prenosni digitalni osciloskop - core.ac.uk · najpomembnejši del klasi čnega osciloskopa je...
TRANSCRIPT
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,
RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO
Boštjan Štumpfel
PRENOSNI DIGITALNI OSCILOSKOP
Diplomska naloga
Maribor, september 2004
I
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO 2000 Maribor, Smetanova ul. 17
Diplomska naloga visokostrokovnega študijskega programa
PRENOSNI DIGITALNI OSCILOSKOP
Študent: Boštjan ŠTUMPFEL
Študijski program: Visokostrokovni, Elektrotehnika
Smer: Elektronika
Mentor: izr. prof. dr. Rudolf BABIČ
Somentor: doc. dr. Mitja SOLAR
Maribor, september 2004
II
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO 2000 Maribor, Smetanova ul. 17
Številka: E.0424
Datum: 31. 08. 2004
SKLEP O DIPLOMSKI NALOGI 1. Boštjan Štumpfel, absolvent visokošolskega strokovnega študijskega programa
Elektrotehnika, smer Elektrotehnika, izpolnjuje pogoje, zato se mu dovoljuje izdelati diplomsko delo.
2. Tema diplomske naloge je s področja Inštituta za elektroniko pri predmetu
ELEKTRONIKA I MENTOR: izr. prof. dr. Rudolf BABIČ KOMENTOR: doc. dr. Mitja SOLAR
3. Naslov diplomskega dela:
PRENOSNI DIGITALNI OSCILOSKOP
4. Vsebina diplomske naloge Načrtajte prenosni digitalni osciloskop, ki bo omogočal meritve in prikaz signalov v
nizkofrekvenčnem področju od 0 do 0,5MHz. Za prikaz vhodnih signlaov in nastavitev osciloskopa uporabite prikazovalnik na tekoče kristale z ločljivostjo 160 x 128 točk.
5. Diplomsko delo izdelajte skladno z "Navodili za opravljanje diplomskega dela" in ga oddajte v treh izvodih najkasneje do 31. 08. 2005.
PREDSTOJNIK INŠTITUTA
DEKAN
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju dr. Rudolfu Babiču za
pomoč in vodenje pri opravljanju diplomske
naloge. Prav tako se zahvaljujem somentorju dr.
Mitji Solarju.
Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili
študij.
IV
PRENOSNI DIGITALNI OSCILOSKOP Ključne besede: električni signali, električne meritve, osciloskop, prenosni digitalni osciloskop, elektronske komponente UDK: 681.56(043.2) Povzetek
Diplomsko delo predstavlja načrtovanje in izgradnjo enokanalnega, prenosnega,
digitalnega osciloskopa. Osnovne zahteve, ki smo si jih zadali so 8-bitna kvantizacija,
zmožnost opazovanja frekvenčnih signalov do 0.5MHz, uporabo osnovnih funkcij
standardnih oscilockopov ter majhna in kompaktna oblika. Delo smo si najprej razdelili na
posamezne bloke in jih nato povezali v celoto. V končni fazi smo izvedli primerjavo meritev
našega in komercialnega oscilockopa ter ugotavljali ali izpolnjuje zahteve, ki smo jih
določili pred načrtovanjem. Nazadnje smo dodali možnosti za spremembe in izboljšave
digitalnega osciloskopa.
V
PORTABLE DIGITAL OSCILLOSCOPE Key words: electrical signals, electrical measurement, oscilloscope, portable digital oscilloscope, electronic components UDK: 681.56(043.2)
Abstract
The purpose of the work is to designing one-channel, portable, digital oscilloscope.
The basic demands are 8-bit quantization, measuring frequency up to 0,5MHz, use of basic
funcions of standard oscilloscope and small and compact form. First of all we devided the
work on small blocks and then we join the blocks together. Then we perform comparision
between ours oscilloscope and comercial one with measurements. At the base of this
comparision we determine if our demanding are fulfit. At the end we supplement the
possibility of further develop and upgrades on the oscilloscope.
VI
VSEBINA
1. UVOD 1
1.1 Zgradba digitalnega osciloskopa 1
1.2 Metode vzorčenja 2
1.3 Vrste prikazovalnikov 7
2. ELEKTRIČNO VEZJE 8
2.1 Vhodni selektor 9
2.2 Impedančni pretvornik 9
2.3 Nastavitev napetostnega območja 10
2.4 Pomik po Y-osi 15
2.5 Časovna baza in nastavitev časovnega območja 16
2.6 Prožilno vezje 18
2.7 Avtomat za vzorčenje 20
2.8 Statični pomnilnik 62256B in vpisovanje vzorcev 23
2.9 Mikrokrmilnik ATmega64 24
2.10 Prikazovalnik na tekoče kristale 26
2.11 Tipke 28
2.12 Napajalnik 28
3. IZVAJANJE PROGRAMA 29
3.1 Glavni program 31
3.2 Rutina za obravnavo tipk 32
3.3 Rutina za izračun naslovov in prikaz podatkov 33
4. REZULTATI MERITEV 35
5. SKLEP 38
VIRI, LITERATURA 39
PRILOGE 39
VII
UPORABLJENI SIMBOLI
UA - napetostno ojačanje operacijskega ojačevalnika
RVH - vhodna upornost operacijskega ojačevalnika RIZH - izhodna upornost operacijskega ojačevalnika
)128(ADU - vhodna napetost v AD pretvornik pri desetiški izhodni vrednosti 128
MAXU - maksimalna vhodna nepetost v osciloskop
OBMU - izbrano napetostno območje
VIII
UPORABLJENE KRATICE
AC - Alternating Current AD - Analogno Digitalni (pretvornik) CMOS - Complementary Metal-Oxide Semiconductor DC - Direct Current EEPROM - Electrically Eresable Programmable Read Only Memory RAM - Random Access Memory ROM - Read Only Memory RISC - Reduced Instruction Set Computer SMD - Surface Mounting Device SRAM - Static Read Only Memory TTL - Transistor Transistor Logic
Prenosni digitalni osciloskop 1
1. UVOD
Osciloskop je temeljni merilnik v elektrotehniki. Uporablja se pri razvoju, vzdrževanju
in popravilu elektronskih naprav in vezij. Omogoča nam prikazovanje odvisnost napetosti
od časa. Digitalna tehnologija nam pri osciloskopih omogoča zelo natančno opazovanje
signalov. Z uporabo spominskih modulov nam omogoča opazovanje signala pred
proženjem, opazovanje enkratnih, zelo hitrih pojavov, opazovanje zelo dolgih pojavov,
možnost enkratnega proženja ter nato neomejeno dolg prikaz na prikazovalniku. Ker je
osciloskop postal klasični programirjiv digitalni sistem, omogoča še marsikatero drugo
namensko uporabo.
Na tržišču je to področje dodobra razdelano, vendar so zaradi zelo visokih cen, te
naprave precej nedostopne. Osnovna naloga nam bo izdelati majhen, prenosni, cenovno
dostopni digitalni osciloskop, ki nam bo zagotavljal dovolj dobre rezultate pri nezahtevni
uporabi tja do frekvence 500kHz. Tak frekvenčni razpon nam omogoča opazovanje
celotnega tonskega področja ter signalov s področja zabavne elektronike.
