Ubrzanim razvojem tehnologije, današnjim tržištem osciloskopa dominiraju digitalni osciloskopi. Ovi osciloskopi imaju visok frekventni opseg, mogućnost trigerovanja na razne uslove, mogućnost digitalne obrade signala u relanom vremenu, sposobnost skladištenja prihvaćenih podataka. Sa svim ovim naprednim funkcijama digitalni osciloskopi su i dalje nedostupni prosečnim elektroničarima. U ovom tekstu biće opisano rešenje za jednostavan i jeftin instrument dostupan svakom. Instrument se može koristiti kao osciloskop ili kao spektralni analizator.
Opis uređaja
Osnovna ideja kojom smo se rukovodili je smanjenje broja eksternih komponenti. Svi digitalni osciloskopi imaju istu strukturu: ulazni stepen, kolo za odabiranje, A/D konvertor, baferska memorija koja skladišti digitalizovane odbirke prilikom akvizacije, mikrokontroler, memorija koji skladišti podatke koje bi trebalo prikazati na displeju, kolo za trigerovanje i kolo za kontrolu. Najzahtevniji deo pri projektovanju osciloskopa je ulazno kolo. Ono se sastoji iz kompenzovanog kola za slabljenje i kola za pojačavanje signala. U našem uređaju koristili smo univerzalna pojačavačka kola, zbog toga što naš osciloskop nije predviđen za prihvat signala visokih frekvencija. Kako bi smo pojednostavili dizajn odlučili smo se da koristimo mikrokontroler koji ima dovoljno RAM memorije za prihvat podataka i za prikaz na displeju. Takođe mikrokontroler mora posedovati interne A/D konvertore sa minimalnom brzinom prihvata 1Msps, mora biti jeftin i široko rasprostranjen. Posle analize željenih specifikacija i pronalaženja adekvatnih komponenti, projektovali smo instrument.
Uređaj se sastoji iz 6 osnovnih delova:
- ulazni stepeni;
- mikrokontroler;
- displej;
- tastatura;
- touch panel;
- SD card slot.
Blok šema uređaja prikazana je na slici 1.
Slika 1. Blok šema uređaja
Ulazni stepen
Signal se na ulaz osciloskopa dovodi putem sonde osciloskopa koje su povezane preko BNC konektora. Od ovih konektora mereni signal prolazi kroz nekoliko raznih stepena kao što je prikazano na slici 2:
1) Kolo za izbor AC/DC moda – izbor moda vrši se pomoću releja, ako je izabran AC mod rada signal se vodi preko kondenzatora vrednostni 100nF;
2) Kolo za slabljenje signala 1/10 – slabljenje signala vrši se kompenzovanim naponskim razdelnikom. Ulazna otpornost ovog kola je 1Mohm, a ulazna kapacitivnost 25pF, što su istovremeno i ulazne karakteristike osciloskopa. Te karakteristike su standardne za veliki broj komercijalnih osciloskopa. Kompenzacija se vrši pomoću 50pF trimer kondenzatora;
3) Zaštita od prenapona – ulaga ovog stepena je da zaštiti ostatak uređaja ukoliko napon signala pređe granicu ±5V. Sastoji se iz dve antiparalelno vezane diode sa redno vezanim otpornikom. Diode su povezane na napone napajanja +5V i -5V;
3) Zaštita od prenapona – ulaga ovog stepena je da zaštiti ostatak uređaja ukoliko napon signala pređe granicu ±5V. Sastoji se iz dve antiparalelno vezane diode sa redno vezanim otpornikom. Diode su povezane na napone napajanja +5V i -5V;
4) Kolo za baferovanje – sastoji se od operacionog pojačavača sa pojačanjem +1. Uloga ovog kola je da izoluje ostatak osciloskopa od kola koji merimo, odnosno da minimizuje uticaj uređaja na signal koji se meri. Operacioni pojačavač mora da ispuni sledeće specifikacije: ulazni i izlazni naponski opseg ±5V, minimalni frekventni opseg 10MHz, slurejt >100V/us – signal mora biti u mogućnosti da prođe kroz ceo naponski opseg (-5V – +5V) za vreme jedne periode odabiranja 0.1us, malu ulaznu struju polarizacije kako bi smo što manje uticali na signal koji merimo. Rešili smo da koristimo AD8041 proizvođača Analog Devices, jer ovaj operacioni pojačava ispunjava željene karakteristike;
5) Kolo za pojačanje signala – signal se može pojačati 2, 5 i 10 puta. Ovo se izvodi korišćenjem dva kola za pojačanje: 2 puta i 5 puta. Na taja način moženo meriti signale u naponskim opsezima ±2.5V, ±1V i ±0.5V. Kola za pojačanje su projektovana pomoću operacionih pojačavača vezanih u neinvertujuću konfiguraciju.. Željene karakteristike pojačavača su iste kao i za kolo za baferovanje, tako da ćemo koristiti iste operacione pojačavače;
6) Kolo za prilagođavanje opsega – Ovo kolo prilagođava signal naponskog opsega ±5V u opseg 0V – 3.3V, što je naponski opseg dsPIC A/D konvertora, tj. Ono realizuje sledeću formulu:
Kolo se sastoji iz operacionog pojačavača i izvora referentnog napona 1.65V. Operacioni pojačavač smanjuje signal 3 puta. Ponovo je korišćen operacioni pojačavač AD8041. Kao izvor referentnog napona koristili smo 1:2 naponski razdelnik povezan na +3.3V, u seriji sa baferskim kolom.
