ım osciloskopem HP 54600A povaˇzujeme za správné. Mˇeˇren´ı bylo provedeno s vertikáln´ım posunem nastaven´ ym za pomoci obsluˇzného programu pro PC na hodnotu 2040 a s kalibrac´ı amplitudy 1220.

49


4.1.3

Namˇ eˇ ren´ e hodnoty

Měřicí rozsah ± 100 mV, U0pp = 100 mV f [kHz]

50

Měřicí rozsah ± 200 mV, U0pp = 300 mV

Urefpp

U2pp

U2pp/Urefpp

f

[mV]

[mV]

[]

[kHz]

Urefpp

U2pp

U2pp/Urefpp

[mV]

[mV]

[]

1,0

110,9

104,2

0,94

1,0

306,3

304,4

0,99

3,3

110,9

104,4

0,94

3,3

303,1

304,2

1,00

10,0

109,4

104,4

0,95

10,0

304,7

304,5

1,00

33,0

109,4

104,3

0,95

33,0

309,4

304,8

0,99

100,0

109,4

104,0

0,95

100,0

307,8

304,5

0,99

330,0

106,3

102,3

0,96

330,0

307,6

303,2

0,99

1000,0

103,1

101,7

0,99

1000,0

304,7

301,2

0,99

1500,0

103,1

101,4

0,98

1500,0

298,4

297,8

1,00

2200,0

103,1

98,4

0,95

2200,0

293,6

289,6

0,99

3300,0

98,4

93,1

0,95

3300,0

284,4

275,7

0,97

4700,0

92,2

86,3

0,94

4700,0

270,3

254,2

0,94

6800,0

78,1

75,0

0,96

6800,0

242,2

224,2

0,93

10000,0

68,8

61,5

0,89

10000,0

204,7

183,0

0,89

15000,0

40,3

46,2

15000,0

153,1

134,0

0,88

Měřicí rozsah ± 500 mV, U0pp = 600 mV

Měřicí rozsah ± 1 V, U0pp = 1,5 V

f

Urefpp

U2pp

U2pp/Urefpp

f

Urefpp

U2pp

U2pp/Urefpp

[kHz]

[mV]

[mV]

[]

[kHz]

[V]

[V]

[]

1,0

600,0

604,5

1,01

1,0

1,513

1,510

1,00

3,3

600,0

604,2

1,01

3,3

1,513

1,511

1,00

10,0

600,0

605,0

1,01

10,0

1,513

1,510

1,00

33,0

596,9

604,7

1,01

33,0

1,513

1,509

1,00

100,0

603,1

604,5

1,00

100,0

1,525

1,509

0,99

330,0

600,0

603,3

1,01

330,0

1,544

1,507

0,98

1000,0

593,7

598,1

1,01

1000,0

1,538

1,495

0,97

1500,0

593,7

592,3

1,00

1500,0

1,525

1,475

0,97

2200,0

584,4

576,7

0,99

2200,0

1,506

1,435

0,95

3300,0

571,9

549,3

0,96

3300,0

1,456

1,359

0,93

4700,0

546,9

511,5

0,94

4700,0

1,394

1,257

0,90

6800,0

496,9

453,5

0,91

6800,0

1,263

1,117

0,88

10000,0

431,0

372,6

0,86

10000,0

1,087

0,934

0,86

15000,0

334,4

278,4

0,83

15000,0

0,869

0,730

0,84


Měřicí rozsah ± 2 V, U0pp = 3 V

51

Měřicí rozsah ± 5 V, U0pp = 6 V

f

Urefpp

U2pp

U2pp/Urefpp

f

Urefpp

U2pp

U2pp/Urefpp

[kHz]

[mV]

[mV]

[]

[kHz]

[mV]

[mV]

[]

1,0

3,016

3,022

1,00

1,0

6,000

6,033

1,01

3,3

3,016

3,025

1,00

3,3

6,031

6,055

1,00

10,0

3,000

3,054

1,02

10,0

6,000

6,106

1,02

33,0

3,016

3,067

1,02

33,0

6,000

6,133

1,02

100,0

3,047

3,070

1,01

100,0

6,062

6,135

1,01

330,0

3,063

3,071

1,00

330,0

6,125

6,130

1,00

1000,0

3,063

3,046

0,99

1000,0

6,094

6,091

1,00

1500,0

3,016

3,009

1,00

1500,0

6,062

6,035

1,00

2200,0

2,988

2,948

0,99

2200,0

6,000

5,903

0,98

3300,0

2,910

2,809

0,97

3300,0

5,812

5,630

0,97

4700,0

2,778

2,605

0,94

4700,0

5,562

5,239

0,94

6800,0

2,541

2,290

0,90

6800,0

5,125

4,658

0,91

10000,0

2,188

1,850

0,85

10000,0

4,375

3,823

0,87

15000,0

1,734

1,311

0,76

15000,0

3,406

2,793

0,82

Měřicí rozsah ± 10 V, U0pp = 12 V f [kHz]

Urefpp

U2pp

U2pp/Urefpp

[mV]

[mV]

[]

1,0

12,00

12,07

1,01

3,3

12,00

12,12

1,01

10,0

12,00

12,21

1,02

33,0

12,00

12,27

1,02

100,0

12,19

12,28

1,01

330,0

12,25

12,26

1,00

1000,0

12,25

12,18

0,99

1500,0

12,19

12,06

0,99

2200,0

12,00

11,78

0,98

3300,0

11,69

11,24

0,96

4700,0

11,25

10,47

0,93

6800,0

10,31

9,39

0,91

10000,0

8,81

7,75

0,88

15000,0

6,69

5,68

0,85

A []

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

1,05

Rozsah ± 100 mV

1,0

Rozsah ± 200 mV

10,0

Rozsah ± 500 mV

Rozsah ± 1 V

f [kHz]

100,0

Rozsah ± 2 V

Rozsah ± 5 V

1000,0

Frekvenční charakteristiky všech měřicích rozsahů

Rozsah ± 10 V

Pokles o 3 dB

10000,0


52


4.1.4

Zhodnocen´ı

Po vynesen´ı vˇsech namˇeˇren´ ych frekvenˇcn´ıch charakteristik do grafu vid´ıme, ˇze jednotlivé charakteristiky jsou si navzájem velmi podobné. Z ˇrady vyboˇcuje pouze charakteristika pro nejmenˇs´ı vstupn´ı rozsah ± 100 mV. ´ Utlum mˇeˇreného signálu z˚ ustává minimáln´ı do frekvence 1 MHz. Pro rozsahy vyˇsˇs´ı ± 100 mV se relativn´ı chyba mˇeˇreného napˇet´ı pohybuje do δU = 3 %. V pˇr´ıpadˇe vertikálnˇe posunuté frekvenˇcn´ı charakteristiky rozsahu ± 100 mV pak δU = 7 %. Zlom frekvenˇcn´ıch charakteristik lze pozorovat v okol´ı kmitoˇctu 3 MHz. Pokles na 90 % správné hodnoty mˇeˇreného napˇet´ı nastává, v závislosti na mˇeˇric´ım rozsahu, v rozmez´ı od 4,7 MHz do 10 MHz. Maximáln´ı kmitoˇcet v´ ystupn´ıho napˇet´ı pouˇzitého generátoru byl 15 MHz. Z tohoto d˚ uvodu se bohuˇzel nepodaˇrilo zachytit pokles mˇeˇreného signálu o 3 dB au ´tlum kmitoˇct˚ u vyˇsˇs´ıch poloviny vzorkovac´ı frekvence A/D pˇrevodn´ıku.

