Автор: С. Кулешов
Опубликовано: Журнал "Радио", 5/2005

Тема измерительных приборов на базе компьютера до сих пор остается актуальной. Универсальность и возможность сохранения больших объемов измеренных данных являются существенными преимуществами таких приборов перед традиционными.

В данной работе предлагается вариант такого измерительного инструмента, который можно использовать в качестве осциллографа, записывающего устройства сигналов длительного действия с возможностью записи данных на жесткий диск (рекордера) и цифрового вольтметра. Устройство содержит малое количество элементов, что позволяет сделать его очень компактным.
Технические характеристики устройства приведены в таблице.

Технические характеристики:

Разрядность АЦП		12
Временная развертка (осциллограф)		от 3 мс/дел до 100 мс/дел
Временной масштаб (рекордер)		1 с/выборка до 50 с/ выборка
Чувствительность (без делителя)		0.3 В/дел
Синхронизация		внутренняя, внешняя
Полное входное сопротивление		1 МОм параллельно к 30 пФ
Формат записи данных		текстовый, ASCII

Принципиальная схема осциллографа приведена на рис. 1. Для связи устройства с компьютером используется интерфейс Universal Serial Bus (USB), реализуемый с помощью микросхемы DD1 производства Future Technology Devices [1], представляющей собой преобразователь из интерфейса USB в интерфейс последовательного порта. Микросхема может работать как в режиме виртуального COM порта (при использовании драйвера VCP), так и в режиме непосредственного управления битами BitBang (при использовании драйвера D2XX).
В качестве АЦП использована микросхема DA2 производства Analog Devices [2] - 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь с последовательным интерфейсом и встроенным источником опорного напряжения. Диаграмма обмена последовательного интерфейса AD7495 приведена на рис. 2.
Микросхема DD1 работает в режиме BitBang [3,4], в котором она имитирует работу микроконтроллера, то есть часть ее выходов программно переводится в режим ввода, а часть в режим вывода. При этом становится возможным независимое программное управление каждым из выходов этой микросхемы. В микросхеме DD1 также имеется синтезатор частот, который задает скорость обмена данными между DD1 и DA1. Для формирования требуемого протокола обмена компьютерная программа осциллографа заполняет выходной буфер USB дискретными значениями битов для сигналов CS и SCLK в соответствии с рис.2. Один цикл измерения является серией из 960 последовательных преобразований. Микросхема DD1 с частотой, формируемой внутренним синтезатором частот, выдает сигналы CS и SCLK, одновременно с вводом данных преобразования по линии SDATA. Время одного полного преобразования АЦП DA1, определяющее частоту выборки, установлено равным времени передачи 34 байтов данных, выдаваемых микросхемой DD1 (16 бит данных + импульс линии CS). Так как скорость выдачи данных DD1 определяется частотой внутреннего синтезатора частот, то для изменения параметров развертки достаточно изменять параметры синтезатора частот микросхемы DD1.
В связи с тем, что обмен по шине USB инициируется планировщиком заданий операционной системы без привязки по времени к событиям, для определения начала циклов преобразования сигнал CS подается на вход DD1 и передается в компьютер вместе с данными преобразования по линии SDATA.
Полученные компьютером данные после дополнительной обработки (пересчета масштаба, коррекции нуля) отображаются в графическом виде.
Измеряемый сигнал подается на разъем XW1. Для возможности измерения сигналов отрицательной полярности при использовании однополярного питания от шины USB применяется преобразователь напряжения A1, формирующий напряжение отрицательной полярности для питания операционного усилителя DA1.
Входные цепи выполнены на ОУ OP747 [5]. На элементе DA1.1 выполнен повторитель. На элементах DA1.2 и DA1.3 выполнена схема смещения биполярного входного сигнала в область положительного напряжения. Так как встроенный источник опорного напряжения DA2 имеет значение 2,5 В, то без применения входных делителей диапазон входных напряжений равен -1,25..+1,25 В.