1.1 Zgradba digitalnega osciloskopa
Osnovno zgradbo digitalnega oscilockopa prikazuje blokovna shema na sliki (sl. 1.1).
Vsebuje vhodni atenuator, s katerim poleg vhodne zaščite priredimo signal vertikalnemu
ojačevalniku. Z vertikalnim ojačevalnikom nastavljamo napetostna območja, obenem pa
nam ne sme spremeniti oblike signala. Signal se nato vodi do analogno digitalnega
pretvornika, kateri pretvori analogno napetost v digitalni zapis. Analogno digitalni
pretvorniki so običajno 8-bitni.
Za pravilno proženje signala je potrebno prožilno vezje, ki proži začetek vzorčenja v
vedno enakem trenutku. S časovno bazo nastavljamo frekvenco vzorčenja in s tem časovna
območja. Vzorce shranjujemo v pomnilnik, katere nato obdelamo in prikažemo na
prikazovalniku.
Prenosni digitalni osciloskop 2
Slika 1.1: Blokovna shema digitalnega oscilockopa
1.2 Metode vzorčenja
Frekvenčno območje digitalnih osciloskopov je odvisno od metode vzorčenja. Poznamo
dve metodi: realno-časovno ter ekvivalentno-časovno metodo vzorčenja.
Realno-časovna metoda vzorčenja je primerna za opazovanje signalov pri enkratnem
proženju. Signal vzorčimo, zaporedno vzorce shranimo v pomnilnik, ter jih nato prikažemo
na prikazovalnik. Kot v [3] je frekvenčno območje omejeno na 1/2.5 frekvence vzorčenja.
Rekonstrukcijo signala z uporabo realno-časovne metode vzorčenja prikazuje slika (sl.
1.2).
Slika 2.1: Rekonstrukcija signala z realno-časovno metodo vzorčenja
Ekvivalentno-časovna metoda vzorčenja je primerna za opazovanje periodičnih
signalov. S to metodo shranjujemo vzorec za vzorcem v spomin v odvisnosti od prožilnega
vezja, ter po rekonstrukciji z mikroporcesorjem, prikažemo signal na prikazovalniku. Pri
Prenosni digitalni osciloskop 3
tej metodi je možno opazovati signale višjih frekvenc, kot pri metodi realno-časovnega
vzorčenja.
Prenosni digitalni osciloskop 4
Rekonstrukcijo signala z uporabo ekvivalentno-časovne metode vzorčenja prikazuje
slika (sl. 3.1).
Slika 3.1: Rekonstrukcija signala z ekvivalentno-časovno metodo vzorčenja
Ekvivalentno-časovno metodo vzorčenja delimo na sekvenčno vzorčenje in naključno
vzorčenje. Pri sekvenčnem vzorčenju so vzorci oddaljeni za točno določen čas, pri čemer
jemljemo za referenco, točko prožilnega vezja. Pri metodi naključnega vzorčenja, signal
vzorčimo naključno. Pri tej metodi je potrebno vedeti točen čas oddaljenosti vzorca od
referenčne točke, ki je običajno točka prožilnega vezja. Nato se s pomočjo teh časov,
ponovno rekonstruira signal in prikaže na prikazovalniku.
Če se poslužujemo metode realno-časovnega vzorčenja, nam je frekvenčni spekter
opazovanega signala omejen. Najvišja, pravilno opazovana frekvenca je lahko polovica
vzorčne frekvence. Polovično vrednost vzorčne frekvnce imenujemo Nyquistova
frekvenca. Če je opazovana frekvneca višja od Nyquistove frekvence, se nam na
prikazovalniku pojavi signal nižje frekvence kot je v resnici. Dobimo popačenja v obliki
prekrivanja spektra.
Prenosni digitalni osciloskop 5
Pri opazovanju signalov pod Nyquistovo frekvenco, dobimo že več kot dva vzorca na
periodo. Če direktno prikažemo vzorce na prikazovalnik, dobimo zelo nepregledno sliko.
Prenosni digitalni osciloskop 6
Temu načinu prikaza pravimo točkast prikaz. Da se izognemo nepregledni sliki, se
poslužujemo interpolacije. Osnovni sta dve interpolaciji in sicer, linearna interpolacija in
sinusna interpolacija. Pri linearni interpolaciji sta zaporedna vzorca povezana med seboj z
ravno linijo. Rekonstrukcijo signala z linearno interpolacijo prikazuje slika (sl. 4.1)
Slika 4.1: Rekonstrukcija signala z linearno interpolacijo
Pri sinusni interpolaciji pa sta zaporedna vzorca med seboj povezana s funkcijo sinx/x.
Rekonstrukcijo signala s sinusno interpolacijo prikazuje slika (sl. 1.5).
Slika 5.1: Rekonstrukcija signala s sinusno interpolacijo
Glede na način prikaza vzorcev na prikazovalnik in uporabo različne vrste interpolacij,
ločimo tri načine rekonstrukcije signala in s tem tri zgornje frekvenčne meje opazovanega
signala:
- točkast prikaz: 1/25 frekvence vzorčenja
- linearna interpolacija: 1/10 frekvence vzorčenja
- sinusna interpolacija: 1/2.5 frekvence vzorčenja
Prenosni digitalni osciloskop 7
1.3 Vrste prikazovalnikov
Najpomembnejši del klasičnega osciloskopa je katodna cev, s katerim generiramo
elektronski curek, ki ga lahko vertikalno in horizontalno odklanjamo. Sled, ki jo tako
opisuje žarek po zaslonu, postane vidna zato, ker je zaslon prevlečen s snovjo, ki oddaja
svetlobo, če jo obstreljujemo z elektroni. Ostali sklopi v osciloskopu so namenjeni
napajanju katodne cevi, odklanjanju žarka v obeh smereh in sinhronizaciji slike.
V elektroniki poznamo poleg običanjih periodičnih signalov tudi signale, ki se
pojavljajo le ob posebnih pogojih ali povsem naključno. Za opazovanje takih signalov,
uporabljamo pomnilne osciloskope, ki pa so primerni tudi za opazovanje signalov s
periodo, daljšo od perzistence običajnega osciloskopa. Bistvo pomnilnih osciloskopov je v
tem, da lahko ohranijo zapis na zaslonu daljši čas in sicer od nekaj sekund do več ur.
Klasični osciloskop na zaslonu uporablja svetlečo plast, ki ima perzistenco nekaj ms.
Slika na zaslonu po tem času zbledi. Če imamo znan periodični signal nizke frekvence,
lahko uporabimo snov z dolgo perzistenco. Za potrebe pomnilnih osciloskopov
uporabljamo pomnilno katodno cev, ki deluje po načelu sekundarne emisije.
Pomnilni osciloskop z bistabilno katodno cevjo se od običajne katodne cevi razlikuje v
zgradbi zaslona in v tem, da ima poleg osnovnega elektronskega topa, še dva pomožna
elektronska topova, ki sta izvor počasnih elektronov. Snop elektronov iz pomožnih topov
je s pomočjo razpršilne mrežice, tako razpršen, da pada enakomerno po celi površini
zaslona.
