Neil Scope 3 портативный цифровой осциллограф

Автор: Left Radio
Опубликовано 02.10.2013
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2013!"

Прежде всего хотелось бы поздравить кошарский сайт :) и кратко описать мотивацию к созданию этого прибора, мотивация собственно была разной, от банальной необходимости в осциллографе, до инженерно-спортивного интереса при разработке этого прибора, также посчитал необходимым разрабатывать именно портативный прибор, просто потому что это удобно :) , надеюсь он вам понравится и пригодится в ваших измерениях, мне будет отадно знать что он принес пользу хотя бы одному коту(человеку), отчасти поэтому проект полностью открыт, схема/плата/исходные коды МК и ПЛИС. ОК, оределились :) , начну с характеристик, вот они:

Основные характеристики осциллографа:

 * максимальное входное напряжение зависит от максимального напряжения пасивных элементов входного делителя.

Набор функций:

авто/ждущая/ручная/ развертки;
произвольное соотношение пред- и поствыборок;
12-ти позиционный аппаратный аттенюатор;
закрытый/открытый вход;
произвольный уровень синхронизации, синхронизация по уровню, по перепаду, по окну.
синхронизация от логических каналов, в том числе по всем видам синхронизации логического анализатора*;
растяжка осциллограммы по вертикали и горизонтали;
линейная интерполяция, режим макс./мин.

Режимы работы прибора:
Двухканальный осциллограф, макс. частота семплирования каждого канала 100МГц;                                                                  Отображение спектра по разлжению 256 т. БПФ;
Одноканальный осциллограф + лог. Анализатор, макс. частота семплирования 100МГц*;                                                              Логический анализатор, 8 входов, макс. частота семплирования 100МГц*;

-----------------------------------------

* на данный момент нет поддержки в прошивке МК

Экранные измерения, выделение области для измерений:

измерения постоянного, пикового и среднего значений напряжения;
вольтметр переменного тока: СКЗ (True RMS);
измерение длительности, скважности, частоты;
измерения времени нарастания/спада, выбросов посредством курсоров;
измерение напряжения в точках курсоров;
измерение максимального и минимального значений напряжения;

Блок-схема осциллографа:

Входной аттенюатор представляет из себя двух позиционный, частотно компенсированный делитель, с коэффициентами передачи 1:1 и 1:100. Переключение осуществляется бистабильным реле типа G6K. После аттенюатора сигнал поступает на вход преобразователя импеданса выполненного на ОУ AD8065, данный ОУ имеет очень высокое входное сопротивление и небольшую емкость по входу, что необходимо для правильной работы входного аттенюатора, коэффициент передачи этого каскада равен единице. Также предусмотренно компенсироание входной емкости AD8065 посредством дополнительного подстроечного конденсатора.

Далее сигнал поступает на вход управляемого аттенюатора выполненного на широкодоступном 8-ми канальном аналоговом мультиплексоре 74HC4052. Так как сопротивление источника сигнала для 74НС4052 это низкоимпедансный выход AD8065, то емкости ключа существенно не ограничивают полосу пропускания, таким образом удалось значительно удешевить аттенюатор по савнению с использованием специализированных высокочатотных ключей. Драйвер АЦП выполнен на ОУ AD8129 в неинвертирующем включении с коэффициентом усиления 10, на его специальный вывод REF подается напряжение смещения, которое формируется посредством интеграции и фильтрации сигнала ШИМ поступающего с микроконтроллера STM32F103RBT6. АЦП AD9288-100, представляет собой сдвоенный, 8-ми битный АЦП с максимальной скоростью преобразования 100Msps(миллионов отсчетов за секунду), данные с АЦП поступают непосредственно на входы ПЛИС — EPM570 фирмы Altera, к ПЛИС подсоединена буферная статическая память объемом 256 тысяч слов шириной 16 бит для хранения отсчетов.