Za jedan ulazni stepen potrebna su nam 4 operaciona pojačavača, tako da smo koristili AD8044, četvorostruki operacioni pojačavač, kako bi smo pojednostavili dizajn. Releji su kontrolisani pomoću softvera mikrokontrolera, preko ULN2008 osmokanalnog Darlingtonovog drajvera.
Slika 2. Ulazni stepen osciloskopa
Mikrokontroler
Centralni deo ovog uređaja je dsPIC33f256GP710 mikrokontroler. Ovo je 16-bitni mikrokontroler sa 2 integrisana A/D konvertora sa maksimalnom periodom odabiranja 1.1Ms/s, tako da će osciloskop imati 2 ulazna kanal. Interna memorija nam omogučava da baferujemo do 4000 odbiraka. Ovaj mikrokontroler ima integrisane funkcije za digitalnu obradu signala koje nam da omogućavaju da vršimo FFT, tako da se uređaj može koristiti kao spektralni analizator, bez dodatnog hardvera.
Interfejs
Za prikaz prihvaćenih signala, kao i komunikaciju sa korisnikom koristili smo grafički LC displej sa 128×64 tačke, sa oznakom LGM-12864-B2. Ovaj displej je proizašao iz kompromisa koji smo morali napraviti između detaljnog prikaza signala i cene displeja. Komunikacija sa displejem se odvija pomoću 8-bitnog paralenog displeja. Displej koristi naponski nivo +5V, što je moglo da nam stvori probleme zbog toga što je izabrani mikrokontroler +3.3V kompatibilan, međutim kako je logički prag displeja 2.5V, a ulazne linije mikrokontrolera tolerantne na naponske nivoe +5V, ove dve komponente su direktno povezane.
Na displeju se nalazi touch panel rezistivnog tipa, njega kontrolišemo pomoću mikrokontrolera putem jednostavnog kola. Touch panel omogućava jednostavnu kontrolu uređaja od strane korisnika. Čitanje koordinata sa touch panela korišćenjem dodatnih analognih ulaza mikrokontrolera, tako da se panel ne koristi prilikom akvizicije signala.
Na uređaju se nalazi tastatura sa 8 tastera. 2 tastera su direktno povezana na ulazne linije mikronontrolera koje imaju mogućnost eksternog prekida, njih koristimo tokom akvizicije signala.
Smeštanje podataka
Velika prednost modernih oscilokopa, u odnosu na analogne, je njihova mogućnost smeštanja podataka koje smo prikupili na neku vrstu trajne memorije. Mi smo se odlučili da ovu mogućnost predvidimo i za naš osciloskop. Kao trajnu memoriju koristićemo fleš memoriju, a kao medij SD memorijsku karticu. Mikrokontroler sa SD karticom komunicira korišćenjem otvorenog SPI protokola. Ovo je serijski protokol sa dovoljno visokom brzinom protoka. SD kartica je 3.3V kompatibilna, tako da je direktno povezana na mikrokontroler. Svi podaci su smešteni u fajlovim. Za smeštaj podataka na disk koriti FAT16 fajl sistem koji je implementiran korišćenjem biblioteke „Microchip MDD File System Library“ za dsPIC kontrolere. Odbirci su smešteni u internom „.osc“ formatu.