Poznamo še osciloskop, ki ima pomnilno katodno cev s spremenljivo persistenco.
Razlikuje se zlasti v tem, da je njen zaslon, enak zaslonu navadnega osciloskopa. Pomnilni
sloj je na mrežici, nekaj milimetrov pred zaslonom. Podobno kot bistabilna katodna cev,
ima tudi ta dva pomožna topa z enako vlogo in delovanjem, le da je med pomnilno mrežico
in kolektorjem močno električno polje, ki daje vsakemu elektronu, ki pride skozi mrežico,
veliko energijo in s tem veliko svetlost točke, ki jo zadene. Nujno je, da je potencial
mrežice v začetku zelo negativen, če hočemo imeti temen zaslon.
Danes osciloskopi uporabljajo prikazovalnike na tekoče kristale. Njihova velika
prednost je majhna poraba prostora, enostavno krmiljenje ter lažji prikaz informacij.
Prenosni digitalni osciloskop 8
2. ELEKTRIČNO VEZJE
Blokovno shemo digitalnega osciloskopa prikazuje slika (sl. 1.2). Vhodni signal
peljemo na vhodni selektor, s katerim določamo ali bomo signal peljali skozi kondenzator
in s tem izločili enosmerno komponento signala ali ne. Nato signal peljemo na impedančni
pretvornik, kjer zagotovimo, da ne obremenjujemo vhodnega merjenega signala. Na
nastavitvi napetostnega območja, izbiramo željeno napetostno območje. S pomikom po
Y-osi lahko kompenziramo ničelno napetost, oziroma pomikamo merjeni signal po Y-osi.
Tako pripravljen signal, nato z anologno digitalnim pretvornikom, vzorčimo s 128 vzorci
in vzorce shranimo v pomnilnik. Za vzorčenje in shranitev v vzorcev v pomnilnik, poskrbi
avtomat za vzorčenje. Z nastavitvijo časovnega območja izbiramo vzorčevalno frekvenco
in s tem časovno območje na digitalnem osciloskopu. S časovno bazo generiramo
vzorčevalno frekvenco. Sestavljena je iz oscilatorja osnovne frekvence, katero nato delimo
na večkratnike. S prožilnim vezjem nastavljamo trenutek proženja avtomata za vzorčenje.
Celotno dogajanje krmilimo z mikrokrmilnikom. Željena območja in nastavitve
na osciloskopu pa nastavljamo s pomočjo štirih tipk.
Slika 1.2: Blokovna shema digitalnega osciloskopa
Prenosni digitalni osciloskop 9
2.1 Vhodni selektor
Z vhodnim selektorjm izbiramo med DC in AC načinom delovanja osciloskopa. V DC
načinu peljemo skozi ojačevalnike celoten vhodni signal, enosmerno in izmenično
komponento. Taka izbira je primerna pri opazovanju enosmernih signalov in signalov z
zelo nizko frekvenco. Prav tako je DC način primeren za opazovanje digitalnih signalov.
Vhodni selektor je prikazan na sliki (sl. 2.2).
V AC načinu peljemo opazovani signal preko kondenzatorja in s tem mu izločimo
enosmerno komponento opazovanega signala. Primerna je za opazovanje signalov z
enosmerno komponento, ki je višja od izmenične, naprimer v ojačevalnikih in gladilnih
členih napajalnikov.
Slika 2.2: Vhodni selektor
2.2 Impedančni pretvornik
Z impedančnim pretvornikom zagotovimo, da med merjenjem ne obremenimo
vhodnega signala in hkrati ne spreminjamo nivojev signala. Impedančni pretvornik nam
prikazuje slika (sl. 3.2).
Uvh Uizh
Rvh Rizh
Slika 3.2: Impedančni pretvornik
Prenosni digitalni osciloskop 10
1==
VH
IZHU
u
uA (3.1)
Impedančni pretvornik ima v idealnem primeru ojačanje AU = 1, neskončno veliko
vhodno uportnost RVH = ∞ in ničelno izhodno upornost RIZH = 0.
2.3 Nastavitev napetostnega območja
Pomembnejši podatek osciloskopa je napetostno območje. Da bi lahko opazovali
signale različnih amplitud je potrebno merjeni signal prirediti vhodnemu območju AD
pretvornika. AD pretvornik, ki ga bomo uporabili je TDA8703. To je 8-bitni AD
pretvornik kateri je namenjen za video in ostale aplikacije. Poganjamo ga lahko s
frekvenco do 40MHz. Vsi digitalni vhodi in izhodi so TTL kompatibilni.
Napetostno območje smo definirali od 10mV na razdelek pa do 2V na razdelek.
Naš prikazovalnik ima ločljivost 160x128 pik. Za prikaz opazovanega signala smo
namenili 128 pik po X-osi in 128 pik po Y-osi. Osi smo razdelili še na 8 razdelkov. Ker
imamo po Y-osi 128 pik, kar lahko zapišemo s 7-bitnim binarnim številom, AD pretvornik
pa je 8-bitni, smo za prikaz namenili samo 7 najpomembnejših bitov. Torej imamo 16 pik
na razdelek.
Minimalna vhodna napetost AD pretvornika znaša 1,55V, ki na podatkovnem izhodu
ustreza desetiški izhodni kodi 0, maksimalna vhodna napetost pa je 3,26V in ustreza
desetiški izhodni kodi 255.
Izračunamo srednjo vrednost vhodne napetosti. Vhodno območje je torej od 1,55V do
3,26V, kar absolutno znaša 1,71V. Vhodno območje delimo z dva in prištejemo spodnji
vhodni meji. To je prikazano v (3.2).
=+−
= )0()0()255(
)128( 2 AD
ADAD
AD UUU
U (3.2)
VVVV
U AD 405,255,12
55,126,3)128( =+
−=
Prenosni digitalni osciloskop 11
kjer je: )128(ADU - srednja vhodna napetost v AD pretvornik
)255(ADU - zgornja meja vhodne napetosti v AD pfretvornik
)0(ADU - spodnja meja vhodne napetosti v AD pretvornik
Y-os prikazovalnika razdelimo na 8 razdelkov. Za vsako napetostno območje je
potrebno izračunati ojačanje. Slika (sl. 4.2) prikazuje celotno ojačevalno vezje za
nastavitev napetostnega območja ter vezje za izbiro željenega območja s pomočjo binarne
kode V_SEL_0 do V_SEL_1.
Slika 4.2: Ojačevalno vezje za nastavitev napetostnega območja
Prenosni digitalni osciloskop 12
Območje 2V na razdelek:
Izračunamo maksimalno vhodno napetost tega območja MAXU , ki smo jo lahko še
prikazovali:
VVrazdštUU OBMMAX 1682.. =⋅=⋅= (3.3)
kjer je: OBMU - izbrano napetostno območje
..razdšt - število razdelokov na Y-osi
Ojačanje, ki je potrebno, da dobimo vhodno napetost v AD pretvornik v mejah
dovoljene, pri maksimalni vhodni napetosti območja 16V/razd., dobimo iz (3.4).