53


4.2

Linearita zesilovaˇ ce s voliteln´ ym zes´ılen´ım

C´ılem tohoto mˇeˇren´ı je ovˇeˇrit linearitu zesilovaˇce s voliteln´ ym zes´ılen´ım.

4.2.1

Sch´ ema zapojen´ı

Obrázek 4.2: Zapojen´ı pracoviˇstˇe pro mˇeˇren´ı linearity zesilovaˇce R = 10 Ω ± 0, 1% pro mˇeˇric´ı rozsahy ±100 mV aˇz ±500 mV R = 100 Ω ± 0, 1% pro mˇeˇric´ı rozsahy ±1 V aˇz ±10 V

4.2.2


Pˇred mˇeˇren´ım kaˇzdého z rozsah˚ u byla provedena ruˇcn´ı kalibrace napˇet’ového offsetu a zes´ılen´ı zkonstruovaného digitáln´ıho pamˇet’ového osciloskopu. V´ ystupn´ı napˇet´ı laboratorn´ıho zdroje bylo kalibrováno dle testovaného osciloskopu, a to z d˚ uvodu potlaˇcen´ı vlivu nepˇresnosti referenˇcn´ıch napˇet´ı. Pˇresnost referenˇcn´ıch napˇet´ı bude pˇredmˇetem dalˇs´ıho mˇeˇren´ı. Stˇredn´ı hodnota mˇeˇreného signálu byla pozorována za pomoci obsluˇzného programu pro osobn´ı poˇc´ıtaˇc. Tento zobrazuje aritmetick´ y pr˚ umˇer 3335 namˇeˇren´ ych vzork˚ u. V pˇr´ıpadˇe kol´ısán´ı zobrazované hodnoty byla zapsána hodnota zobrazovaná nejˇcastˇeji.

54


4.2.3

55


Měřicí rozsah ± 100 mV

(vstupní signál 10x zesílen)

Kalibrace offsetu: 2042 Kalibrace amplitudy: 1576 US

UN

K

δU

Korekční křivka pro měřicí rozsah ±100 mV

[mV]

[mV]

[mV]

[%]

0,3

100,0

99,9

0,1

0,05

80,0

80,0

0,0

0,00

60,0

60,3

0,3

0,15

40,0

39,9

0,1

0,05

20,0

20,1

0,1

0,05

0,0

0,1

0,1

0,05

20,0

19,8

0,2

0,10

40,0

39,9

0,1

0,05

60,0

60,1

0,1

0,05

80,0

80,2

0,2

0,10

100,0 99,9 |σUnmax| [%]

0,1

0,05

0,2

K [mV]

0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 100 80

60

40

0,15


20

0

20

40

60

80

100

Us [mV]


Kalibrace offsetu: 2040 Kalibrace amplitudy: 1339 UN

K

δU


[mV]

[mV]

[mV]

[%]

0,5

200,0

199,9

0,1

0,03

0,4

160,0

160,5

0,5

0,13

0,3

120,0

120,4

0,4

0,10

0,2

80,0

80,4

0,4

0,10

0,1

40,0

40,2

0,2

0,05

0,0

0,2

0,2

0,05

40,0

39,7

0,3

0,08

0,2

80,0

79,9

0,1

0,03

0,3

120,0

119,9

0,1

0,03

0,4

160,0

160,2

0,2

0,05

0,5

200,0 199,9 |σUnmax| [%]

0,1

0,03 0,13

K [mV]

US

0,0 0,1

200 160 120 80

40

0

Us [mV]

40

80

120 160 200



56


Kalibrace offsetu: 2040 Kalibrace amplitudy: 1266 UN

K

δU


[mV]

[mV]

[mV]

[%]

1,0

500,0

499,8

0,2

0,02

0,8

400,0

400,9

0,9

0,09

0,6

300,0

300,8

0,8

0,08

0,4

200,0

200,4

0,4

0,04

0,2

100,0

100,3

0,3

0,03

0,0

0,2

0,2

0,02

100,0

99,6

0,4

0,04

0,4

200,0

199,7

0,3

0,03

0,6

300,0

300,0

0,0

0,00

0,8

400,0

400,4

0,4

0,04

1,0

500,0 499,8 |σUnmax| [%]

0,2

0,02

K [mV]

US

0,0 0,2

500 400 300 200 100

0,09

0

100 200 300 400 500

Us [mV]

Měřicí rozsah ± 1 V Kalibrace offsetu: 2038 Kalibrace amplitudy: 1433 UN

K

δU

[mV]

[mV]

[mV]

[%]

1000,0

999,5

0,5

0,03

800,0

797,4

2,6

0,13

600,0

597,2

2,8

0,14

400,0

397,9

2,1

0,11

200,0

197,8

2,2

0,11

0,0

0,5

0,5

0,03

200,0

200,7

0,7

0,04

400,0

400,4

0,4

0,02

600,0

600,6

0,6

0,03

800,0

799,8

0,2

0,01

1000,0 999,5 |σUnmax| [%]

0,5

0,03 0,14

Korekční křivka pro měřicí rozsah ±1 V 3,0 2,0 1,0

K [mV]

US

0,0 1,0 2,0 3,0 1000 800 600 400 200

0

Us [mV]

200 400 600 800 1000


Měřicí rozsah ± 2 V

57

(vstupní signál 10x zeslaben a 5x zesílen)

Kalibrace offsetu: 2040 Kalibrace amplitudy: 1267

Korekční křivka pro měřicí rozsah ±2 V

US

UN

K

δU

[V]

[V]

[V]

[%]

