Цифровой осциллограф на микроконтроллере. Портативный осциллограф на микроконтроллере ATmega32. Принципиальная схема прибора

У каждого в жизни был момент, когда понимаешь, « Надо покупать осциллограф! » . В моей практике,в большинстве случаев осциллограф нужен был для наблюдения за формой сигнала (или вообще показывал его наличие), тогда как основные измерения и исследования проводились на других приборах. Многие сейчас со мной поспорят, ну что поделаешь мне так удобней.Поэтому я решил сделать простой осциллограф-пробник. Он не будет отличаться хорошими характеристиками, главная цель, как можно популярней объяснить принцип работы! В конце статьи можно найти архив со всеми исходниками и материалами, которые потребуются. Итак начнем...

Цифровой сигнал - это массив чисел(если сразу по простому), каждое число это значение напряжения в данное время. Отсчеты делаются с определенной частотой, что и называется частотой дискретизации. Переводом из аналогового сигнала в дискретный и занимается АЦП. Существуют специальные микросхемы реализующие данную функцию, но микроконтроллеры специально снабжаются выводами с которых можно снимать значения. Откроем datasheet на Atmega8, там видим фразу: 8 каналов(или 6 для корпуса PDIP) 10-бит АЦП. Т.е. можно подвести 8 сигналов к каждому из этих каналов, и снимать с каждого свой сигнал! 10-бит же означает, что в каждый момент времени напряжение кодируется 2-чным числом из 10 цифр. Запомните этот факт.

Теперь, наш АЦП не понимает отрицательного напряжения, он производит измерения от 0-GND до AREF. Верхний порог может быть задан в регистре ADMUX как внутренний источник = 2,56 В или же может быть равен напряжению на ножке AVCC(что обычно и делается). Так же в ADLAR(смотри рисунок ниже) можно задавать порядок заполнения результата.

Адрес MUX 0x0000 соответствует входу ADC0, и по аналогии продолжается (если не поняли смотрите в даташите стр 199).

Теперь, запуск АЦП. АЦП может работать в 2 режимах. Первый - однократный режим (Single Conversation), в данном режиме мы подаем команду "Измерить!" он измеряет и выключается (но это так образно). Второй - постоянный запуск (Free Running), где мы настраиваем все, включаем и он работает а мы постоянно снимаем значения. Для реализации нашей задачи больше подходит второй режим, но так сложней контролировать измерение, поэтому будем использовать первый.

Настройка режима АЦП происходит в регистре ADCSRA.

Последнее, что осталось, регистры результатов ADCH - старший бит ADCL - младший. Про них рассказывать не буду, на картинке все видно и понятно.

С теорией все! Теперь напишем программку! Для отладки и обучения АЦП соберем схему в Proteus. Будем делать следующее:

Измерять уровень на входе;

Выводить уровень в двоичном коде (с помощью 8 светодиодов).

Для этого будем работать в режиме ADLAR=1 и считывать только старшие биты ADCH (т.е. 2 младших бита мы теряем, теряется точность, но в допустимых для меня пределах). Программа написана в AVR Studio.

Int main(void) { DDRD=0xFF; ADMUX = 0b01100000;//Настроили верхний порог на напряжение AVCC подвели 3,3В //ADLAR=1 и снимаем АЦП с ножки ADC0 ADCSRA = 0b10001101; //Настраиваем режим АЦП, включаем Single Mode, снимаем АЦП с входа ADC0 _delay_us(10); while(1) { ADCSRA |= 0x40;//Включаем АЦП while((ADCSRA & 0x10)==0);//ждем завершения PORTD=ADCH;//выводим результат } }

Прошиваем смотрим что получилось. Когда синус увеличивается от 0 до 3.3, мы видим как значение растет до максимума, но когда синус уходит в отрицательную часть у нас стабильно 0.