1068,016
71,1)(===
V
V
U
UA
MAX
INAD
U (3.4)
kjer je: )( INADU - maksimalna amplituda vhodne napetosti v AD pretvornik
MAXU - maksimalna vhodna napetost v osciloskop pri izbranem območju
Ojačanje invertirajoče ojačevalne stopnje, za območje 2V na razdelek iz slike (sl. 4.2),
izračunamo po (3.5):
1
9
R
RA −= (3.5)
Iz (3.5) izračunamo vrednost upora R9 po (3.6). Vrednost uporov smo izbirali iz
lestvice E12 z 10% odstopanjem. Da smo se kar najbolj približali izračunani vrednosti,
smo vezali največ dva upora zaporedno.
Ω=Ω⋅=⋅= 8,10610001068,019 RAR (3.6)
Zaporedno vežemo upora 100 Ω in 6,8 Ω . Skupna vrednost uporov je 106,8 Ω .
Enako naredimo še za ostala napetostna območja:
Prenosni digitalni osciloskop 13
Območje 1V na razdelek:
VVrazdštUU OBMMAX 881.. =⋅=⋅= (3.7)
2137,08
71,1)(===
V
V
U
UA
MAX
INAD
U (3.8)
Ω=Ω⋅=⋅= 7,21310002137,018 RAR (3.9)
Zaporedno vežemo upora 180 Ω in 33 Ω . Skupna vrednost uporov je 213 Ω .
Območje 500mV na razdelek:
VVrazdštUU OBMMAX 485,0.. =⋅=⋅= (3.10)
4275,04
71,1)(===
V
V
U
UA
MAX
INAD
U (3.11)
Ω=Ω⋅=⋅= 5,42710004275,017 RAR (3.12)
Zaporedno vežemo upora 390 Ω in 33 Ω . Skupna vrednost uporov je 423 Ω .
Območje 200mV na razdelek:
VVrazdštUU OBMMAX 6,182,0.. =⋅=⋅= (3.13)
068,16,1
71,1)(===
V
V
U
UA
MAX
INAD
U (3.14)
Ω=Ω⋅=⋅= kRAR 068,11000068,116 (3.15)
Zaporedno vežemo upora 1k Ω in 68 Ω . Skupna vrednost uporov je 1068 Ω .
Območje 100mV na razdelek:
VVrazdštUU OBMMAX 8,081,0.. =⋅=⋅= (3.16)
1375,28,0
71,1)(===
V
V
U
UA
MAX
INAD
U (3.17)
Ω=Ω⋅=⋅= kRAR 137,210003175,2120 (3.18)
Zaporedno vežemo upora 1k8 Ω in 330 Ω . Skupna vrednost uporov je 2130 Ω .
Prenosni digitalni osciloskop 14
Območje 50mV na razdelek:
VVrazdštUU OBMMAX 4,0805,0.. =⋅=⋅= (3.19)
275,44,0
71,1)(===
V
V
U
UA
MAX
INAD
U (3.20)
Ω=Ω⋅=⋅= kRAR 275,41000275,4121 (3.21)
Zaporedno vežemo upora 3k9 Ω in 330 Ω . Skupna vrednost uporov je 4230 Ω .
Območje 20mV na razdelek:
VVrazdštUU OBMMAX 16,0802,0.. =⋅=⋅= (3.22)
68,1016,0
71,1)(===
V
V
U
UA
MAX
INAD
U (3.23)
Ω=Ω⋅=⋅= kRAR 68,10100068,10122 (3.24)
Zaporedno vežemo upora 10k Ω in 680 Ω . Skupna vrednost uporov je 10k68 Ω .
Območje 10mV na razdelek:
VVrazdštUU OBMMAX 08,0801,0.. =⋅=⋅= (3.25)
375,2108,0
71,1)(===
V
V
U
UA
MAX
INAD
U (3.26)
Ω=Ω⋅=⋅= kRAR 375,211000375,21123 (3.27)
Zaporedno vežemo upora 18k Ω in 3k3 Ω . Skupna vrednost uporov je 21k3 Ω .
Zaradi lepšega pregleda rezultatov, strnemo vrednosti uporov v tabelo 1. Upor Rx v
tabeli pomeni, enega izmed izračunanih uporov za posamezno napetostno območje.
Prenosni digitalni osciloskop 15
Tabela 1: Prikaz izračunanih rezultatov
Napetostno
območje [V/razd.]
MAXU [V] UA Izračunan
Rx [ Ω ]
Izbran
Rx [ Ω ]
Odstopanje
[%]
2 16V 0,1068 106,8 106,8 0
1 8 0,2137 213,7 213 1,00
500m 4 0,4275 427,5 423 1,01
200m 1,6 1,06875 1,068k 1,068k 0
100m 0,8 2,1375 2,137k 2,130k 1,00
50m 0,4 4,275 4,275k 4,230k 1,01
20m 0,16 10,6875 10,68k 10,68k 0
10m 0,08 21,375 21,37k 21,3k 1,00
2.4 Pomik po Y-osi
Funkcija pomik po Y-osi je primerna za odpravljanje težav z ničelnim odstopanjem ter
za lažje odčitavanje signala s prikazovalnika. Omogoča nam vertiakalni pomik signala na
prikazovalniku.
Za pravilno delovanje AD pretvornika je potrebno zagotoviti enosmerno napetost, na
katero bomo prištevali merjeni signal. To pa zato, ker AD pretvornik nima vhodnega
območja okoli ničle, ampak je to območje od 1,55V do 3,26V. Enosmerna napetost, ki jo
moramo zagotoviti, je srednja vrednost vhodne napetosti )128(ADU , in kot smo jo že
izračunali v (3.2), znaša 2,405V.
Pomik po Y-osi smo izvedli s spreminjanjem enosmerne napetosti )128(ADU v območju
od 1,55V do 3,26V. Vezje, ki to omogoča je seštevalnik z operacijskim ojačevalnikom in
je prikazano na sliki (sl.5.2).
Prenosni digitalni osciloskop 16
Slika 5.2: Prištevanje signala enosmerni napetosti
2.5 Časovna baza in nastavitev časovnega območja
Digitalni osciloskop je namenjen za opazovanje signalov različnih frekvenc. Za bolj
optimalni prikaz ene periode opazovanega signala, je potrebno izbrati primerno frekvenco
vzorčenja. S frekvenco vzorčenja določimo, s kolikšnimi vzorci zajamemo eno periodo
opazovanega signala.
Kot smo že omenili, smo za prikaz časa na prikazovalniku namenili 128 pik. Vsak
vzorec na prikazovalniku pomeni pomik v desno za eno piko po X-osi. Kar pomeni, da
bomo za prikaz ene slike porabili čas, ki je enak 128-kratniku frekvence vzorčenja. Če še
razdelimo časovno os na 8 razdelkov, je čas enega razdelka enak eni šestnajstini
vzorčevalne frekvence. Da dobimo za časovna območja cela števila, izberemo frekvenco
oscilatorja tako, da je enaka večratniku števila 16.
Glede na preklopne čase in prenosne karateristike razpoložljivih komponent, za
oscilator določimo frekvenco 16MHz. Iz te osnovne frekvence bomo nato generirali ostale
vzorčevalne frekvence. Generiranje ostalih frekvenc in izbiro le ene od teh prikazuje slika
(sl. 6.2).