Основной блок управления выполнен на микроконтроллере STM32F103RBT6 производства STMicroelectronics, микроконтроллер управляет всей логикой работы осциллографа и отображает результаты на жидкокристаллическом дисплее ST032D6C-E00 c контроллером HX8352, также МК имеет связь с ПК посредством протокола UART через преобразователь USBUART выполненный на микросхеме СР2102 производства Silicon Laboratories Inc. Ее применение конечно не оправдано когда у самого МК есть USB интерфейс, но первоночально в прибор был заложен STM32F100RBT6, а после его замены уже переделывать не стал, да и софт на ПК пишется с рачетом на СР2102.

Для питание «цифровой части» осциллографа используется линейный стабилизатор ADP1710-3.3, его можно заменить без каких либо изменений печатной платы на MAX6329с индексами TP/TL/TH/SP/SL/SH, также на NCP584 или LP2985-3.3. Для аналоговых компонентов установлен такой же линейный стабилизатор(с теми же возможными заменами), и инвертор напряжения на переключаемых конденсаторах — МАХ889S, эта микросхма формирует отрицательное напряжение -3.3В. Для управления зарядом аккумулятора применена МАХ1555.

Важное замечание – при использовании ADP1710-3.3 или МАХ6329 С52 и С72 устанавливать на плату не нужно, в случае применения NCP584 вместо этих конденсаторов нужно впаять перемычки.

Осциллограф поддерживает работу с двумя типами ЖК, тот что указан в схеме(МЕЛТ) и ЖК китайких телефонов типа FPC-RX-32HX-001B от телефонов TV WiFi W008, WiFi C5000, этот ЖК с осциллографом работает без проблем, только нужно выводы BS0(7) и BS1(8) соединить с +3.3 для переключения его в режим 256к и 8бит. Документацию на этот ЖК можно скачать по ссылке в конце статьи.

Принципиальная схема осциллографа:

 На схемах зображены три условные части, аналог;цифра;птание. Не смотря на свою кажущуюся сложность, осциллограф достаточно прост в сборке и наладке, правда наладки как таковой зачатую и не требуется, только отвертка :) Вот, может для кого не совсем понятно, подробнее:

Сборка, прошивка, наладка.

Осциллограф не требует каких либо специальных и/или сложных методов наладки, необходимо только проконтролировать форму прямоугольного сигнала подстраивая конденсаторы VC1, VC2 и VC3, VC4 в входных аттенюаторов обеих каналов. Однако при сборке нужно придерживаться аккуратности, так как даже небольшая ошибка может привести к выходу из строя цифровых и аналоговых микросхем, что выльется в дополнительные материальные затраты и большие трудности в замене сгоревших микросхем без наличия паяльной станции. При первом включении осциллографа рекомендую использовать лабораторный БП с регулировкой уровня срабатывания защиты по току, осциллограф при не прошитых МК и ПЛИС потребляет около 190мА. Пока МК не прошит питание осциллографа пропадает при отпускании кнопки ON1.

После включения нужно проконтролировать основные питающие напряжения, обозначения по схеме - +3.3, +3.3VA, -3.3VA, если все в порядке можно дополнительно проконтролировать напряжения на входах АЦП, на ADC REFOUT, там должно быть около +1.25В, на INADC А+ и INADC B+ около +3В, и на INADC А- и INADC B- примерно +0.99В.