2,000

1,999

0,001

0,03

1,600

1,603

0,003

0,08

1,200

1,203

0,003

0,08

0,800

0,802

0,002

0,05

0,001

0,400

0,401

0,001

0,03

0,000

0,000

0,002

0,002

0,05

0,400

0,398

0,002

0,05

0,800

0,800

0,000

0,00

1,200

1,200

0,000

0,00

1,600

1,601

0,001

0,03

2,000 1,999 |σUnmax| [%]

0,001

0,03

0,004 0,003

K [V]

0,002

0,001 0,002 0,003 0,004 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0,0 0,4

1,6

2,0

4

5

Us [mV]

0,08


0,8 1,2

(vstupní signál 10x zeslaben a 2x zesílen)


UN

K

δU [%]


[V]

[V]

[V]

5,000

4,995

0,005

0,05

0,004

4,000

4,004

0,004

0,04

0,003

3,000

3,003

0,003

0,03

0,002

2,000

2,002

0,002

0,02

0,001

1,000

1,001

0,001

0,01

0,000

0,000

0,002

0,002

0,02

1,000

0,999

0,001

0,01

0,002

2,000

2,000

0,000

0,00

0,003

3,000

3,000

0,000

0,00

0,004

4,000

4,001

0,001

0,01

0,005

5,000 4,998 |σUnmax| [%]

0,002

0,02 0,05

K [V]

0,005

0,001

5

4

3

2

1

0

Us [mV]

1

2

3



58

(vstupní signál 10x zeslaben)


UN

K

δU [%]


[V]

[V]

[V]

10,000

9,976

0,024

0,12

0,015

8,000

7,979

0,021

0,11

0,010

6,000

5,982

0,018

0,09

0,005

4,000

3,984

0,016

0,08

0,000

2,000

1,987

0,013

0,07

0,005

0,000

0,000

0,000

0,00

2,000

2,002

0,002

0,01

0,015

4,000

3,999

0,001

0,01

0,020

6,000

6,001

0,001

0,01

0,025

8,000

7,998

0,002

0,01

0,030

10,000 9,990 |σUnmax| [%]

0,010

0,05 0,12

K [V]

0,020

0,010

10

8

6

4

2

0

Us [mV]

2

4

6

8

10


4.2.4

Pˇ r´ıklad v´ ypoˇ ctu

Korekce pro mˇeˇric´ı rozsah ±100 mV a vstupn´ı napˇet´ı US = 80 mV K = US − UN K = 80 · 10−3 − 80, 2 · 10−3 K = −0, 2 mV Relativn´ı chyba mˇeˇren´ı δU δU =

UN − US UF S

δU =

80, 2 · 10−3 − 80 · 10−3 · 100 200 · 10−3

δU = 0, 1 %

4.2.5

Zhodnocen´ı

Nejvˇetˇs´ı relativn´ı chyba mˇeˇren´ı δU = 0,15 % nastala pˇri ovˇeˇrován´ı mˇeˇric´ıch rozsah˚ u ±100 mV a ±1 V, druhá nejvˇetˇs´ı δU = 0,14 % vznikla na mˇeˇric´ım rozsahu ±10 V. Pˇri mˇeˇren´ı na nejmenˇs´ım rozsahu ±100 mV lze vzniklou chybu, mimo nelinearity zesilovaˇce, pˇriˇc´ıtat kol´ısán´ı mˇeˇrené hodnoty napˇet´ı vlivem ˇsumu. Pˇri mˇeˇren´ı na rozsaz´ıch ±1 V a ±10 V jsou oba operaˇcn´ı zesilovaˇce vyˇrazeny, resp. pˇremostˇeny analogov´ ymi pˇrep´ınaˇci. Lze proto usuzovat, ˇze nejvˇetˇs´ı chybu do mˇeˇren´ı vnáˇs´ı právˇe analogové pˇrep´ınaˇce. Z tvaru korekˇcn´ıch kˇrivek je patrné, ˇze analogové pˇrep´ınaˇce vykazuj´ı pˇri záporném vstupn´ım napˇet´ı urˇcit´ yu ´tlum. U dvojic mˇeˇric´ıch rozsah˚ u se stejn´ ym zes´ılen´ım mˇeˇreného signálu lze pozorovat vzájemnou podobnost korekˇcn´ıch kˇrivek. Rozd´ıln´ y tvar jednotliv´ ych dvojic naznaˇcuje, ˇze vlastn´ı A/D pˇrevodn´ık do mˇeˇren´ı v´ yznamnou nelinearitu nevnáˇs´ı.

59


4.3

ˇ Sum

C´ılem tohoto mˇeˇren´ı bylo urˇcit odstup signálu od ˇsumu na vˇsech mˇeˇric´ıch rozsaz´ıch.

4.3.1


Vˇsechna mˇeˇren´ı jsou provedena s referenˇcn´ım napˇet´ım 0 V na vstupu osciloskopu. Pˇred zapoˇcet´ım kaˇzdého z mˇeˇren´ı byla provedena korekce offsetu. Poté byla po dobu 1 minuty pozorována hodnota napˇet´ı ˇspiˇcka-ˇspiˇcka mˇeˇreného signálu. Nejvyˇsˇs´ı z namˇeˇren´ ych hodnot byla zapsána a pouˇzita pro v´ ypoˇcet odstupu signálu od ˇsumu SNR.

4.3.2

4.3.3

Namˇ eˇ ren´ e hodnoty Mˇeˇric´ı rozsah

ˇ Sum digit. signálu

Odstup signál-ˇsum

UF S [V]

epp [mV] eppLSB [-]

SNR [dB]

0,2

2,2

45

39,2

0,4

2,8

29

43,1

1,0

5,9

24

44,6

2,0

10,3

21

45,8

4,0

25,0

26

44,1

10,0

42,0

17

47,5

20,0

63,0

13

50,0

Pˇ r´ıklad v´ ypoˇ ctu

ˇ Sum digitalizovaného signálu v poˇctu nejniˇzˇs´ıch bit˚ u pro mˇeˇric´ı rozsah ±200mV, tzn. UF S = 0,4 V.

60


eppLSB = eppLSB

epp epp = ULSB UF S / 2N

2, 8 · 10−3 = 0, 4 / 212

eppLSB = 29 Odstup signálu od ˇsumu SNR v dB: UF S SNR = 20 · log epp

!

0, 4 SNR = 20 · log 2, 8 · 10−3

!