Prenosni digitalni osciloskop 17
Slika 6.2: Časovna baza in izbira časovnega območja
Frekvenco iz oscilatorja razdelimo na 7 nižjih vrekvenc s števcema 74HC390 in
dobimo naslednje vzorčevalne frekvence: 8MHz, 1,6 MHz, 800kHz, 160kHz, 80kHz,
16kHz in 1,6kHz.
Za izbiro frekvenčnega območja uporabimo 8-vhodni multiplekser 74HC151. Na vhode
mu peljemo vzorčevalne frekvence ter signale za izbiro vhoda, izhod pa na avtomat za
vzorčenje. 74HC151 ima tudi negiran omogočitveni vhod, ki ga fiksno vežemo na nizek
potencial.
Izhod izbiramo s pomočjo 3-bitne kode. S 3-bitno kodo izberemo, katero izmed osmih
vhodnih frekvenc bomo imeli na izhodu. Signale za izbiro vhoda pripeljemo iz
mikrokrmilnika. Tabela 2 prikazuje izbiro frekvence vzorčenja glede na 3-bitno vhodno
kodo.
Prenosni digitalni osciloskop 18
Tabela 2: Izbira frekvence vzorčenja glede na 3-bitno vhodno kodo
Vhodna koda
S2 S1 S0
Izbran vhod Frekvenca vzorčenja
0 0 0 I0 8MHz
0 0 1 I1 1,6MHz
0 1 0 I2 800kHz
0 1 1 I3 160kHz
1 0 0 I4 80kHz
1 0 1 I5 16kHz
1 1 0 I6 8kHz
1 1 1 I7 1,6kHz
2.6 Prožilno vezje
Pri osciloskopu je potrebno zagotoviti, da začnemo vzorčevati signal v enaki točki
vsake periode. Le tako bomo dobili mirujočo sliko na prikazovalniku. Zato je potrebno
vezje, ki nam bo dalo znak, ko bo merjeni signal šel skozi željeno točko. Vezje, ki nam to
omogoča prikazuje slika (sl. 7.2).
Prenosni digitalni osciloskop 19
Slika 7.2: Prožilno vezje
V samem vezju je uporabljen komparator LM319. To je dvojni precizijski komparator
za sorazmerno visoke hitrosti. Njegov odzivni čas je do 80ns pri napajanju ±15V, kar
ustreza frekvenci tja do 12MHz. Ima zelo široko območje napajanja od ±5V pa do ±15V.
Izhod ima plavajoči kolektor, zato potrebuje zunanji upor, ki ga bo ob aktivnem izhodu
povlekel na logično »1«.
Upora R41 in R42 na sliki (sl. 7.2) predstavljata napetostni delilnik s katerim lahko
nastavljamo napetost od -5V do +5V. To napetost peljemo na enega izmed dveh
neinvertirajočih vhodov v LM319. Ta napetost nam služi za nastavljane točke, pri kateri
nam bo prožilno vezje prožilo. Na invertirajoči vhod LM319 pripeljemo merjeni signal, ki
ga vzamemo na izhodu ojačevalne stopnje. To pa zato, da je proženje neodvisno od
prištevanja enosmerne napetosti, ki služi za prednapetost AD pretvorniku in pomiku po Y-
osi. Upor R46 služi za dvig izhodne napetosti na logično »1« ob aktivnem izhodu. Posebno
pozornost smo namenili uporu R47, ki preprečuje prenihaj na izhodu komparatorja ob
aktiviranju le tega. Prenihaj nam je povzročal vzorčenje signala ob nepravilnem času.
Vezje deluje tako, da ko se merjeni signal izenači z nastavljeno napetostjo napetostnega
delilnika, postavi izhod na logično »1«. Ta signal pa bomo uporabili kot pogoj za začetek
vzorčenja.
Prenosni digitalni osciloskop 20
2.7 Avtomat za vzorčenje
Problem pri vzorčenju z mikrokrmilnikom je ta, da je mikrokrmilnik prepočasen, za
vzorčenja signalov visokih frekvenc. Poleg tega, ko bi vzorčevali signal, nebi mogli delati
ničesar drugega. Veliko dela nam bi tudi vzela programska nastavitev časov med vzorci, za
vsako časovno območje.
Ideja avtomata za vzorčenje je, da nam na ukaz generira signale za vzorčenje in signale
za shranitev vzorcev v pomnilnik. Takšno vezje z logičnimi elementi je lahko bistveno
hitrejše od mikrokrmilnika. Čas, ki bi bil potreben za vzorčenje, je sedaj razpoložljiv za
opravljanje drugih nalog. Poleg tega je frekvenca vzorčenja odvisna samo od oscilatorja.
Blokovno shemo avtomata za vzorčenje prikazuje slika (sl. 8.2).
Slika 8.2: Blokovna shema avtomata za vzorčenje
Na eno od vhodnih linij avtomata za vzorčenje pripeljemo frekvenco vzorčenja,
CLOCK. To je dejanska frekvenca s katero vzorčimo merjeni signal. Na linijo TRIGGER
je pripeljan signal iz prožilnega vezja. Na vhodno linijo START SAMPLE pripeljemo
signal iz mikrokrmilnika. Kadar je signal START SAMPLE aktiven, upoštevamo signal
prožilnega vezja TRIGGER in začnemo z vzorčenjem. Z aktivnim signalom OE
omogočimo zunanje naslovne linije od A0 do A7, katere so vezane na naslovne linije
pomnilnika. Kadar je vzorčenje končano, se aktivira izhod END SAMPLE, kateri je vezan
na mikrokrmilnik in nazaj v notranjost avtomata za vzorčenje, ki ustavi vzorčenje. Slika
(sl. 9.2) prikazuje dejansko vezje avtomaza za vzorčenje.
Prenosni digitalni osciloskop 21
Slika 9.2: Avtomat za vzorčenje
Pri višjih frekvencah se nam je pojavil problem reguliranja trenutka proženja. Linija
TRIGGER je aktivna, kadar je vhodni, merjeni signal enak ali večji od nastavljene
vrednosti proženja. Problem se je pojavil, kadar je postala linija START SAMPLE aktivna
po postavitvi linije TRIGGER. Takrat se je vzorčenja začelo, kadar se je postavila linija
START SAMPLE in ne linija TRIGER. Posledica tega je bila, da nismo mogli pravilno
nastavljati trenutek proženja. Na prikazovalniku je bilo to videti, »poskakovanje« signala
levo in desno. Pri nizkih vrekvencah ta problem ni bil tako izrazit, pri visokih pa smo lahko
izgubili velik del signala.
Problem smo rešili tako, da avtomat za vzorčenje začne vzorčevati signal samo takrat,
kadar se na vhodu pojavi prehod linije TRIGGER iz nizkega v visoko stanje, ob že aktivni
liniji START SAMPLE. Vezje, ki nam to omogoča prikazuje slika (sl. 10.2). Linijo
DC_TRIGGER uporabljamo za opazovanje enosmernih signalov. Tedaj neprestano
prožimo, neglede na vhodni signal.
