Введение обзор литературы

Классификация осциллографов.
По назначению и способу вывода измерительной информации:

• 
  Осциллографы с периодической развёрткой для непосредственного наблюдения формы сигнала на экране (электронно-лучевом, жидкокристаллическом и т. д.) .
  
• 
  Осциллографы с непрерывной развёрткой для регистрации кривой на фотоленте (шлейфовый осциллограф) — в зап.-европ. языках oscillograph
  

По способу обработки входного сигнала:

• 
  Аналоговый.
  
• 
  Цифровой.
  

По количеству лучей:

• 
  Однолучевые, двулучевые и т. д. Количество лучей может достигать 16-ти и более (n-лучевой осциллограф имеет nное количество сигнальных входов и может одновременно отображать на экране n графиков входных сигналов).
  

Осциллографы с периодической развёрткой делятся на:

• 
  универсальные (обычные), скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные; цифровые осциллографы могут сочетать возможность использования разных функций.
  

Также существуют осциллографы, совмещенные с другими измерительными приборами (напр. мультиметром).
Осциллограф также может существовать не только в качестве автономного прибора, но и в виде приставки к компьютеру (подключаемой через какой-либо порт: LPT, COM, USB, вход звуковой карты).


Основные рабочие характеристики осциллографов

Основными параметрами, которые определяют возможности и степень функциональности цифровых осциллографов, являются рабочие характеристики, понимание которых позволяет потенциальным пользователям при выборе прибора оценить и сравнить между собой разные модели из широкого ассортимента, предлагаемого современными разработчиками.

Полоса пропускания -максимальная частота пропускания прибора и равна частоте, на которой амплитуда сигнала уменьшается до 70,7% значения или на 3дБ (логарифмическая зависимость). Но для цифровых осциллографов следует различать понятия полосы пропускания для повторяющихся сигналов и полосы пропускания для однократных сигналов. Первая из них не зависит от такой характеристики как частота дискретизации, и имеет достаточно высокое значение по той причине, что осциллограф воспроизводит повторяющийся сигнал за несколько запусков. Что касается работы с однократными или с непериодическими сигналами, то в этом случае полоса пропускания зависит от частоты дискретизации, так как осциллографу необходимо захватить и оцифровать полученный сигнал за один такт.
При выборе цифрового осциллографа существует правило, что полоса пропускания должна минимум в три раза превышать значения основных частот исследуемых сигналов и чем больше соотношение (может достигать 10:1), тем точнее результат выдает осциллограф.
Также следует отметить еще одну характеристику, которая определяет требования пользователя к полосе частот, время нарастания фронта импульса. Ведь очень часто исследуемые сигналы содержат множество гармоник на частотах, отличающихся от фундаментальных значений частот тестируемого сигнала, и, например, если пользователь рассматривает прямоугольный сигнал, то на самом деле он содержит частоты, по меньшей мере, в 10 раз превышающие базовую частоту исследуемого сигнала. И если значение полосы частот осциллографа будет неудовлетворительным, то при тестировании сигналов на экране вместо чётких и ясных краёв, характеризующих высокую скорость нарастания фронта импульса, будут отображаться закруглённые углы.
Частота дискретизации – равна скорости, с которой осциллограф может оцифровывать входной сигнал. Эта характеристика, как уже отмечалось выше, при более высоких значениях отвечает за более высокие значения полосы пропускания однократных сигналов и, соответственно, дает лучшее разрешение. Следует также отметить, что указанное в инструкции значение частоты дискретизации касается только одного канала, а при работе с несколькими каналами одновременно значение этой характеристики уменьшается и приводит к появлению искаженных сигналов. Еще одним важным замечанием для пользователей служит то, что большинство осциллографов работают на максимальной частоте дискретизации только на самых быстрых скоростях развертки, а на медленных скоростях развертки частота дискретизации автоматически уменьшается.
Объем памяти – характеристика цифрового осциллографа, которая связана со значением частоты дискретизации, а также зависит от требуемого времени непрерывного анализа. Приборы с большим объемом памяти позволяют просматривать захваченные сигналы длительные периоды времени с большим разрешением между точками. Для каждого конкретного случая, принимая во внимание значения временного интервала (ВИ) и частоты дискретизации (ЧД), можно рассчитать величину объема памяти (ОП) следующим образом: ОП=ЧД×ВИ.