Элементы L1, L2, R5, C1, C7-C11 образуют фильтры питания для защиты аналоговой части устройства от помех.
Для работы с прибором используется программа uScpoe. Вид основного окна программы изображен на рис. 3. Программа позволяет непосредственно контролировать входное напряжение в цифровом виде и наблюдать осциллограмму сигнала.
С помощью кнопок в панели ms/div можно управлять разверткой осциллографа. Кнопки в панели INPUT DIVIDER устанавливаются в соответствии с используемым входным делителем и устанавливают коэффициенты для поправки значений вольтметра. С помощью кнопок в панели ms/div можно управлять разверткой осциллографа.
Панель синхронизации позволяет выбирать режимы внутренней или внешней синхронизации и управления параметрами внешней синхронизации. Режим внешней синхронизации реализован программно и основан на поиске условия срабатывания синхронизации в буфере данных, принятом от АЦП.
Программа позволяет также сохранять изображения окна осциллографа в файл и записи данных в файл с помощью соответствующих пунктов меню.
Кнопки Power ON/OFF служат для (логического) включения/выключения устройства. При отключении устройства от компьютера программа автоматически переходит в режим OFF.
В режиме записи сигнала (recorder), записывающее устройство приступает к созданию текстового файла, имя которого выбирается в меню File->Choice data file. По умолчанию создается файл data.txt. Эти текстовые файлы могут быть импортированы в другие приложения (Excel, MathCAD) для дальнейшей обработки.
В окне настройки программы можно выбрать идентификационную строку, по которой происходит поиск устройства, а также корректировку нуля.
Программу uScpoe с драйвером D2XX для Windows, можно найти на сервере редакции.
Устройство смонтировано на макетной плате, на которой расположены все элементы, за исключением разъема XW1. Для сокращения размеров осциллографа рекомендуется использовать SMD компоненты. Монтаж выполнен проводом МГТФ. Для соединения выводов микросхем с контактными площадками платы используется медный луженый провод диаметром 0,2 мм.
В качестве преобразователя напряжения можно использовать любые подходящие по размеру DC/DC модули с входным напряжением 5В, выходным 5..9В, в том числе и от старых компьютерных сетевых адаптеров, предназначенных для сетей на коаксиальном кабеле (BNC).
Дроссели L1 и L2 в SMD исполнении. Разъем XS1 - типа USB-B для печатного монтажа, коаксиальный разъем XW1 - типа СР-50. Соединение осциллографа с компьютером производится стандартным кабелем USB.
Устройство может быть смонтировано в корпусе от телефонной розетки RJ-11.
Для повышения удобства работы с осциллографом рекомендуется использовать осциллографический щуп со встроенным делителем напряжения и переключателем диапазонов, например PROBE60S, HP-9060 или аналогичный.
Устройство не нуждается в налаживании, требуется лишь программная установка нуля. Настройка производится путем изменения соответствующего значения в окне настройки при замкнутом входе осциллографа по визуальному отсутствию смещения "луча" относительно нулевой отметки.
Малая верхняя граница частотного диапазона входного сигнала связана с последовательным интерфейсом АЦП и программным формированием всех управляющих сигналов, что однако, позволяет сделать устройство простым и компактным.
В качестве доработки устройства можно предложить переключатель входных делителей на электромагнитных реле, управляемых через усилители свободными выводами микросхемы DD1.
При использовании осциллографа следует помнить, что вход осциллографа не имеет гальванической развязки с компьютером. Перед началом измерений необходимо убедиться в том, что цепь, в которой производятся измерения, гальванически отделена от питающей сети с помощью трансформатора.

Литература

1. FT232BM USB UART. Datasheet. - http://www.ftdichip.com

2. AD7495 1MSPS, 12-Bit ADC. Datasheet. - http://www.analog.com

3. FT232BM /FT245BM BIT BANG MODE. Application Note. - http://www.ftdichip.com

4. D2XX Programmer's Guide. - http://www.ftdichip.com

5. OP777/OP727/OP747 Precision Micropower Single-Supply Operational Amplifiers. Datasheet. - http://www.analog.com

	Скачать uscope.zip
	Программа осциллографа