Prenosni digitalni osciloskop 22
Slika 10.2: Proženje ob prehodu linije TRIGGER iz nizkega v visoko
Liniji /SD in D imamo vezane na pozitivni potencial, linijo /RD pa krmilimo z linijo
START SAMPLE. Izhod TRIGGER1 se bo postavil samo ob prehodu iz nizkega v
visokostanje in če je predhodno postavljena linija START SAMPLE. Delovanje RS-celice
nam prikazuje taabela 3.
Tabela 3: Pravilnostna tabela RS-celice
VHOD IZHOD
/SD /RD CP D Q /Q
L L X X H H
L H X X H L
H L X X L H
H H ↑ L L H
H H ↑ H H L
Prenosni digitalni osciloskop 23
2.8 Statični pomnilnik 62256B in vpisovanje vzorcev
Hitachi HM62256B je CMOS statični RAM. Ima 15 naslovnih linij, kar ustreza 32768
lokacij po 8 bitov. Po dostopnem času ga razvrščamo v več skupin od 45ns do 85ns.
Pomnilnik, ki smo ga uporabili ima dostopni čas 70ns, kar pomeni, da lahko beremo in
pišemo s frekvenco do 13MHz. Napajamo ga z enojno 5V napetostjo ter ima vse vhode in
izhode TTL kompatibilne. Podatkovne linije lahko postavimo v visoko impedanco.
S pomnilnikom komuniciramo po 15-ih naslovnih, 8-ih podatkovnih ter 4-ih kontrolnih
linijah. Slika (sl. 11.2) prikazuje priključne lilnije pomnilnika.
Slika 11.2: Priključne linije RAM-a HM62256B
Mikrokrmilnik dela s frekvenco 6MHz., ker pa je naša najvišja frekvenca vzorčenja
8MHz, je potrebno narediti logiko, ki je sposobna sama vpisovati vrednosti vzorcev v
pomnilnik. Problem smo rešili z enim trojnim, dvovhodnim, analognim multiplekserjem
74HC4053. Vezje ima tri analogne multiplekserje, vsak ima dva vhoda in en izhod. Z
dodatnimi tremi vhodnimi linijami izbiramo, položaj vsakega mulitiplekserja. Z
deaktiviranjem linije /ENABLE, postavimo vsa stikala v stanje visoke impedance.
Pri branju vrednosti vzorcev iz pomnilnika ni nobenih problemov, ker linije /CS, /OE in
/WE enostavno krmilimo z mikrokrmilnikom. Pri pisanju vrednosti vzorcev v pomnilnik
pa, se nam pojavi problem nezadostne hitrosti mikrokrmilnika. Rešimo ga tako, da
postavimo linijo /RD fiksno na visok nivo, liniji /CS in /WE pa združimo skupaj in ju
Prenosni digitalni osciloskop 24
priklopimo na frekvenco vzorčenja. Preklop krmilimo s signalom /COUNTER_ENBLE.
Vezje za vpis vzorcev v pomnilnik s frekvenco vzorčenja, prikazuje slika (sl. 12.2).
Slika 12.2: Vpis vzorcev v pomnilnik s frekvenco vzorčenja
2.9 Mikrokrmilnik ATmega64
Mikrokrmilnik Atmega64, proizvajalca ATMEL, ima 64K zlogov programabilnega
Flash spomina. Njegova osnovna lastnost je RISC (Reduced Instruction Set Computer)
arhitektura. To je majhen nabor visoko-optimiziranih inštrukcij. Za RISC arhitekturo je
značilno, da se veliko število inštrukcij izvede v samo v eni periodi procesorjevega takta.
Pri obravnavi inštrukcije se izvede več blokov hkrati, tako se doseže večja efektivnost
izvedene inštrukcije. Za RISC arhitekturo je poleg omenjenega še značilno veliko število
registrov, s katerimi se razbremeni delovni spomin. Nekatere osnovne značilnosti
mikrokrmilnika ATmega64 so:
Prenosni digitalni osciloskop 25
- napajalna napetost od 4.5V do 5.5V
- delovna frekvenca od 0Hz do 16MHz
- 64K zlogov FLASH pomnilnika
- 2K zlogov EEPROM pomnilnika
- 4K zlogov SRAM pomnilnika
- 53 programabilnih vhodno / izhodnih linij
- dva 8-bitna časovnika / števca
- dva 16-bitna časovnika / števca
- 8-kanalni, 10-bitni AD pretvornik
- analogni komparator
- programirljivi »watchdog timer« z ločljivostjo 1 do 16 bitov
- zunanje in notranje generiranje prekinitev
- 53 programirljivih V/I linij
- šest načinov spanja
- JTAG vmesnik
Na sliki (sl. 13.2), je prikazan mikrokrmilnik in linije, ki vodijo v ali iz mikrokmilnika.
Nanj so priključene linije za krmiljenje prikazovalnika, naslovno-podatkovne linije
AD0 – AD7, linije za nastavljanje napetostnega in časovnega območja, linije na katere so
povezane tipke ter ostale linije potrebne za delovanje celotnega sistema. Linij TCK, TMS,
TDO in TDI so potrebne za programiranje mikrokrmilnika. Nahaja v SMD ohišju.
Prenosni digitalni osciloskop 26
Slika 13.2: Mikrokrmilnik Atmega64 in linije potrebne za delovanje sistema
2.10 Prikazovalnik na tekoče kristale
Prikazovalnik na tekoče kristale z oznako EA P160-7KEL ima ločljivost 160x128 točk.
Za komunikacijo ima vgrajen krmilnik T6963C s katerim komuniciramo preko 8-bitnega
podatkovnega vodila ter nekaj kontrolnih linij. Opis priključkov na konektorju
prikazovalnika, prikazuje tabela 4. Za napajanje logičnih vezij potrebuje pozitivno
napajalno napetost +5V, za napajanje tekočih kristalov pa uporablja negativno napajalno
napetost okoli -8V s katero tudi nastavljamo kontrast prikazovalnika.
Prenosni digitalni osciloskop 27
Krmilnik T6963C je narejen za krmiljenje malih in srednjih grafičnih prikazovalnikov
na tekoče kristale. Poleg vgrajenega ROM-a s 128 znaki, lahko krmili zunanji pomnilnik
do velikosti 64K zlogov, ki ga lahko uporabimo za shranjevanje teksta, video podatkov ali
za shranjevanje lastno definiranih znakov. Na prikazovalniku lahko prikazujemo tekst,
grafiko ter različne kombinacije obeh.
Tabela 4: Opis priključkov na konektorju prikazovalnika
Priključek Simbol Funkcija
1 FG ozemljitev ohišja
2 GND nizek potencial za logična vezja: 0V
3 VDD visok potencial za logičan vezja: +5V
4 VEE napetost tekočih kristalov: -8V
5 WR Piši podatek
6 RD Beri podatek
7 CE Omogočiteveni signal
8 C/D Nizek: vhod je podatek, visok: vhod je ukaz
9 NC Ni priključeno
10 RST Ponastavi
11...18 DB0...7 Podatkovno vodilo
19 FS Izbira pisave: nizek:8x8 točk, visok: 6x8 točk
20 NC Ni priključeno
Prenosni digitalni osciloskop 28
2.11 Tipke
Za upravljanje z osciloskopom uporabljamo štiri tipke in sicer UP, DOWN, MENU ter
POWER. Vezane so tako, da je ena stran tipk na masi, druga stran pa na enega od vhodov v
mikrokrmilnik. V programu gledamo kdaj je na določenem vhodu nizek potencial, kar
označuje, da je določena tipka stisnjena. S tipko MENU določamo katere nastavitve bomo
nastavljali s tipkama UP in DOWN. S tipko POWER pa vklopimo oziroma izklopimo
prikazovalnik, ter postavimo izvajanje programa na začetek.