SNR = 43, 1 dB

4.3.4

Zhodnocen´ı

Toto mˇeˇren´ı ukázalo, ˇze v´ yznamn´ ym zdrojem ruˇsen´ı je digitáln´ı ˇca´st návrhu. Lze pozorovat kol´ısán´ı amplitudy ˇsumu v závislosti na vertikáln´ım posunu mˇeˇreného signálu, a to pˇredevˇs´ım u citlivˇejˇs´ıch rozsah˚ u. Amplituda ˇsumu je zpravidla nejvyˇsˇs´ı po korekci offsetu, tedy posunu mˇeˇreného signálu na u ´roveˇ n 0 V. Tento jev se vysvˇetluje poté, co si uvˇedom´ıme, jak´ ym zp˚ usobem se mˇen´ı v´ ystupn´ı logické u ´rovnˇe A/D pˇrevodn´ıku. V´ ystup pˇrevodn´ıku je v dvojkovém doplˇ nku, tzn. ˇze ˇc´ıslu 0 odpov´ıdá 12 logick´ ych nul, zat´ımco ˇc´ıslo -1 je reprezentováno 12 logick´ ymi jedniˇckami. Jak vstupn´ı analogov´ y signál nepatrnˇe kol´ısá kolem nuly, zp˚ usobuje na v´ ystupu A/D pˇrevodn´ıku v´ yrazné zmˇeny logick´ ych u ´rovn´ı. Dle v´ ypoˇct˚ u proveden´ ych v ˇcásti zab´ yvaj´ıc´ı se návrhem digitáln´ıho osciloskopu vytváˇr´ı u citlivˇejˇs´ıch rozsah˚ u v´ yznamnou ˇca´st ˇsumu samotné operaˇcn´ı zesilovaˇce. U mˇeˇric´ıho rozsahu ±100 mV byl vypoˇcten pˇr´ıspˇevek ˇsumu operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u 1,293 mV, coˇz ˇcin´ı témˇeˇr 58 % namˇeˇrené hodnoty epp = 2,2 mV. Se zvyˇsuj´ıc´ım se mˇeˇric´ım rozsahem procentuáln´ı pod´ıl ˇsumu vytvoˇreného operaˇcn´ımi zesilovaˇci klesá.

61


Dalˇs´ımi potenciáln´ımi zdroji ˇsumu mohou b´ yt nedostatky v návrhu ploˇsného spoje – zemn´ı smyˇcky a kapacitn´ı vazby mezi signály. Dále zvlnˇen´ı napájec´ıho napˇet´ı, ˇsum rezistor˚ u a v neposledn´ı ˇradˇe elektromagnetické pole okoln´ıch elektronick´ ych pˇr´ıstroj˚ u a vys´ılaˇc˚ u. V pˇr´ıpadˇe vˇetˇs´ıch mˇeˇric´ıch rozsah˚ u je potˇreba poˇc´ıtat i s kvantizaˇcn´ım ˇsumem A/D pˇrevodn´ıku.

62


4.4

Referenˇ cn´ı napˇ et´ı

C´ılem této ˇca´sti mˇeˇren´ı bylo urˇcit pˇresnost referenˇcn´ıch napˇet´ı Uref 0 = 0 V, Uref 1 = 66, ¯6 mV, Uref 2 = 733, ¯3 mV a Uref 3 = 3 V.

4.4.1


Za pomoci digitáln´ıho multimetru HP 34401A byla zmˇeˇrena napˇet´ı na odboˇckách dˇeliˇce R34-R30-R28 referenˇcn´ıho napˇet´ı, na v´ ystupech sledovaˇc˚ u OZ5A a OZ5B a napˇet´ı na v´ ystupu analogového multiplexoru, resp. napˇet´ı na vstupn´ım dˇeliˇci R15-R9-R2-R27 osciloskopu. Pˇred mˇeˇren´ım byla, dle digitáln´ıho multimetru HP 34401A, provedena kalibrace napˇet’ové reference IC4 na 3,0002 V.

4.4.2


Napˇet´ı na odboˇckách dˇeliˇce referenˇcn´ıho napˇet´ı UD1 = 66,78 mV UD2 = 733,37 mV Relativn´ı chyba δU D1 δU D1 =

UD1 − Uref 1 · 100 Uref 1

δU D1 =

66, 78 · 10−3 − 66, ¯6 · 10−3 · 100 66, ¯6 · 10−3

δU D1 = 0, 17 % Obdobnˇe pro δU D2 z´ıskáváme δU D2 = 0, 005 % Napˇet´ı na v´ ystupech sledovaˇc˚ u UOZ5B a UOZ5A UOZ5B = 66,98 mV UOZ5A = 733,73 mV

63


Relativn´ı chyby napˇet´ı na v´ ystupech sledovaˇc˚ u δUOZ5B = 0,5 % δUOZ5A = 0,06 % Napˇet´ı na vstupn´ım dˇeliˇci osciloskopu U0 = 0,4 mV U1 = 66,84 mV U2 = 733,53 mV U3 = 3000,1 mV Relativn´ı chyby napˇet´ı na vstupn´ım dˇeliˇci osciloskopu δU1 = 0,3 % δU2 = 0,03 % δU3 = 0,004 %

4.4.3

Zhodnocen´ı

V´ ysledky mˇeˇren´ı poukazuj´ı na nepˇresnost referenˇcn´ıho napˇet´ı Uref 1 = 66, ¯6. Vyˇsˇs´ı relativn´ı chyba δU D1 = 0,17 % byla zjiˇstˇena jiˇz na dˇeliˇci referenˇcn´ıho napˇet´ı 3 V. Na vstupn´ım dˇeliˇci osciloskopu pak chyba referenˇcn´ıho napˇet´ı Uref 1 dosáhla δU1 = 0,3 %. Chyby referenˇcn´ıch napˇet´ı Uref 2 a Uref 3 jsou ˇrádovˇe niˇzˇs´ı, δU2 = 0,03 % a δU3 = 0,004 %. Po pˇripojen´ı referenˇcn´ıho napˇet´ı 0 V z˚ ustává na vstupn´ım dˇeliˇci osciloskopu zbytkové napˇet´ı 0,4 mV. Nenulové v´ ystupn´ı napˇet´ı analogového multiplexoru m˚ uˇze b´ yt zp˚ usobeno svodov´ ymi proudy mezi kanály multiplexoru. Vzhledem k velikosti mˇeˇren´ ych napˇet´ı nelze vylouˇcit, ˇze v´ ysledky jsou do urˇcité m´ıry zkresleny nepˇresnost´ı pouˇzitého digitáln´ıho multimetru.