Izvor napajanja
Kao izvor napajanja uređaja koristi se jednosmerni naponski izvor sa izvodima: +9V, 0V, -9V. Postoji i mogućnost korišćenja dve baterije +9V, vezane u seriju. Za potrebe uređaja bilo je potrebno obezbediti naponske nivoe: +5V (displej, operacioni pojačavači), +3.3V (mikrokontroler, SD kartica), -5V (operacioni pojačavači).
Prihvat i procesiranja signala
Za prihvat signala koristi se integrisani A/D konvertor. To je A/D konvertor SAR tipa i sposoban je za prihvat signala sa maksimalnom periodom odabiranja 1.1Msps. Rezolucija A/D konvertora je 10bita, što je i više ngo dovoljno za ovaj uređaj. Pomoću firmvera možemo izabrati jednu od sledećih perioda odabiranja: 1.1Msps, 500ksps, 100ksps, 50ksps, 10ksps, 1ksps i 100sps.
Mikrokontroler u sebi sadrži integrisan DMA mehanizam, što je veoma korisno za merenja u realnom vremenu. Ovaj mehanizam dozvoljava A/D konvertoru direktan pristup unapred definisanim baferima u memoriji. Za ovu svrhu u RAM memoriji kontrolera odvojili smo 2 bafera sa maksimalno 2kB memorije. Dok A/D konvertor puni jedan od ova dva bafera podacima, mikrokontroler obrađuje podatke iz drugog bafera i kontroliše ostale delove uređaja. U uređaj smo implementirali jednu vrstu trigerovanja – osnovni triger na rastuću ili opadajuću ivicu, sa mogućnošću izbora nivoa trigerovanja. Na slici 3. prikazana je displej pri akviziciji sinusnog 5kHz signala.
Slika 3. Displej osciloskopa pri akviziciji od 5kHz signala
Spektralni analizator je implementiran primenom 512 FFT na ulaznom signalu. FFT je koristi radix-2 algoritam. Pre FFT, primenjujemo Haningov filtar koji izdvaja jače frekvencije. Na slici 4. je prikazana spektralna analiza signala koji se sastoji iz dva sinusna signala od 10kHz i 4kHz.
Slika 4. Spektralna analiza 10kHz+4kHz sinusnog signala
Na slici 5. prikazana je spektralna analiza pravougaonog signala frekvencije 5kHz.
Slika 5. Spektralna analiza 5kHz pravougaonog signala
Za dalju analitu signala na PC računaru, kreirana je aplikacija koje konvertuje podatke iz „.osc“ formata u „.csv“ format (Comma Separated Values). Na slici 6. prikazan je prihvaćeni signal na softveru računara.
Slika 6. Trougaoni signal prikazan u Excel-u
Slika 7. Izgled uređaja
Fotografija prototipa prikazana je na slici 8.
Slika 8. Prototip uređaja
Zaključak
Ovaj rad analizira jedno moguće rešenje za jeftin osciloskop. Opisani su detalji analognog ulaznog stepena, digitalnog procesuiranja signala i vizualnog prikaza rezulata. Pokazano je da se ovakav uređaj može izraditi i da ispunjava očekivane karakteristike.
Iako se ovaj osciloskop može uspešno koristiti za svrhu kojoj je namenjen, ostavljen je ogroman prostor za njegovo unapređenje. Pre svega moguće je preko eksternih priključaka omogućiti USB vezu uređaja sa računarom, što bi proširilo njegovu upotrebu. Najkritičniji deo osciloskopa predstavlja A/D konvertor, pa bi korišćenjem eksternog A/D konvertora bilo moguće i praćenje signala većih frekventnih opsega.
Samo promenom softvera moguće je merenje signala većih frekvencija metodom ekvivalentnog vremena, primena dodatnih filtara na prihvaćenom signalu pre prikazivanja njegovog spektra, koriščenje opcije trajnog skladištenja signala prilikom njegove akvizicije itd. Uređaj ne predstavlja finalnu verziju, već samo prvi korak ka rešenju postavljenog problema.
Ovde možete pogledati video.
Autori:
- Nemanja Vukoje
- Kalman Babković
- Laslo Nađ
Fakultet tehničkih nauka, Katedra za elektroniku