Tipko POWER nismo nadomestili z enostavnim stikalom, ker mora biti ob vklopu
negativna napetost za napajanje tekočih kristalov, aktivna po napetosti za napajanje
logičnih vezij v prikazovalniku. Ob izklopu pa moramo negativno napetost izklopiti pred
pozitivno napetostjo, v nasprotnem primeru krajšamo življensko dobo prikazovalnika na
tekoče kristale. To krmiljene napetosti pa se da enostavno rešiti z mikrokrmilnikom,
relejem in tipko. Rešitev tega problema prikazuje slika (sl. 14.2).
Slika 14.2: Kmiljenje negativne napetosti za tekoče kristale prikazovalnika
2.12 Napajalnik
Napajalnik nam zagotavlja tri različne stabilizirane napetosti. Pozitivno in negativno
napetost amplitude 5V uporabljamo za napajanje analognega in digitalnega vezja.
Negativno napetost amplitude 8V pa uporabljamo za napajanje tekočih kristalov v
prikazovalniku. Celotno shemo napajalnika prikazuje slika (sl. 15.2).
Prenosni digitalni osciloskop 29
Slika 15.2: Napajalnik
3. IZVAJANJE PROGRAMA
Program je napisan v zbirnem jeziku. V zbirnem jeziku se uporabljajo dve skupini
ukazov, izvedljive ukaze in smernice za zbirnik. Izvedljivi ukazi se neposredno preslikajo
v mikroprocesorski ukaz v strojnem jeziku medtem, ko so smernice samo ukazi
prevajalniku. Nekateri deli programa se večkrat izvajajo, zato so napisani v obliki
podprogramov. Podprogrami se prav tako uporabljajo zaradi večje preglednosti programa.
Program smo začeli s pisanjem smernic za zbirnik, s katerimi nam je bilo omogočeno
lažje pisanje in razumevanje programa. Definirali smo si spremenljivke ter rezervirali
lokacije v pomnilniku zanje. Določili smo začetek sklada v katerega smo shranjevali
spremenljivke ob izvajanju podprogramov. V inicializaciji vrat smo definirali vhodne in
izhodne linije ter dvižne upore v vratih. Na koncu smo še inicializirali prikazovalnik na
tekoče kristale ter izbrisali pomnilnik, namenjen za shranjevanje teksta in grafike.
Prenosni digitalni osciloskop 30
V inicializaciji prikazovalnika smo definirali osnovne parametre za komunikacijo ter
parametre, ki določajo, kako smo na prikazovalnik prikazovali poslane podatke. Definirali
smo naslednje parametre:
- uporaba notranjega generatorja 128-ih znakov
- določitev naslova začetka grafičnega pomnilnika. Uporabljeni prikazovalnik je
razdeljen na zgornjo in spodnjo polovico. Zato naslov za zgornjo polovico znaša
0x0200 HEX, ter nalsov za spodnjo polovico 0x8200 HEX
- nastavitev grafičnega območja prikazovalnika na 20 zlogov na vrstico
- določitev naslova začetka tekstovnega pomnilnika. In sicer zgornja polovica se
začne na naslovu 0x0000 HEX ter spodnja polovica na naslovu 0x8000 HEX
- nastavitev tekstovnega območja prikazovalnika na 20 znakov na vrstico
- nastavitev zamikalnega registra na 0.
- prikazovanje grafike in teksta, ter izključitev prikazovanja kurzorja in utripanje le
tega
- nastavitev oblike kurzorja na dve liniji
Po zgoraj izvedenih rutinah, čakamo na pritisk tipke za vklop. Če je bila tipka
pritisnjena izrišemo naslovno ter po dveh sekundah še delovno sliko. Delovna slika vsebuje
mrežo, to je področje na katerem bomo izrisovali merjeni signal, ter začetne nastavitve
območij. Začetna nastavitev napetostnega območja je 2V na razdelek, časovnega območja
pa 10ms na razdelek. Na začetku še nastavimo vhodni selektor na DC delovanje, kar
pomeni, da merjeni signal ne peljemo skozi kondenzator, ter določimo sinhronizirano
proženje z vhodnim merjenim signalom. Celotno dogajanje pred izvajanjem glavnega
programa prikazuje slika (sl. 1.3).
Prenosni digitalni osciloskop 31
Slika 1.3: Izvajanje programa pred prihodom v glavni program
3.1 Glavni program
Celotno dogajanje programa je koordinirano z glavnim programom. Glavni program
neprestano kliče podprograme v točno določenem zaporedju in tako poskrbi, da se celotno
dogajanje izvaja kot želimo. Osnovne naloge glavnega programa so klicanje podprogramov
za pregledovanje tipk, vzorčevanje merjenega signala, izračunavanje naslovov ter prikaz
vzorcev na prikazovalnik.
Po pregledu tipk, postavimo linijo za začetek vzorčenja. Nato opazujemo ali je avtomat
za vzorčenje postavil linijo za konec vzorčenja. Če je, gremo v rutino za izračun naslovov
ter prikaz vzorcev. V nasprotenm primeru se vrnemo z izvajanjem glavnega programa na
začetek. Dogajanje v glavnem programu prikazuje slika (sl. 2.3).
Prenosni digitalni osciloskop 32
Slika 2.3: Diagram poteka glavnega programa
V glavnem programu se nam je dogajalo, da smo linijo za začetek vzorčenja postavili
še preden je bilo to končano. To smo rešili programsko s postavitvijo bita, ki se zbriše ob
izvajanju rutine za izračun naslovov in prikaz vzorcev na prikazovalniku. Ta problem se
pojavi pri nizkih frekvencah vzorčenja, ko se vzorčenje ne konča pred ponovnim
izvajanjem rutine za začetek vzorčenja.
3.2 Rutina za obravnavo tipk
Eden od podprogramov, ki ga kliče glavni program je podprogram za pregledovanje
tipk. S tem podprogramom ugotavljamo, ali je katera izmed tipk pritisnjena in če je,
ugotavljamo katera tipka je to. Nato gremo v izvajanje podprograma za obravnavo
pritisnjene tipke. Poenostavljeno rutino za obravnavo tipk prikazuje slika (sl. 3.3).
Izvajanje programa je zelo hitro. Zato se lahko zgodi, da se ob enem pritisku tipke,
večkrat izvede obravnava te tipke. Zaradi tega smo v podprogramu za obravnavo tipk
vnesli zaščito, ki preprečuje, da bi se to zgodilo.