Поскольку глубина памяти осциллографов ограничена, то, соответственно, возникает необходимость в ограничении частоты выборки, по той причине, что чем глубже память осциллографа, тем больше времени выделяется на захват точек данных при максимальном значении частоты дискретизации.

Из описанного выше можно сделать два простых вывода:
Для сохранения максимальной частоты дискретизации при увеличении значений коэффициента развертки необходимо увеличивать размер внутренней памяти;
При уменьшении длинны внутренней памяти и постоянном коэффициенте развертки, частота дискретизации неизбежно уменьшается.
Количество каналов – характеристика цифровых осциллографов, которая обеспечивает пользователю возможность одновременного исследования двух или больше сигналов. Следует отметить, что на сегодняшний день наибольшим спросом пользуются двух канальные осциллографы. Существуют также осциллографы, включающие в себя как основные, так и дополнительные каналы. В этом случае в осциллографе имеются аналогово-цифровые преобразователи для основных каналов, а дополнительные каналы используются для работы с цифровыми сигналами.
Режимы синхронизации – запуск осциллографа по фронту (перепаду) используется большинством пользователей и есть достаточным для решения общих задач. Но при постановке более сложных проблем (исследование сигналов сложных форм) возникает потребность в использовании дополнительных возможностей по запуску. Современные модели осциллографов предлагают дополнительные функции запусков, например, по логическому состоянию, по импульсной помехе, по телевизионному или видеосигналу и т.д.
Существуют семь возможных режимов запуска для осциллографов RIGOL серии DS1000: по фронту, длительности импульса, по скорости нарастания, по видеосигналу, чередующийся, по заданному шаблону логического состояния, а также его продолжительности (осциллографы для смешанных типов сигналов).
Режимы курсорных измерений – позволяют производить амплитудные или временные измерения путем установки вертикальных или горизонтальных курсоров в нужные точки осциллограммы. Например, при амплитудных измерениях можно определить значение размаха или разности напряжений, а при временных измерениях – разность значений по оси времени. На рисунке.1 показано пример курсорных измерений резонансной частоты сигнала при помощи осциллографов RIGOL серии DS1000 при использовании запуска по нарастающему фронту.

Рисунок 1 - Курсорные измерения резонансной частоты сигнала осциллографами RIGOL серии DS1000.

