Компьютерный осциллограф

Компьютерные цифровые осциллографы используются для исследования электрических сигналов. Это универсальные измерительные приборы широкого применения. Область возможного использования цифровых осциллографов - автоматизация научных исследований и диагностика в физике, радиотехнике, биологии; настройка электронных схем, телевизионной и радиоаппаратуры; измерение электрических сигналов в различных областях техники. В цифровых осциллографах исследуемый аналоговый сигнал преобразуют в цифровой. Дальнейшая обработка информации в цифровой форме позволяет получить практически любые характеристики сигнала. К достоинствам цифровых осциллографов относят легкость сопряжения с вычислительной техникой, возможность запоминания и автоматической обработки сигнала. Структурная схема разработанного устройства представлена на рис. 1.

Пользователь имеет возможность с помощью программы, установленной на персональном компьютере (ПК), изменять тип входа (открытый -сигнал проходит полностью, закрытый - проходит только переменная составляющая сигнала), а также изменять значение смещения, чувствительности и развертки.

В разработанном устройстве исследуемый аналоговый сигнал поступает на входные цепи, которые содержат делители напряжения с коэффициентами 1:30 и 1:900. Необходимый делитель в зависимости от заданной чувствительности выбирается с помощью микроконтроллера. Также во входных цепях предусмотрена возможность выбора типа входа, тип входа также изменяется микроконтроллером. С помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) задается необходимое смещение сигнала.

Далее сигнал поступает на усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, коэффициент усиления зависит от чувствительности, выбранной пользователем, и задается с помощью ЦАП. Управление ЦАП осуществляется с помощью микроконтроллера.

После усилителя сигнал подается на аналогоцифровой преобразователь (АЦП), в котором он с необходимой частотой преобразуется в цифровой.

Рис. 1. Структурная схема компьютерного осциллографа

Частота дискретизации в зависимости от выбранной развертки задается программируемой логической интегральной схемой (ПЛИС) или микроконтроллером. Имеется возможность перевода АЦП в режим экономии энергии, режим работы устанавливается микроконтроллером.

Цифровой сигнал сохраняется в оперативную память, управление оперативной памятью производиться ПЛИС. Далее сигнал считывается в микроконтроллер.

Для микроконтроллера и ПЛИС в устройстве предусмотрены внешние тактовые генераторы и разъемы для подключения программаторов.

Данные из микроконтроллера через гальваническую развязку передаются в преобразователь интерфейса USB-UART, и далее данные поступают в ПК. В свою очередь управляющие данные из ПК через преобразователь интерфейса и гальваническую развязку передаются в микроконтроллер.

Питание устройства осуществляется от сети 220 В, 50 Гц, блок питания преобразует это напряжение в 5 В, необходимое напряжение в 3,3 В получается с помощью стабилизатора напряжения.

Схема электрическая принципиальная разработанного устройства представлена на рис. 2.

Связь устройства с ПК осуществляется по шине USB. Выбор шины был обусловлен необходимостью получения высокой скорости передачи данных. Передача данных из микроконтроллера в ПК и обратно осуществляется с помощью микросхемы FT232BM. Необходимо обеспечить такую скорость передачи, чтобы на экране сигнал менялся с частотой 50 Гц. Информация передается в ПК пачками по 12,5 кбит, то необходимая скорость равна 625 кбит/с. Такая скорость может быть достигнута при использовании однокристального асинхронного двунаправленного преобразователя USB в последовательный интерфейс FT232BM.

Между FT232BM и микроконтроллером используется микросхема ADuM1201. Это двухканальный цифровой изолятор фирмы Analog Devices на основе запатентованной технологии iCoupler®, позволяющий передавать сигналы со скоростью до 25 Мбод. Изолятор имеет независимое питание передающей и приёмной частей, тем самым позволяя преобразовывать, при необходимости, уровни сигналов, подавая на одну часть микросхемы, например, питание 3,3 В, а на другую -5 В.

В разработанном устройстве используется микроконтроллер ATMegal6L. Этот выбор обусловлен тем, что микроконтроллеры AVR легко программируются, также для устройства необходимо не менее

30 линий ввода/вывода и необходимо использовать в устройстве напряжение питания 3,3 В.

Для устройства была выбрана ПЛИС ЕРМ7064АЕ из семейства МАХ7000А, этот выбор обусловлен высоким быстродействием данной микросхемы и необходимостью использования напряжения питания 3,3 В. В качестве тактового генератора для ПЛИС используется программируемый кварцевый генератор Epson частотой 32 МГц. Серия SG-8002 выпускается с программируемой частотой в диапазоне от 1 МГц до 125 МГц.

Входные цепи содержат делители напряжения 1:30 и 1:900. Для делителя 1:30 предусмотрена диодная защита, реализованная на диодной сборке BAV99. После делителей сигнал поступает на операционный усилитель с функцией отключения AD8063. Этот усилитель обладает широкой полосой пропускания.

Необходимое значение усиления и смещения сигнала пользователь задает с помощью программы на персональном компьютере. Эти значения передаются через микроконтроллер в ЦАП. В устройстве используется микросхема AD5322.

Усиление аналогового сигнала происходит в усилителе с регулируемым коэффициентом усиления AD8330. Используется схема подключения, рекомендованная производителем. В AD833O предусмотрены 2 входа для контроля усиления. Во-первых, имеется возможность изменять напряжение от 0 В дл 1,5 В на входе VDBS, что соответствует усилению от 0 дБ до 50 дБ. Во-вторых, имеется возможность изменять напряжение на входе VMAG от 0,015 В до 5 В, что соответствует усилению от 0,03 до 10 от установленного значения на входе VDBS.

В разработанном устройстве исследуемый аналоговый сигнал поступает на АЦП. При выборе АЦП следует учитывать ряд факторов: точность, быстродействие, необходимые питающие напряжения и мощность рассеивания, тип корпуса, источник опорного напряжения и генератор тактовых импульсов, входной импеданс и диапазон аналогового напряжения, выходная схема. В устройстве используется 8-разрядное АЦП AD9283 быстродействием 50-106 выборок/с.

На тактовый вход АЦП поступает сигнал от ПЛИС. В зависимости от развертки, выбранной пользователем, оцифровка сигнала производится с различной частотой.

Цифровой сигнал записывается в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). В устройстве используется быстродействующее статическое ОЗУ EDI8L32128V фирмы Texas Instruments.

Компьютерный осциллограф

«38

Рис. 2. Схема электрическая принципиальная компьютерного осциллографа