Prenosni digitalni osciloskop 33
Slika 3.3: Diagram poteka za obravnavo tipk
3.3 Rutina za izračun naslovov in prikaz podatkov
Zelo pomemben del programa predstavlja rutina za izračun naslovov, ki so potrebni za
prikaz podatkov na prikazovalnik. Vzorec, ki smo ga preberali iz pomnilnika predstavlja
vrednost na Y-osi prikazovalnika. Za pravilni prikaz vzorca na prikazovalniku, smo
vsakemu vzorcu določili vrstico ter bit v zlogu, poslanega podatka.
Pred ponovnim vpisom podatkov je bilo potrebno predhodne izbrisati. To smo storili
tako, da smo si naslove predhodnih podatkov shranjevali, ter na te naslove vpisovali
segmente mreže. Če ne bi tako postopali, bi ob brisanju predhodnih podatkov, brisali tudi
mrežo. Podrobnejši opis te rutine je prikazan na sliki (sl. 4.3).
Prenosni digitalni osciloskop 34
Slika 4.3: Rutina za izračun naslovov in prikaz podatkov
Prenosni digitalni osciloskop 35
4. REZULTATI MERITEV
Pomembnejši podatek pri digitalnih osciloskopih je frekvenčna karakteristika in zgornja
frekvenčna meja. Določili smo določili s pomočjo meritev. Izvedli smo jo pri normalni
občutljivosti, ter pri najvišji občutljivosti, kjer je ojačanje vertikalnega ojačevalnika
največje. Opazovali smo signal pravokotne oblike amplitude 0.9V ter 40mV. Frekvenco
smo spreminjali od 100Hz pa do 5MHz, ter opazovali spremembo in obliko amplitude
signala. Iz rezultatov meritev, ki jih prikazuje tabela 5, ter iz grafičnega prikaza meritev na
slikah (sl. 1.4), (sl. 2.4) in (sl. 3.4) lahko vidimo, da se amplituda signala z višanjem
frekvence do 0.5MHz ne spreminja.
Upadanje amplitude nastopi pri frekvencah nad 0.5MHz. Iz slike (sl. 3.4) smo določili
zgornjo frekvenčno mejo analognega dela osciloskopa (-3dB) in znaša 1.6MHz. Vendar ta
meja ne določa zgornjo frekvenčno mejo osciloskopa, ker smo omejeni z načinom
rekonstrukcije signala. To mejo bi lahko uporabili za zgornjo frekvenčno mejo
osciloskopa, če bi pri rekonstrukciji signala, uvedli eno izmed interpolacij.
Tabela 5: Rezultati meritev
Uvh = 0.9V Uvh=40mV Frekvenca [Hz] Uizh [V] Uizh [mV]
100 0.9 40 200 0.9 40 500 0.9 40 1k 0.9 40 2k 0.9 40 5k 0.9 40
10k 0.9 40 20k 0.9 40 50k 0.9 40
100k 0.9 40 200k 0.9 40 500k 0.9 40
1MHz 0.9 38 2MHz 0.9 25 5MHz 0.9 12
Prenosni digitalni osciloskop 36
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07
Frekvenca [Hz]
Nap
etos
t [V
]
Slika 1.4: Amplituda na prikazovalniku pri opazovanem signalu amplitude 0.9V
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07
Frekvenca [Hz]
Nap
etos
t [m
V]
Slika 2.4: Amplituda na prikazovalniku pri opazovanem signalu amplitude 40mV
Prenosni digitalni osciloskop 37
-15
-12
-9
-6
-3
0
3
1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07
Frekvenca [Hz]
Ojačan
je [
dB]
Slika 3.4: Razmerje med vhodnim signalom in signalom na prikazovalniku pri vhodni
napetosti 40mV
Pri veliki občutljivosti je vpliv motenj lahko resen problem. Izvori motenj so lahko
generatorji ure in njihove izhodne linije, ki jih peljemo po vezju. Zato smo tem linijam, pri
izdelavi vezja, namenili posebno pozornost. Prav tako pa je potrebno zaščititi dele vezja na
katere lahko te motje vplivajo. To smo dobro storili tako, da na opazovanem signalu, pri
največji občutljivosti, ni videti popačitev.
Prenosni digitalni osciloskop 38
5. SKLEP
Naloge in cilje, ki smo si jih zadali smo v celoti izpolnili. Z osciloskopom se lepo
opazuje signale do frekvence 500kHz. Ravno tako se odlično opazuje signale nižjih
amplitud, ker motnje ne vplivajo na merjeni signal.
Nadaljnje delo in razvoj bi bil zelo zanimiv, zato si poglejmo, kateri bi bili možni
predlogi za nadaljnji razvoj:
- Frekvenčno območje opazovanja signalov bi lahko enostavno razširili s programsko
uvedbo interpolacije. S sinusno interpolacijo bi lahko takoj razširili frekvenčno
območje do frekvence 1.6MHz. To je zgornja frekvenčan meja analognega dela
osciloskopa (-3dB). Vse kar bi bilo potrebno storiti je napisati del programa za
sinusno interpolacijo.
- Za opazovanje signalov nekoliko višjih amplitud, bi bilo potrebno razširiti
napetostno območje. To bi storili z vezavo atenuatorja na vhodni del osciloskopa.
- Zanimiva rešitev bi bila uvedba programskega prožilnega vezja. Opazovani signal
bi bilo potrebno vzorčiti za nekoliko daljši časovni interval od periode merjenega
signala. Programsko pa bi nato iskali prehod signala skozi ničlo. Pri prikazu signala
bi to ničlo imeli za referenco, medtem ko bi signal začeli prikazovti z vzorci
različno oddaljenimi od reference, odvisno od nastavitve nivoja proženja. Z uvedbo
takšnega načina proženja, bi prihranili nekoliko elementov, porabljenih za prožilno
vezje.
- Prikazovalnik na tekoče kristale bi lahko izkoristili za bolšo analizo opazovanega
signala. Prikazovali bi lahko naprimer maksimalno ter minimalno vrednost signala,
periodo oziroma frekvenco signala ter ostale podatke. Zanimivo bi bilo prikazovati
napetost pri kateri se proži signal. To bi lahko izvedli z AD pretvornikom v
mikrokrmilniku. Potrebno bi bilo samo meriti enosmerno napetost, ki jo
uporabljamo za nastavitev nivoja proženja, ter jo prikazati.
- Ena od zanimivih idej za nadaljnji razvoj je prikazovanje frekvenčnega spektra
opazovanega signala. Potrebno bi bilo računati hitro Fourierjevo transformacijo.
Prenosni digitalni osciloskop 39
VIRI, LITERATURA
[1] A. Orehek, Merilniki in merilne metode v elektroniki, tretja izd., TZS, Ljubljana, 2001.
[2] R. Babič, Operacijski ojačevalnik - Vrste, lastnosti in osnovna vezja, prva izd.,
Fakulteta za elektrontehniko, računalništvo in informatiko, 2001
[3] http://www.yokogawa.com/tm/pdf/gc/dl/dl_overview.pdf
[4] http://cse.stanford.edu/class/sophomore-college/projects-00/risc/whatis/index.html
PRILOGE
a) zgoščenka z naslednjo vsebino : - besedilo diplomske naloge - seznam slik - seznam grafikonov - programska koda v zbirniku