1. 
   ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА
   

Согласно заданию на курсовое проектирование выбираем микроконтроллер STM32F407VG, 32-разрядное RISC-ядро ARM Cortex-M4F является новым поколением ARM-процессоров для встраиваемых систем. Оно разработано для применения в недорогих платформах и удовлетворяет потребностям в МК с уменьшенным количеством выводов и низкой потребляемой мощностью, наряду с детерминированным ответом на прерывания. Ядро работает на частоте до 168 МГц и имеет блок арифметики с плавающей точкой (FPU), который поддерживает все ARM-инструкции и типы данных одинарной точности. Кроме того, ядро имеет блок защиты памяти (MPU), который повышает безопасность приложений.
ARM Cortex-M4F обладает исключительной эффективностью кода, совмещая высокую производительность, характерную для ARM, с используемым объемом памяти, соответствующим 16- или даже 8-разрядным микроконроллерам. Процессор поддерживает набор DSP-инструкций, который позволяет эффективно обрабатывать сигналы и выполнять сложные алгоритмы управления. Для ускорения разработки программного обеспечения с применением модуля операций с плавающей точкой (FPU) имеется инструментарий, использующий особый мета-язык. Поддержка семейства STM32F4 имеется во всех основных средах разработки для ARM-микроконтроллеров.
Микроконтроллер STM32F407VG имеет высокоскоростную встроенную память (1 Мбайт Flash и 192 кбайт SRAM), до 4 кбайт SRAM для хранения резервных копий переменных и большое количество расширенных линий I/O и периферийных модулей, подключенных к двум шинам APB, двум шинам AHB и 32-битной мульти-AHB матрице шин. Все МК в семействе имеют в своем составе три 12-разрядных АЦП, 2 ЦАП, мощный микроблок RTC, двенадцать 16-разрядных таймеров общего назначения, включая два таймера с ШИМ для управления электродвигателями, два 32-разрядных таймера общего назначения, настоящий аналоговый генератор случайных чисел (RNG) и модуль криптографического ускорителя. Кроме того, в состав МК входят стандартные и расширенные интерфейсы обмена данными: до трех модулей I2C; три модуля SPI, два модуля I2S (полнодуплексные); 4xUSART и 2xUART; модули USB OTG full-speed и USB OTG high-speed с поддержкой full-speed (ULPI); 2xCAN; интерфейс SDIO/MMC; интерфейсы Ethernet и видеокамеры (только в микросхемах STM32F4x7). Для достижения точности работы, соответствующей классу «аудио», периферийные модули I2S необходимо тактировать от специальных внутренних генераторов с ФАПЧ или от внешнего источника сигнала.
К новым расширенным периферийным блокам, появившимся в семей стве STM32F4, относятся: SDIO; гибкий расширенный контроллер статической памяти FSMC (для микросхем в корпусе со 100 выводами и более); интерфейс видеокамеры для CMOS-датчиков, аналоговый генератор случайных чисел и криптографический ускоритель. В семействе STM32F4 имеется 4 подсемейства, которые отличаются наличием или отсутствием Ethernet-интерфейса, интерфейса видеокамеры и криптографического сопроцессора. Несмотря на расширенный набор инструкций, приближающий микроконтроллеры семейства STM32F4 к цифровым сигнальным процессорам, их можно использовать в качестве обычных МК благодаря богатому набору периферийных блоков, стандартному для устройств с ядром Cortex-M. STM32F4xx выпускаются в 4 типах корпусов с количеством выводов от 64 до 176, при этом в зависимости от количества выводов несколько меняется состав периферийных модулей, входящих в их состав. Блок-схема микроконтроллеров STM32F4 показана на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема микроконтроллера STM32F407
Адаптивный акселератор памяти реального времени (ART Accelerator) — это ускоритель памяти, оптимизированный для использования в стандартных для промышленности МК с ядром ARM Cortex-M4F, таких как семейство STM32F4. Он служит для «балансирования» производительности ядра и Flash-памяти, которая обычно требует ожидания со стороны процессора, работающего на высокой частоте.
Для обеспечения полной производительности процессора 210 DMIPS на частоте 168 МГц акселератор производит предварительную выборку инструкций и организует кэш переходов в 128-разрядный буфер памяти, что ускоряет выполнение кода программы. Как показывают результаты теста CoreMark, производительность, достигаемая благодаря ART-акселератору, соответствует нулевому времени ожидания выборки инструкции из Flash-памяти CPU при частоте до 168 МГц.
Блок защиты памяти (MPU) используется для управления доступом CPU к памяти, чтобы предотвращать возможность нежелательного изменения областей памяти, используемых другой задачей. Массив памяти, управляемый блоком MPU, разделен на 8 защищенных областей. Размер защищенной области памяти может находиться в диапазоне между 32 байт и 4 Гбайт. Блок MPU особенно полезен для приложений, в которых некоторый критичный или сертифицированный код необходимо защищать от доступа со стороны других задач, которые обычно управляются одной из ОС реального времени (RTOS). Если программа пытается получить доступ к области памя-ти, защищенной блоком MPU, то RTOS посылается специальный сигнал, который приводит к выполнению заранее заданных действий по обработке внештатной ситуации. В рабочем окружении RTOS ее ядро может динамически обновлять настройки блока MPU, основываясь на выполняемых задачах. Блок MPU является необязательным и его можно отключить, если он не требуется для выполнения текущих задач.
Модуль вычисления контрольных сумм (CRC unit) используется для получения 32-разрядных контрольных сумм с заданным полиномом. Наряду с другими приложениями, основанная на CRC техника используется для контроля над обменом данными их целостностью. В стандарте EN/IEC 60335-1 предлагается конкретный метод контроля целостности Flash-памяти. Модуль вычисления CRC помогает вычислять контрольную сумму программы в процессе ее выполнения, для сравнения с сигнатурой, вычисленной во время сборки программы и хранящейся в специально выделенной области памяти. Такой контроль служит для предотвращения модификации кода программы во время ее выполнения.
Встроенное ОЗУ (SRAM). Все микроконтроллеры STM32F4 имеют до 192 кбайт системной SRAM, включая 64 кбайт тесно связанного (CCM) ОЗУ данных (data RAM), к которому со стороны процессора имеется прямой доступ. Доступ ко всем областям ОЗУ может осуществляться на частоте CPU с нулевым временем ожидания. Дополнительно имеется область резервного ОЗУ (backup SRAM) размером 4 кбайт.
Расположение выводов STM32F407VG приведено на рисунке 2.