Для решения этой проблемы нам надо поднять наш сигнал на 1.6 В (половина всего диапазона), т.е. надо прибавить к сигналу половину питания, а сам сигнал в 2 раза ослабить, чтобы значение на входе не превышало наши рамки 0-3.3 В. НО! Так как статья учебная, и тут главное все вам объяснить пойдем проще! Для проверки работы нашего устройства мы будем использовать выход со звуковой карты (а на ПК запущен генератор сигналов), поэтому мы просто кидаем резистор 470 Ом между +3 В и входом АЦП. Так мы получим желаемое смещение.

В итоге, мы сигнал оцифровали. Осталось вывести его на экран.

Для своего проекта я выбрал экран от nokia1100, почему? Да потому что только его нашел в своем городе + на него есть макет в Proteus. Можно использовать и другие, главное данные у нас уже есть (научились их получать!).

Описывать как инициализировать экран я не буду (в интернете и так много доступной информации, не хочу повторяться + я расставил как можно больше комментариев в исходниках), а просто приведу текст программы с комментариями:

#include "nokia1100.h" // Подключаем библиотеку NOKIA1100 unsigned int n={0x80,0x40,0x20,0x10,0x08,0x04,0x02,0x01}; unsigned int deltaU=4,deltaT=0; unsigned int buffer; int flag=0; void LCD_Signal(int index,int znachenie,int deltaU){//функция вывода пикселя в столбце znachenie=znachenie/deltaU; unsigned int h; for(unsigned int i=0;i<8;i++){ nlcd_GotoXY(index,7-i); h=1; for(unsigned int j=0;j<8;j++){ if(i*8+j==znachenie){h=0; nlcd_SendByte(DATA_LCD_MODE,n[j]);} } if(h) nlcd_SendByte(DATA_LCD_MODE,0x00); } } void function_buttons(){//обработка кнопок while(PINB==0x01) flag=1; while(PINB==0x02) flag=2; if(flag==1)deltaU+=2; if(flag==2) deltaT+=10; } int main(void) { nlcd_Init();//инициализация дисплея _delay_us(10); ADMUX =0b01100000;//Настроили АЦП от 0 до AVCC на который мы подаем 3,3 В ADCSRA = 0b10001100;//Настраиваем режим АЦП, вход настраиваем так же на ADC0 while(1) { DDRB=0x00; PORTB=0x00; for(int i=0;i<96;i++){ ADCSRA |= 0x40;//Включаем АЦП while((ADCSRA & 0x10)==0);//Ждем завершения buffer[i]=ADCH;//Записываем в буфер _delay_us(deltaT);//задержка для уменьшения частоты дискритизации } for(int i=0;i<96;i++){//Выводим буфер на экран function_buttons(); LCD_Signal(i,buffer[i],deltaU); } } }

Подключаемые файлы находятся в архиве к статье!

Этот простой и дешёвый USB осциллограф был придуман и сделан просто ради развлечения. Давным давно довелось чинить какой-то мутный видеопроцессор, в котором спалили вход вплоть до АЦП. АЦП оказались доступными и недорогими, я купил на всякий случай парочку, один пошёл на замену, а другой остался.

Недавно он попался мне на глаза и почитав документацию к нему я решил употребить его для чего-нибудь полезного в хозяйстве. В итоге получился вот такой приборчик. Обошёлся в копейки (ну рублей 1000 примерно), и пару выходных дней. При создании я постарался уменьшить количество деталей до минимума, при сохранении минимально необходимой для осциллографа функциональности. Сначала я решил, что получился какой-то уж больно несерьёзный аппарат, однако, сейчас я им постоянно пользуюсь, потому что он оказался весьма удобным - места на столе не занимает, легко помещается в карман (он размером с пачку сигарет) и обладает вполне приличными характеристиками:

Максимальная частота дискретизации - 6 МГц;
- Полоса пропускания входного усилителя - 0-16 МГц;
- Входной делитель - от 0.01 В/дел до 10 В/дел;
- Входное сопротивление - 1 МОм;
- Разрешение - 8 бит.Принципиальная схема осциллографа показана на рисунке 1.