64


5

´ ER ˇ ZAV

V rámci této bakaláˇrské práce byla provedena realizace navrˇzeného digitáln´ıho pamˇet’ového osciloskopu, vytvoˇren obsluˇzn´ y software a ovˇeˇreny reálnˇe dosaˇzené parametry pˇr´ıstroje. Sv´ ymi parametry zkonstruovan´ y digitáln´ı pamˇet’ov´ y osciloskop splˇ nuje poˇzadavky zadán´ı. Analogov´ y modul má vstupn´ı impedanci 1 MΩ paralelnˇe s kapacitou pohybuj´ıc´ı se okolo 20 pF aˇz 30 pF. Vstupn´ı napˇet’ové rozsahy jsou pˇrep´ınatelné od ±100 mV do ±10 V v kroc´ıch 1-2-5. Digitalizaci signálu zajiˇst’uje A/D pˇrevodn´ık s rychlost´ı vzorkován´ı 80 MS/s pˇri 12-bitovém rozliˇsen´ı. Pro sbˇer dat a jejich anal´ yzu v reálném ˇcase je pˇr´ıstroj vybaven hradlov´ ym polem Xilinx ˇrady Spartan 3. Pro jejich uloˇzen´ı nab´ız´ı synchronn´ı statickou RAM velikosti 4 Mbity. Analogová ˇca´st je pˇripravena k automatické korekci napˇet’ového offsetu a mˇeˇric´ıch rozsah˚ u. Odstup signál-ˇsum se pohybuje od 39,2 dB pro mˇeˇric´ı rozsah ±100 mV do 50 dB pro mˇeˇric´ı rozsah ±10 V. Ukázalo se, ˇze v´ yznamn´ ym zdrojem ruˇsen´ı je digitáln´ı ˇcást návrhu. Lze pozorovat závislosti amplitudy ˇsumu na vertikáln´ım posunu mˇeˇreného signálu, resp. ˇcetnosti zmˇen logick´ ych u ´rovn´ı na v´ ystupu A/D pˇrevodn´ıku. ˇıˇrku pásma pro pokles o 3 dB se za pomoci pouˇzitého generátoru funkc´ı, S´ s maximáln´ım kmitoˇctem v´ ystupn´ıho harmonického signálu 15 MHz, ovˇeˇrit nepodaˇrilo. Pokles o 10 % se, dle zvoleného mˇeˇric´ıho rozsahu, pohybuje od 4,7 MHz do 10 MHz. Do frekvence 1 MHz z˚ ustává u ´tlum mˇeˇreného signálu minimáln´ı. Pro mˇeˇric´ı rozsahy vyˇsˇs´ı ±100 mV se relativn´ı chyba mˇeˇreného napˇet´ı pohybovala do δU = 3 %, pro mˇeˇric´ı rozsah ±100 mV δU = 7 %. Po proveden´ı korekce offsetu a kalibraci amplitudy kaˇzdého z rozsah˚ u zvláˇst’ lze oˇcekávat m´ırné zlepˇsen´ı v´ ysledk˚ u. Nejvyˇsˇs´ı chyba nelinearity δU = 0,15 % vstupn´ı analogové ˇcásti vzniká na rozsaz´ıch ±100 mV a ±1 V. Je moˇzno pozorovat, ˇze analogové pˇrep´ınaˇce zp˚ usobuj´ı vyˇsˇs´ı nelinearitu neˇz stupnˇe s operaˇcn´ımi zesilovaˇci.

65


Nejvyˇsˇs´ı relativn´ı chyba referenˇcn´ıho napˇet´ı na vstupn´ım napˇet’ovém dˇeliˇci δU ref 1 = 0,3 % se vyskytla u referenˇcn´ıho napˇet´ı Uref 1 = 66, ¯6 mV. Zbytkové napˇet´ı po pˇripojen´ı napˇet’ové reference 0 V bylo U0 = 0, 4 mV. Navrˇzen´ y digitáln´ı pamˇet’ov´ y osciloskop ke své ˇcinnosti vyˇzaduje osobn´ı poˇc´ıtaˇc, ke kterému se pˇripojuje prostˇrednictv´ım sbˇernice USB. Vytvoˇren´ y obsluˇzn´ y software pro PC zastupuje funkci displeje a ovládac´ıch prvk˚ u osciloskopu. Umoˇzn ˇuje zobrazit pr˚ ubˇeh mˇeˇreného signálu a vyhodnotit jeho maximáln´ı, minimáln´ı, ˇspiˇckovou a stˇredn´ı hodnotu napˇet´ı. Mˇeˇrit napˇet´ı lze také pomoc´ı kurzor˚ u. Program umoˇzn ˇuje volbu vstupn´ıho napˇet’ového rozsahu, nastaven´ı ˇcasové základny a triggeru. Dále lze provést vertikáln´ı posun mˇeˇreného signálu, korekci jeho amplitudy a volitelnˇe na vstup osciloskopu pˇripojit referenˇcn´ı napˇet´ı. Od pˇr´ıstroje pouˇzitelného pro praktické mˇeˇren´ı nás dˇel´ı pˇredevˇs´ım absence vyspˇelého obsluˇzného softwarového vybaven´ı. Toto se v bl´ızké budoucnosti stane hlavn´ım pˇredmˇetem dalˇs´ıho v´ yvoje. Po odladˇen´ı vˇsech drobn´ ych nedostatk˚ u bude konstrukce publikována pod svobodnou licenc´ı.

66


REFERENCE ˇ s´ıme elektronické obvody. 1. vydán´ı, Praha, BEN, 2004. 520 [1] BIOLEK D. Reˇ s. 80-7300-125-X. [2] DIETMEIER, U. Vzorce pro elektroniku. 1. ˇceské vydán´ı, Praha, BEN, 1999. 256 s. ISBN 80-86056-53-8 [3] HAVLÍK, L. Osciloskopy a jejich pouˇzit´ı. 1. vydán´ı, Praha, Sdˇelovac´ı technika 2002, 254 s. ISBN 80-901936-8-4 ´ ÍCEK, ˇ [4] LAN R. Elektronika - obvody, souˇcástky, dˇeje. 1. vydán´ı, Praha, BEN, 1998. 480 s. ISBN 80-86056-25-2. ˇ ıslicové systémy a jazyk VHDL. 1. vydán´ı, Praha, [5] PINKER, J., POUPA M. C´ BEN, 2006. 352 s. ISBN 80-7300-198-5 ˇ ´ R, ˇ J. Operaˇcn´ı zesilovaˇce v elektronice. 5. vydán´ı, Praha, BEN, [6] PUNCOCH A 2002. 496 s. ISBN 80-7300-059-8.