Процедура прошивки микроконтроллера довольно проста и не требует наличия какого либо программатора. После сборки, естественно проверяем правильность сборки и отсутствие непропаев и/или замыканий между дорожками, (хотя это мы уже проверили, но еще раз не вредно :) ) далее подсоединяем осциллограф к ПК USB кабелем, устанавливаем драйвера виртуального COM - https://www.silabs.com/products/mcu/Pages/USBtoUARTBridgeVCPDrivers.aspx, после установки, убеждаемся что ПК видит и правильно определяет устройство как виртуальный СОМ порт. Скачиваем утилиту прошивки МК по UART с сайта ST - Flash Loader Demonstrator. Отключаем осцилл и переставляем джампер JP1 в положение boot mode, подсоединяем питание, нажимаем, и удерживаем кнопку питания осцилла(удерживать нужно для того что бы питание при отпускании кнопки не пропало так как МК еще не прошит и не может "защелкнуть" этот управляющий сигнал), запускаем утилиту Flash Loader Demonstrator. Утилита должна увидеть и правильно определить МК. Открываем файл прошивки и прошиваем, после прошивки отпускаем кнопку питания ON1, выключаем осцилл, переставляем джампер в положение normal mode. Все, на этом процедуру прошивки МК можно считать оконченой.

Для прошивки ПЛИС нужен программатор, вариантов программаторов для данной микросхемы много, можно использовать любой из них, схемы можно посмотреть на сайте www.marsohod.org, процедура прошивки тоже достаточно проста. Если МК уже прошит, подсоединяем программатор к ПЛИС и к ПК, включаем питание осциллографа коротким нажатием ON1, запускаем на ПК Quartus II Stand-Alone Programmer — https://www.altera.com/download/software/prog-software, в которой открываем файл прошивки и прошиваем ПЛИС. После достаточно выключить питание, отсоединить программатор. После этого осциллограф готов к работе.

При первом запуске осциллографа можно вручную или автоматическом режиме откорректировать нулевое положение луча для каждого канала, выставить по вкусу цвета фона/каналов и т.д., и при желании вручную сохранить настройки в флеш память МК, все настройки сохраняются автоматически при выключении прибора, так что настройки не обязательно сохранять вручную.

Работа с прибором.

 Для управлением прибором используется 6 кнопок, 5 для навигации по меню, и 1 для включения/выключения, выключается прибор по длительному нажатию на эту кнопку. Остальные кнопки это "стрелки" и кнопка ОК. Меню прибора состоит из вверхнего и нижнего ряда кнопок, на кнопках MENU, DIVA, DIVB, TRIG, MEAS есть подменю в которых можно настроить те или иные режимы работы осциллографа. Подменю открываются поверх осциллограм, для чего была продумана система графических объектов "на отссечение" в графической библиотеке и тщательно оптимизирован сам алгоротм отсечения как внутри, так и вне объекта. Это потребовалось что бы осциллограмма не перирисовывалась поверх меню и что бы не останавливать работу прибора на время открытия меню. Вывод осцллограмм на ЖК также очень тщательно продумывался и оптимизировался, в награду за это получили немерцающее изображение и приличное количество кадров.            Не буду пдробно расписывать работу с осциллографом, как установть уровень триггера или переключить открытый/закрытый вход думаю вполне очевидно, и хотя в меню/подменю достаточно много настроек, разобраться в нем не составяет проблем за полчаса/час использования прибора.

Фото работы прибора:

Медленный зашумленный треугольник, возбуждение линейного стабилизатора

  Он же только с автизмерениями

                                                                                                                                                                                                          На этапе разработки, мендр 2МГц

 На ноге кварца, 16МГц

 Питание ноутбука, выход сетевого ИБП

  Ну вот на этом и все, спасибо за внимание.... вот черт, миской мне об голову! А главное то и забыл, двух активных участников создания прибора, которые согревали колени, и успокаивающе мурлыкали, cоздаваю уютную атмосферу разработки. Это и их разработка, за что им спасибо, и по кружке сметаны :)

Так же хочу поблагодарить всех кто так или иначе участвовал в разаботке, помогал, спорил и критиковал

Файлы:
Печатная плата и список деталей
Пршивка, описание регистров ПЛИС, и схема в ПЛИС
Прошивки МК
Исходные кды графической библиотеки
Проект ПЛИС, Quartus 9.1
Исходные коды основной прошивки МК
Схема в PDF

Все вопросы в Форум.