Для разных настроек и поиска неисправностей во всяких преобразователях питания, схемах управления бытовой техникой, для изучения всяких устройств и т.д., там где не требуются точные измерения и высокие частоты, а нужно просто посмотреть на форму сигнала частотой, скажем, до пары мегагерц - более чем достаточно.

Кнопка S2 - это часть железа нужного для бутлоадера. Если при подключении осциллографа к USB держать её нажатой, то PIC заработает в режиме бутлоадера и можно будет обновить прошивку осциллографа при помощи соответствующей утилиты. В качестве АЦП (IC3) была использована "телевизионная" микросхема - TDA8708A. Она вполне доступна во всяких "Чип и Дип"ах и прочих местах добычи деталей. На самом деле это не только АЦП для видеосигнала, но и коммутатор входов, выравниватель и ограничитель уровней белого - чёрного и т.д. Но все эти прелести в данной конструкции не используются. АЦП весьма шустр - частота дискретизации - 30 МГц. В схеме он работает на тактовой частоте 12 МГц - быстрее не нужно, потому что PIC18F2550 просто не сможет быстрее считывать данные. А чем выше частота - тем больше потребление АЦП. Вместо TDA8708A можно использовать любой другой быстродействующий АЦП с параллельным выводом данных, например TDA8703 или что-нибудь от Analog Devices.

Тактовую частоту для АЦП удалось хитрым образом извлечь из PIC"а - там запущен ШИМ с частотой 12 МГц и скважностью 0.25. Тактовый импульс положительной полярности проходит в цикле Q1 PIC"а так что при любом обращении к порту B, которое происходит в цикле Q2 данные АЦП будут уже готовы. Ядро PIC"а работает на частоте 48 МГц, получаемой через PLL от кварца 4 МГц. Команда копирования из регистра в регистр выполняется за 2 такта или 8 циклов. Таким образом, данные АЦП возможно сохранять в память с максимальной частотой 6 МГц при помощи непрерывной последовательности команд MOVFF PORTB, POSTINC0. Для буфера данных используется один банк RAM PIC18F2550 размером 256 байт.

Меньшие частоты дискретизации реализуются добавлением задержки между командами MOVFF. В прошивке реализована простейшая синхронизация по отрицательному или положительному фронту входного сигнала. Цикл сбора данных в буфер запускается командой от PC по USB, после чего можно эти данные по USB прочитать. В результате PC получает 256 8-битных отсчётов которые может, например, отобразить в виде изображения. Входная цепь проста до безобразия. Делитель входного напряжения без всяких изысков сделан на поворотном переключателе. К сожалению не удалось придумать как передавать в PIC положение переключателя, поэтому в графической морде осциллографа есть только значения напряжения в относительных единицах - делениях шкалы. Усилитель входного сигнала (IC2B) работает с усилением в 10 раз, смещение нуля, необходимое для АЦП (он воспринимает сигнал в диапазоне от Vcc - 2.41В до Vcc - 1.41В) обеспечивается напряжением с программируемого генератора опорного напряжения PIC (CVREF IC1, R7,R9) и делителем от отрицательного напряжения питания (R6,R10, R8). Т.к. в корпусе ОУ был "лишний" усилитель (IC2A), я использовал его как повторитель напряжения смещения.

Не забудьте про емкостные цепочки для частотной компенсации входной ёмкости вашего ОУ и ограничивающих диодов, которые отсутствуют на схеме - нужно подобрать ёмкости параллельно резисторам делителя и резистору R1, иначе частотные характеристики входной цепи загубят всю полосу пропускания. С постоянным током всё просто - входное сопротивление ОУ и закрытых диодов на порядки выше сопротивления делителя, так что делитель можно просто посчитать не учитывая входное сопротивление ОУ. Для переменного тока иначе - входная ёмкость ОУ и диодов составляют значительную величину по сравнению с ёмкостью делителя. Из сопротивления делителя и входной ёмкости ОУ и диодов получается пассивный ФНЧ, который искажает входной сигнал.