Рисунок 2 – Расположение выводов STM32F407VG [2]

Важным элементом схемы является аналого-цифровой преобразователь AD9248 [3]
На рисунке 3 представлена структурная схема АЦП.

Рисунок 3 – Структурная схема AD9248 [3]
Отличительные особенности:

• 
  Превосходные динамические характеристики:
  - SNR=73.4 дБ при частоте входного сигнала fIN = 2.4 МГц
  - SFDR=86 dBc при частоте входного сигнала fIN = 2.4 МГц
  
• 
  Потребление:
  - 180 мВт при 3.3 В питании (при синхронизации несимметричным сигналом)
  Способность работы от несимметричных или дифференциальных внешних синхросигналов
  
• 
  Полностью дифференциальный или несимметричный аналоговый вход
  
• 
  Регулируемый диапазон входного сигнала.
  
• 
  Синфазный опорный сигнал
  
• 
  Режим пониженного потребления
  
• 
  КМОП- совместимый выход данных в двоично-дополнительном коде
  
• 
  Индикатор установки данных, облегчающий реализацию интерфейса
  

Области применения:

• 
  В системах сотовой связи стандарта WB-CDMA, CDMA2000 и WiMAX.
  
• 
  Ультразвуковая и медицинская аппаратура обработки изображений
  
• 
  Цифровые осцилограффы
  

На рисунке 4 представлена схема расположения выводов микросхемы.

Рисунок 4 – Расположение выводов микросхемы AD9248 [3]
AD9248 -2 канальный, 3B, 14 битный 20 MSPS/40 MSPS/65 MSPS аналого-цифровой преобразователь, обладает высокой производительностью и содержите усилители (SHAs) и интегрированный источник опорного напряжения. AD9248 использует конвейерную архитектуру многоступенчатого дифференциала с логикой исправления ошибки на выходе, чтобы обеспечить 14-разрядную точность. Широкая полоса пропускания, дифференциальный SHA учитывает множество выбираемых пользователем входных диапазонов и смещений, включая асимметричные приложения. Это является подходящим для различных приложений, включая мультиплексированные системы, которые переключают уровни напряжения полномасштабные в последовательные каналы.

На вход прибора подается дифференциальный аналоговый сигнал. AD9248 оптимизирован для работы в низкопотребляющих компактных устройствах с высокими динамическими характеристиками. Работая от однополярного источника питания от 2.7 до 3.6В,

Результаты преобразования АЦП доступны на выводах параллельной КМОП- совместимой шине. Формат выходных данных задается сигналом на выводе. Выходные данные могут быть представлены в двоично-дополнительном коде. Выход индикатора установки правильных данных позволяет упростить реализацию цифрового интерфейса и уменьшить количество необходимых внешних компонентов. Прибор имеет отдельный вывод питания цифрового интерфейса, на который можно подавать напряжение в пределах от 1.7 до 3.6 В, что позволяет AD9248 вести обмен данными с устройствами, имеющими напряжение питания, отличающееся от напряжения питания самого АЦП. AD9248 доступен в 64 контактном корпусе и имеет рабочий температурный диапазон от -40°C до +85°C.

Операционный усилитель AD8138[4].

На рисунке 5 представлена схема расположения выводов микросхемы.

Рисунок 5 – Расположение выводов микросхемы AD8138[4]
Используем типовую схему включения операционного усилителя AD8138 и ФЦП [4] представленную на рис. 6.
На входе схемы стоит резистивный делитель, обеспечивая высокое входное сопротивление, а так же масштабирование сигнала.
Максимальный уровень напряжения входного сигнала – 2В.
Сигнал на входе ОУ необходимо усилить до максимального входного сигнала АЦП (2В).