Firemn´ı dokumentace • Xilinx Spartan 3 http://www.xilinx.com/support/documentation/spartan-3.htm • Atmel AT91SAM 32-bit ARM-based Microcontrollers http://www.atmel.com/products/AT91/ • Atmel AT91 USB Framework http://www.atmel.com/dyn/resources/prod documents/doc6263.pdf • USB CDC Driver Implementation http://www.atmel.com/dyn/resources/prod documents/doc6269.pdf • Analog Devices Instrumentation Solutions Digital Storage Oscilloscope http://www.analog.com/en/app/0,3174,1000%255F1122,00.html

67


68

• Analog Devices Training & Tutorials Analog to Digital Converters http://www.analog.com/en/DCcList/0,3090,760%255F%255F65,00.html

Katalogov´ e listy souˇ c´ astek Xilinx • Spartan-3 FPGA Family Data Sheet, verze 2.3, 11/30/2007 http://www.xilinx.com/support/documentation/data sheets/ds099.pdf

Atmel • AT91SAM7X Series Preliminary, revision G, 10/07 http://www.atmel.com/dyn/resources/prod documents/doc6120.pdf • AT91SAM7S Series Preliminary, revision H, 11/07 http://www.atmel.com/dyn/resources/prod documents/doc6175.pdf • ATmega16(L), revision P, 08/07 http://www.atmel.com/dyn/resources/prod documents/doc2466.pdf

Analog Devices • AD9236 12-Bit, 80 MSPS, 3 V A/D Converter, Rev. B, 01/2006 http://www.analog.com/UploadedFiles/Data Sheets/AD9236.pdf • AD8065 High Performance, 145 MHz FastFETTM Op Amp, Rev. G, 01/2006 http://www.analog.com/UploadedFiles/Data Sheets/AD8065 8066.pdf • AD8021 Low Noise, High Speed Amplifier for 16-Bit Systems, Rev. F, 05/2006 http://www.analog.com/UploadedFiles/Data Sheets/AD8021.pdf


69

• AD8057 Low Cost, Single, High Performance Voltage Feedback, 325 MHz Amplifier, Rev B, 08/2003 http://www.analog.com/UploadedFiles/Data Sheets/AD8057 8058.pdf • AD8139 Low Noise, Rail-to-Rail, Differential ADC Driver, Rev B, 10/2007 http://www.analog.com/UploadedFiles/Data Sheets/AD8139.pdf • ADR443 Ultralow Noise, LDO XFET Voltage Reference with Current Sink and Source, Rev B, 08/2007 http://www.analog.com/UploadedFiles/Data Sheets/ ADR440 441 443 444 445.pdf R R • AD5627 Dual, 12-Bit nanoDAC with I2C Interface, Rev 0,

01/2007 http://www.analog.com/UploadedFiles/Data Sheets/ AD5627R 5647R 5667R 5627 5667.pdf • OP2177 Precision Low Noise, Low Input Bias Current Operational Amplifier (Dual), Rev E, 11/2007 http://www.analog.com/UploadedFiles/Data Sheets/OP1177 2177 4177.pdf • AD8629 Zero Drift, Single-Supply, Rail-to-Rail, Input/Output Operational Amplifier, Rev E, 05/2005 http://www.analog.com/UploadedFiles/Data Sheets/AD8628 8629 8630.pdf • ADG619 CMOS, ±5 V/+5 V, 4 Ω, Single SPDT Switch (Break-BeforeMake Switching Action), Rev C, 03/2007 http://www.analog.com/UploadedFiles/Data Sheets/ADG619 620.pdf • ADG704 CMOS, Low Voltage 2.5 Ω 4-Channel Multiplexer, Rev A, 06/1999 http://www.analog.com/UploadedFiles/Data Sheets/ADG704.pdf • ADuM1400 Quad-Channel Digital Isolator, Rev. F, 11/2007 http://www.analog.com/UploadedFiles/Data Sheets/


70

ADUM1400 1401 1402.pdf

Cypress • CY7C1351G 4-Mbit (128K x 36) Flow-through SRAM with NoBL(TM) Architecture http://download.cypress.com.edgesuite.net/design resources/datasheets/ contents/cy7c1351g 8.pdf

Texas Instruments • TPS54352/6 : 4.5-V to 20-V Input, 3-A Output Synchronous PWM Switcher, Rev. A http://www.ti.com/lit/gpn/tps54356 • TPS77625 Fast-Transient Response 500mA LDO Voltage Regulators w/RESET Output & PG Output, Rev. I http://www.ti.com/lit/gpn/tps77625

Linear Technologies • LT1373 250kHz Low Supply Current High Efficiency 1.5A Switching Regulator http://www.linear.com/pc/downloadDocument.do?navId= H0,C1,C1003,C1042,C1031,C1061,P1089,D2194

Omron • G6Z High-Frequency Relay http://downloadcentre.omron-industrial.com/dlc3/files/OCB/Products/ Relays/High%20Frequency%20Relays/G6Z/K124/K124-E2-02A-X.pdf


71

Konstrukce • Glaser J., Digital Sampling Oscilloscope http://www.johann-glaser.at/projects/DSO/ • Gustavsson E., area26 PC-based DSO http://old.area26.no-ip.org/?section=hard&project=scope • Tomicek P., USB Digitáln´ı pamˇet’ov´ y osciloskop – PICScope 6MHz http://sweb.cz/petr.tomicek/index.htm • Bitscope PC Oscilloscopes and Analyzers http://www.bitscope.com • Monnom O., Soudez! Digital oscilloscope (DSO) http://www.soudez.be/joomla/index.php?option=com content &task=view&id=12&Itemid=27 • Large Storage Depth Oscilloscope http://www.chocbar.demon.co.uk • Electronic Constructions, PC oscilloscope http://www.volny.cz/elecon/pcoscilloscope/pcoscilloscope.html

Pouˇ zit´ y software SW pouˇ zit´ y pˇ ri n´ avrhu hardware • Texas Instruments, SWIFT Designer Software Tool http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/swift-sw.html • Analog

Devices,

Amplifier

Parametric

Evaluation

ADIsimOpAmpTM http://designtools.analog.com/dtAPETWeb/dtAPETMain.aspx • Linear Technology, FilterCADTM 3.0 http://www.linear.com/designtools/software/filtercad.jsp

Tool


• Spectrum Software, Micro-Cap 9 SPICE circuit simulator http://www.spectrum-soft.com/index.shtm