Чтобы нейтрализовать этот эффект нужно сделать так, чтобы входная ёмкость ОУ и диодов стала значительно меньше ёмкости делителя. Это можно сделать соорудив емкостной делитель параллельно резистивному. Посчитать такой делитель сложно, т.к. неизвестна как входная ёмкость схемы, так и ёмкость монтажа. Проще его подобрать.

Способ подбора такой:
1. Поставить конденсатор ёмкостью примерно 1000 пФ параллельно R18.
2. Выбрать самый чувствительный предел, подать на вход прямоугольные импульсы с частотой 1 кГц и размахом в несколько делений шкалы и подобрать конденсатор параллельно R1 так, чтобы прямоугольники на экране выглядели прямоугольниками, без пиков или завалов на фронтах.
3. Повторить операцию для каждого следующего предела, подбирая конденсаторы параллельно каждому резистору делителя соответственно пределу.
4. Повторить процесс с начала, и убедиться, что на всех пределах всё в порядке (может проявиться ёмкость монтажа конденсаторов), и, если что-то не так, слегка подкорректировать ёмкости.

Сам ОУ - это Analog Devices AD823. Самая дорогая часть осциллографа. :) Но зато полоса 16 МГц - что весьма неплохо.А кроме того, это первое из шустрого, что попалось в розничной продаже за вменяемые деньги.

Конечно же этот сдвоенный ОУ без всяких переделок можно поменять на что-то типа LM2904, но тогда придётся ограничится сигналами звукового диапазона. Больше 20-30 кГц оно не потянет.

Ну и форму прямоугольных, например, сигналов будет слегка искажать. А вот если удастся найти что-то типа OPA2350 (38МГц) - то будет наоборот замечательно.

Источник отрицательного напряжения питания для ОУ сделан на хорошо известной charge-pump ICL7660. Минимум обвязки и никаких индуктивностей. Ток по выходу -5 В конечно у неё невелик, но нам много и не надо. Цепи питания аналоговой части изолированы от помех цифры индуктивностями и ёмкостями (L2, L3, C5, C6). Индуктивности попались номиналом 180 uГн, вот их и поставил. Никаких помех по питанию даже на самом чувствительном пределе. Прошивка PIC заливается по USB с помощью бутлоадера который сидит с 0-го адреса в памяти программ и запускается если при включении удерживать нажатой кнопку S2. Так что прежде чем прошивать PIC - залейте туда сначала бутлоадер - будет проще менять прошивки.
Исходники драйвера осциллографа для ядер 2.6.X находятся в архиве с прошивкой. Там же есть консольная утилитка для проверки работоспособности осциллографа. Её исходники стоит посмотреть, чтобы разобраться как общаться с осциллографом, если хочется написать для него свой софт.
Программа для компьютера проста и аскетична, ее вид показан на рисунках 2 и 3. Подключить осциллограф к USB и запустить qoscilloscope. Требуется QT4.

Во вложении- все файлы к проекту

Осциллограф выполнен на микроконтроллере ATmega32. Индикатор графический ЖКИ 128 х 64 точек. Схема данного устройства очень проста. Один из недостатков данного осциллографа – это низкая максимальная частота измеряемого сигнала, для меандра это всего лишь 5 кГц. Программа написана на Си в WinAVR, в связке с AVRStudio 4. Графическая библиотека была написана специально для этого проекта.

Описание:

Напряжение питания схемы 12 вольт. Из этого напряжения на выходе преобразователя получаем +8.2V для IC1 и +5V для IC2 для IC3. Данная схема имеет входной диапазон от -2,5вольт до +2,5 вольт или от 0 до +5 вольт в зависимости от положения S1(переем./пост. ток). Используя делитель можно расширить диапазон измеряемых напряжений. Регулировка контраста дисплея производится потенциометром P2. Максимальное входное напряжение 30 вольт для постоянного и 24 вольта для переменного тока.

Более продвинутую схему осциллографа на базе микроконтроллере ATxmega128A3 вы можете посмотреть .

Схема:

Прошивка микроконтроллера:

Файл прошивки AVR_oscilloscope.hex , при прошивке выставьте Fuse биты микроконтроллера для тактирования от внешнего кристалла. Обязательно отключите JTAG интерфейс.