Рисунок 6 – Типовая схема включения ОУ AD8138 и АЦП [4].
В схеме применяется напряжение +3,3В. Для получения этого напряжения применим понижающую схему 12В/+3.3В.
Для получения напряжения +3.3В будем использовать наиболее распространённый стабилизатор IL5233G[6], имеет следующие параметры: входное напряжение +12В; выходное напряжение +3.3В.
Выбираем следующие конденсаторы:
С12 и С18 - К50-35-2200мкФх25В±20% [5]

3 СХЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Схемы электрические цифрового измерителя ускорения приведены в ПРИЛОЖЕНИЯХ А,Б соответственно.

Входной сигнал поступает на вход усилителя, он усиливает входной сигнал до уровня работы АЦП (DD2).
АЦП преобразует аналоговый входной сигнал в цифровой и передает его процессору. Тактируется АЦП внешним тактовым генератором микроконтроллера.
В начальный момент времени микроконтроллер DD3 входит в режим инициализации, где настраивается универсальный интерфейс передачи данных USB, мультиплексируются порты ввода-вывода, настраиваются таймеры, инициализируются прерывания, включается внешний тактовый генератор для работы АЦП.
В основном цикле работы микроконтроллер DD3 получает данные с АЦП и сохраняет их в ОЗУ. После заполнения приемного буфера, данные отправляются на компьютер, где данные обрабатываются, и строится соответствующая осциллограмма.
Для вывода данных в схеме предусмотрен канал USB.
Для работы схемы необходимо напряжение ±3,3В. Применение преобразователя напряжения постоянного тока DA1 (12/+3.3B) обеспечивает необходимое питание схемы.
Разъём входного сигнала - XS2. Для подключения напряжения питания используется разъём XS2. Для внутрисхемного программирования микроконтроллера в схеме имеется разъём для программатора XS3.
Для вывода данных по USB каналу используется разъём XS4.
4 ПРОГРАММНАЯ ЧАСТЬ

Любая микропроцессорная система основана на работе самого микропроцессора.

Описание алгоритмов работы микропроцессора можно приводить в виде блок-схем, как это показано в приложении В. Распишем приведенные на чертеже блоки.

Общий алгоритм

В начальный момент времени микроконтроллер проходит инициализацию аппаратных модулей, а именно таймеры, генератор тактовых импульсов, порты ввода/вывода, интерфейсы приёма/передачи данных.
В основном цикле работы микроконтроллер производит сбор данных с аналого-цифрового преобразователя.
Полученные данные, сохраняются в оперативной памяти контроллера, используя DMA сопроцессор, что обеспечивает высокую производительность.
Кроме того, микроконтроллер передает данные по информационному каналу, применяя для этого аппаратный USВ и сигнал для управления направлением передачи.
Микроконтроллер в режиме сбора данных с АЦП анализирует команды, пришедшие с компьютера.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итогом выполнения курсового проекта стала разработка электрических схем цифрового осциллографа. Произведён анализ литературы. Разработаны алгоритмы работы микроконтроллера. Разработаны чертежи электрических схем устройства.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Осциллограф - ваш помощник. Иванов Б.С., - Мн.: Беларусь, 1991. – 591 с.: ил.

2. 
   STM32F407VG 32-разрядное RISC-ядро ARM Cortex-M4F. [Электронный ресурс]/,2007. Режим доступа: http://www.st.com/web/catalog/mmc/FM141/SC1169/SS1577/LN11/PF252140?s_searchtype=partnumber свободный - Загл. с экрана. - Яз. англ.
   
3. 
   AD9248. [Электронный ресурс]/ Analog Devices. Режим доступа: http://www.analog.com/static/imported-files/Data_Sheets/AD9248.pdf свободный - Загл. с экрана. - Яз. англ.
   
4. 
   AD8138. [Электронный ресурс]/ Analog Devices. Режим доступа: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8138.pdf
   
5. 
   Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справ./ Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок – Мн.: Беларусь, 1994. – 591 с.: ил.
   
6. 
   IL5233G. Электронный ресурс http://bms.by/RUS/Spec/int/PDF/ IL52XXG-Sr.pdf. свободный - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.