SW pouˇ zit´ y pˇ ri v´ yvoji firmware • Xilinx, ISE WebPACK 9.2i for Linux http://www.xilinx.com/support/download/index.htm • AT91SAM7S-EK a AT91SAM7X-EK Software Package 1.4 http://www.atmel.com/dyn/products/tools card.asp?tool id=4343 • CodeSourcery G++ Lite Edition 2007q3 http://www.codesourcery.com/gnu toolchains/arm • Open On-Chip Debugger 1.0 http://openocd.berlios.de/web/ • GNU gcc-avr 4.2.1 http://gcc.gnu.org/ • AVR Libc 1.4.5 http://www.nongnu.org/avr-libc/ • AVR Downloader/UploaDEr 5.4 http://savannah.nongnu.org/projects/avrdude

SW pouˇ zit´ y pˇ ri v´ yvoji obsluˇ zn´ eho programu pro PC • Qt Cross-Platform Application Framework 4.3.2 http://trolltech.com/products/qt/ • QextSerialPort 1.1, Cross-platform serial port class http://qextserialport.sourceforge.net/ • GNU g++ (GCC) 4.1.3 http://gcc.gnu.org/

72


73

V´ yvojov´ e n´ astroje • Programovac´ı adaptér USBprog 3.0 http://www.embedded-projects.net/index.php?page id=165 • Konvertor logick´ ych u ´rovn´ı 5 V / 3.3 V http://shop.embedded-projects.net/product info.php?info=p11 Levelshifter5-0-V-to-3-3-V-for-USBprog–1-1-and-ARM-JTAG-.html


74

ˇ ÍLOH SEZNAM PR A Sch´ emata zapojen´ı

76

A.1 Základn´ı deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

A.2 Deska dvoukanálového osciloskopu . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

A.3 Analogov´ y submodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

A.4 USB modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79

B Osazovac´ı pl´ anky

80

B.1 Základn´ı deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80


80

B.1.2 Strana spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81

B.2 Deska dvoukanálového osciloskopu . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82


82

B.2.2 Strana spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

B.3 Analogov´ y submodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

84


84

B.3.2 Strana spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

B.4 USB modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86


86

B.4.2 Strana spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

C V´ ykresy ploˇ sn´ ych spoj˚ u

88

C.1 Základn´ı deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88


88

C.1.2 Strana spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89

C.2 Deska dvoukanálového osciloskopu . . . . . . . . . . . . . . . . . .

90


90

C.2.2 Strana spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91

C.3 Analogov´ y submodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91


75


91

C.3.2 Strana spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92

C.4 USB modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92


92

C.4.2 Strana spoj˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92

D Seznamy souˇ c´ astek

93

D.1 Základn´ı deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

93

D.2 Analogov´ y submodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

95

D.3 Deska dvoukanálového osciloskopu . . . . . . . . . . . . . . . . . .