режимы работы:

осциллограф смешанных сигналов;
генератор сигналов произвольной формы;
8-канальный логический анализатор;
анализатор спектра;

возможность одновременной работы генератора и осциллографа;

графический OLED дисплей, размер 0.96"", разрешение 128×64 точки;

PDI интерфейс для программирования и отладки;

управление с помощью 4-кнопочной клавиатуры;

USB коннектор для питания устройства (в дальнейшем программная реализация USB интерфейса).

Спецификация измерительного прибора:

осциллограф:
- 2 аналоговых канала;
- 8 цифровых каналов;
- аналоговая полоса пропускания - 318 кГц;
- максимальная скорость выборки - 2 Msps;
- разрешение - 8 бит;
- аналоговая синхронизация и внешняя цифровая синхронизация;
- вертикальный и горизонтальный курсоры;
- входное сопротивление - 1 МОм;
- размер буфера для каждого канала - 256;
- максимальное входное напряжение - ±10 В;
генератор сигналов произвольной формы:
- 1 аналоговый канал;
- максимальная скорость конвертирования - 1 Msps;
- аналоговая полоса пропускания - 66 кГц;
- разрешение - 8 бит;
- низкое выходное сопротивление;
- размер буфера - 256;
- максимальное выходное напряжение - ±2 В.

Принципиальная схема прибора

Входные аналоговые каналы осциллографа, выходной канал генератора сигналов - выполнены на JFET операционном усилителе TL064 с низким потреблением. На таком же операционном усилителе выполнен источник опорного напряжения для встроенного аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера.

Питание прибор получает от USB интерфейса, однако можно применить внешний источник напряжения 5 В, но следует быть внимательным и необходимо исключить возможность одновременного подключения внешнего источника и USB интерфейса. Напряжение питания микроконтроллера составляет 3.3 В, с этой целью установлен регулятор напряжения 3.3 В AP7333 . Также, напряжение 3.3 В необходимо для питания контроллера дисплея.

Для питания операционных усилителей требуется двуполярный источник напряжения + 5 В и -5 В. Для получения отрицательного напряжения -5 В установлен интегральный DC/DC преобразователь TPS60403 (charge pump).

Источником тактовой частоты для микроконтроллера является внешний кварцевый резонатор 16 МГц.

Управление, навигация по меню, настройка параметров осуществляются с помощью клавиатуры K1-K4.

Для программирования (а также для отладки ПО) микроконтроллера используется 2-проводный интерфейс PDI. Данный интерфейс поддерживает высокоскоростное программирование всех пространств энергонезависимой памяти, в т.ч. Flash-память, EEPOM, Fuse-биты, Lock-биты и сигнатурный код пользователя. Программирование осуществляется путем доступа к контроллеру энергонезависимой памяти (NVM-контроллер) и выполнения NVM-контроллером команд.

Внешний вид печатной платы

Демонстрация работы прибора

Этот простой и дешёвый USB осциллограф был придуман и сделан просто ради развлечения. Давным давно довелось чинить какой-то мутный видеопроцессор, в котором спалили вход вплоть до АЦП. АЦП оказались доступными и недорогими, я купил на всякий случай парочку, один пошёл на замену, а другой остался. Недавно он попался мне на глаза и почитав документацию к нему я решил употребить его для чего-нибудь полезного в хозяйстве. В итоге получился вот такой приборчик. Обошёлся в копейки (ну рублей 1000 примерно), и пару выходных дней. При создании я постарался уменьшить количество деталей до минимума, при сохранении минимально необходимой для осциллографа функциональности. Сначала я решил, что получился какой-то уж больно несерьёзный аппарат, однако, сейчас я им постоянно пользуюсь, потому что он оказался весьма удобным - места на столе не занимает, легко помещается в карман (он размером с пачку сигарет) и обладает вполне приличными характеристиками:

Принципиальная схема осциллографа показана на рисунке 1.

Рис.1 Принципиальная схема осциллографа