97

D.4 USB modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

99


A A.1

´ SCHEMATA ZAPOJENÍ Z´ akladn´ı deska

76


A.2


77


A.3


78


A.4

USB modul

79


B

´ OSAZOVACÍ PLANKY

B.1


B.1.1

Strana souˇ c´ astek

80


B.1.2

Strana spoj˚ u

81


B.2 B.2.1

Deska dvoukan´ alov´ eho osciloskopu Strana souˇ c´ astek

82


B.2.2

Strana spoj˚ u

83


B.3 B.3.1

Analogov´ y submodul Strana souˇ c´ astek

84


B.3.2

Strana spoj˚ u

85


B.4 B.4.1

USB modul Strana souˇ c´ astek

86


B.4.2

Strana spoj˚ u

87


C

´ ˇ YCH ´ ˚ VYKRESY PLOSN SPOJU

C.1


C.1.1


88


C.1.2

Strana spoj˚ u

89


C.2 C.2.1

Deska dvoukan´ alov´ eho osciloskopu Strana souˇ c´ astek

90


C.2.2

C.3 C.3.1

Strana spoj˚ u

Analogov´ y submodul Strana souˇ c´ astek

91


C.3.2

Strana spoj˚ u

C.4

USB modul

C.4.1


C.4.2

Strana spoj˚ u

92


D

ˇ ASTEK ´ SEZNAMY SOUC

D.1


Oznaˇcen´ı

Ks

Hodnota

Pouzdro

Poznámka X5R

C1, C2

2 22u

SMD 1210

C13, C14

2 1n5

SMD 0603

C16, C20, C68, C69, C73,

6 47u

SMD vel. B

Tantal 6,3 V

6 47u

SMD vel. C

Tantal 6,3 V

36 68n

SMD 0603

C23

1 47p

SMD 0603

C24

1 100p

SMD 0603

C25, C26

2 10p

SMD 0603

C27, C31, C32, C33, C34,

8 47u

SMD vel. C

Tantal 16 V

C3, C4

2 100u

SMD vel. D

Tantal 16 V

C30

1 10u

SMD 0805

X5R

C5, C6, C15

3 100n

SMD 0603

C7, C8

2 1u

SMD 0603

C77

1 100u

SMD vel. D

Tantal 16 V

C9, C10, C11, C12

4 100u

SMD vel. D

Polymer Al, 6,3 V

D2

1 SMBJ15

SMB

D3

1 SK54C

SMC

D4

1

SMD 1206

F5

1 4A

TR5

C28 C17, C19, C37, C38, C39, C67 C18, C21, C22, C29, C40–C45,

C47–C66,

C70–C72, C74–C76

C35, C36, C46

Zelená LED

93


Oznaˇcen´ı

Ks

Hodnota

Pouzdro

Poznámka

IC1

1 CY7C1351G

TQFP 100

IC2

1 TPS54356

HTSSOP 16

IC3

1 TPS54352

HTSSOP 16

IC4

1 XC3S200

PQ 208

IC5

1 AT91SAM7X

LQFP 100

IC6

1 TPS77625

SOIC 8

L4, L5

2 15u

SRU1048

Q1

1 12Mhz

HC49S

R1, R5, R10, R12, R13,

6 10k

SMD 0603

R11

1 150R

SMD 0603

R15

1 470R

SMD 0603

R16

1 56R

SMD 0603

R2

1 100k

SMD 0603

R3, R4

2 4R7

SMD 0603

R6, R7

2 56R

0207

R8

1 4k7

SMD 0603

R9

1 330R

SMD 0603

T1, T2

2 IRF7811

SOIC 8

X1, X2, X3

3

53047-10

X5

1

AK500/2

X6, X7, X8

3 16 pin

2 ˇradá, u ´hlová Zásuvková liˇsta

X9, X10, X11

3 34 pin

2 ˇradá, pˇr´ımá

R14

Zásuvková liˇsta

94


D.2


Oznaˇcen´ı

Ks

Hodnota

Pouzdro

C1

1 47n

SMD 1206

C10, C11, C14, C16, C19

5 100n

SMD 0603

C12, C18, C20, C22–C33,

38 68n

SMD 0603

17 10u

SMD vel. A

C15

1 47p

SMD 0603

C17, C21

2 68n

SMD 0603

C2

1 22p

SMD 0603

C3

1 5-30p

CTZ3E

C37, C38

2 68n

SMD 0805

C4

1 15p

SMD 0603

C5

1 2p

SMD 0603

C57

1 68n

SMD 1206

C6, C8

2 6p8

SMD 0603

C7

1 4p7

SMD 0603

C9

1 150p

SMD 1206

D1, D2, D3

3 MMBD1703 SOT23

D4, D5, D6

3 1N4148

SOD80

IC1, IC2

2 ADG619

MSOP 8

IC3

1 ADG704

MSOP 10

IC4, IC8

2 AD443

MSOP 8

IC5

1 AD9236

SSOP28

IC6

1 74AC16244

SSOP48

IC7

1 74LVC1G14

SOT23-5

Poznámka

C40–C49, C51–C54, C56, C59–C66 C13, C34–C36, C39, C50, C55, C58, C67–C75

Tantal 6,3 V

95


Oznaˇcen´ı

Ks

Hodnota

Pouzdro

Poznámka

IC9

1

AD5627

AD5627

K1, K2, K3

3

G6Z

G6Z

OZ1

1

AD8065

SOT23-5

OZ2

1

AD8021R-8 MSOP 8

OZ3, OZ6

2

AD8057

SOT23-5

OZ4

1

AD8058

MSOP 8

OZ5

1

AD8629M

MSOP 8

OZ7

1

AD8139

SOIC 8

OZ8

1

OP2177

MSOP 8

Q1

1

80Mhz

CFPS-80

R1

1

220R

SMD 1206

R10, R21, R31

3

470R

SMD 0603

R11, R13

2

25R

SMD 0603

R12, R16, R18, R22,

6

510R

SMD 0603

0,1 %, 10 ppm

R14

1

330R

SMD 0603

0,1 %, 10 ppm

R15

1

100k

SMD 1206

R17

1

200R

SMD 0603

R2

1

470k

SMD 1206

R20, R29

2

1K

SMD 0603

R24, R32

2

47R

SMD 0603

R25

1

2k

SMD 0603

R26

1

100k

SMD 0603

R27

1

10k

SMD PC25

R28

1

2k7

SMD 0805

R3

1

100R

SMD 1206

R30

1

270R

SMD 0805

0,1 %, 10 ppm

R23, R35

0,1 %, 10 ppm

0,1 %, 5 ppm

0,1 %, 5 ppm

96


Oznaˇcen´ı

Ks

Hodnota

Pouzdro

Poznámka 0,1 %, 5 ppm

R34

1 30R

SMD 0805

R36

1 22R

SMD 0603

R37

1 4k7

SMD 0603

R38, R39

2 4k7

SMD 0603

R4

1 270R

SMD 0603

R40

1 5k1

SMD 0603

0,1 %, 10 ppm

R41

1 47k

SMD 0603

0,1 %, 10 ppm

R42

1 100R

SMD 0603

R43

1 2k2

SMD 0603

R5, R6

2 20R

SMD 0603

R7

1 130R

SMD 0603

R8, R19, R33

3 1k

SMD 0603

R9

1 430k

SMD 1206

RN1, RN2, RN3

3 22R

4R-N0603

X1

1

A1944-50

D.3

0,1 %, 10 ppm

0,1 %, 10 ppm

Koax. konektor


Oznaˇcen´ı

Ks

Hodnota

Pouzdro

Poznámka

C1, C9, C21

3 100n

SMD 0805

C11, C15

2 100u

SMD vel. D Tantal 16 V

C13

1 10u

SMD 1210

C18

1 10n

SMD 0805

C2, C20

2 22u

SMD vel. C

10 100n

SMD 1206

8 68u

SMD vel. B

C3, C19, C22-C29 C30-C37

Ker. X7R

Tantal 6,3 V

Tantal 6,3 V

97


Oznaˇcen´ı

Ks

Hodnota

Pouzdro

Poznámka

98

C38

1 330u

SMD E12

Sanyo Oscon 10 V

C39

1 100u

SMD E12

Sanyo Oscon 20 V

C4, C10

2 47u

SMD vel. C

Tantal 6,3 V

C6, C7, C8

3 47u

SMD vel. D

Tantal 16 V

CON1, CON2

2 BNC90

BNC90

D1

1 SSB43

SMB

HS1, HS2

2 FK244-13

FK24413

IC1

1 MEGA16-A TQFP44

IC2, IC6

2 LF33

DPAK

IC3

1 L4941

DPAK

IC4

1 7905

TO220

IC5

1 LT1373

SOIC 8

L1

1 15u

T 80-26

L2

1 22u

SRU8043

L3

1 68u

SRU8043

R1, R2, R3, R4, R5, R6,

7 4k7

SMD 0805

R11, R13

2 5k1

SMD 0805

R14

1 2k49

SMD 0805

R8, R9

2 3k3

SMD 0805

T1, T2, T3, T4, T5, T6

6 BC817

SOT23

X1, X2

2 34 pin

2 ˇradá, pˇr´ımá Pinová liˇsta

X3

1 53047-10

R7

Molex 1.25mm


D.4

99

USB modul

Oznaˇcen´ı

Ks

Hodnota

Pouzdro

Poznámka

C1, C2

2 33p

SMD 0603

C3, C5

2 15p

SMD 0603

C4

1 68n

SMD 1206

C6

1 100u

SMD vel. C

Tantal 6,3 V

C7, C9

2 22u

SMD vel. A

Tantal 6,3 V

C8

1 100n

SMD 0603

C10, C11, C13

3 68n

SMD 0603

C12

1 10u

SMD 0805

F1

1 100uA

SMD 1210

IC1

1 AT91SAM7S64

LQFP64

IC2

1 TPS77633

SOIC 8

IC3, IC4

2 ADUM1400

SOIC-W 16

L1

1 68uH

DL4N

D1, D2

2 GL-1206GW

SMD 1206

Q1

1 12Mhz

HC49S

R1, R9, R10

3 270R

SMD 0603

R2

1 1k5

SMD 0603

R3, R4

2 27R

SMD 0603

R5, R6, R7, R8

4 10k

SMD 0603

T1

1 SI2301

SOT-23

X1

1 16 pin

2 ˇradá, u ´hlová Pinová liˇsta

X2

1 4 pin

1 ˇradá, pˇr´ımá

X3

1 53047-10

X5R

Zelená LED

Pinová liˇsta Molex 1.25mm

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A MĚŘICÍ TECHNIKY

Recommend Documents