|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Разработка функциональной схемы
Приведём структурную схему устройства, рисунок 2.1.
Рисунок 2.1 – Структурная схема портативного осциллографа
Согласно структурной схемы, приведённой на рисунке 2.1. Микроконтроллер, предназначен для обработки данных, вывода информации на персональный компьютер по протоколу USB. АЦП. Предназначен для преобразования аналогового сигнала в цифровой для дальнейшего использования микроконтроллером. Блок организации приёма по USB, предназначен для преобразования формата данных микроконтроллера в формат протокола USB. Входной блок, предназначенный для подключения исследуемого сигнала к преобразовательному тракту осциллографа. Блок управления работой, представляющий из себя кнопку включения/выключения анализа сигнала. Тактовый генератор, предназначенный для работы микроконтроллера. Часы реального времени предназначены для получения временных меток измерения. Светодиодный индикатор. Предназначен для обозначения работоспособности устройства. Блок автоматической настройки предела. Предназначен для автоматического масштабирования входного сигнала до приемлемого уровня. Согласно структурной схеме устройства разработана функциональная схема, приведенная на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 – Функциональная схема портативного осциллографа
Входной блок представляет собой устройство сопряжения на операционном усилителе. В цепь обратной связи усилителя включён блок автоматической настройки предела, который регулирует сопротивление обратной связи усилителя, а, следовательно, и усиление измеряемого сигнала. В качестве тактового генератора применяется кварцевый резонатор на максимальной частоте 20МГц. Для получения напряжения +5В применяется понижающая схема стабилизации.
Выбор элементной базы
Для управления устройством выбираем недорогой и простой микроконтроллер PIC 16 F 877. На рисунке 2.3 приведена схема расположения выводов микроконтроллера, на рисунке 2.4 – структурная блок-схема мимкроконтроллера. Его основные технические характеристики: - все инструкции исполняются за один такт, кроме инструкций перехода, выполняемых за два такта; - скорость работы: тактовая частота до 20 МГц, минимальная длительность такта 200 нс; - FLASH память программ до 8Kб x 14 слов; - память данных (ОЗУ) до 368 x 8 байт; - ЭСППЗУ память данных до 256 x 8 байт; - совместимость распиновки с PIC16C73/74/76/77; - механизм прерываний (до 14 внутренних/внешних источников прерываний); - восьмиуровневый аппаратный стек; - прямой, косвенный и относительный режимы адресации; - сброс при включении питания (POR); - таймер включения (PWRT) и таймер запуска генератора (OSC); -сторожевой таймер (WDT) с собственным встроенным RC-генератором для повышения надежности работы; - программируемая защита кода; - режим экономии энергии (SLEEP); - выбираемые режимы тактового генератора; - экономичная, высокоскоростная технология КМОП FLASH/ЭСППЗУ; - полностью статическая архитектура; -программирование на плате через последовательный порт с использованием двух выводов; -для программирования требуется только единственный источник питания 5В; - отладка на плате с использованием двух выводов; - доступ процессора на чтение/запись памяти программ; - широкий диапазон рабочих напряжений питания: от 2,0В до 5,5В; - сильноточные линии ввода/вывода: 25 мА; - коммерческий и промышленный температурные диапазоны; - низкое потребление энергии: < 2 мА при 5 В, 4 МГц; 20 мкА (типичное значение) при 3 В, 32 кГц; < 1 мкА (типичное значение) в режиме STANDBY; Периферия: - t imer0: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным предварительным делителем; - t imer1: 16-разрядный таймер/счетчик с предварительным делителем, может вести счет во время спящего режима от внешнего генератора; - t imer2: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным регистром периода, предварительным и выходным делителем; - 2 модуля захвата, сравнения, ШИМ: захват 16-ти разрядов, максимальное разрешение 12,5 нс; сравнение 16-ти разрядов, максимальное разрешение 200 нс; - ШИМ с максимальным разрешением 10 разрядов; - 10-битный многоканальный аналого-цифровой преобразователь; - синхронный последовательный порт (SSP) с интерфейсами SPI (с Master-режимом) и I2C (с режимами Master/Slave); -универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик (USART/SCI) с обнаружением 9-разрядного адреса; - встроенный генератор опорного напряжения; -параллельный 8-битный Slave-порт (PSP) со внешними сигналами управления RD, WR и CS (только в 40/44-выводных корпусах); -программируемая схема сброса при падении напряжения питания (BOR)[4]. Семейство микроконтроллеров РIС16 приспособлено для применения в удаленных устройствах защиты и датчиках, для приборов управления и автомобилей. Технология программируемого ПЗУ делает настройку прикладных программ быстрой и чрезвычайно удобной. Малогабаритные корпуса микросхем делают это семейство микроконтроллеров совершенными для всех приложений без ограничений. Низкая цена, малая потребляемая мощность, высокая эффективность, удобство при использовании и гибкость I/O делает РIС16 универсальным даже в областях, где использование микроконтроллеров прежде не рассматривалось (например, функции таймера, последовательная связь, сбор и сравнение данных, функции ШИМ и приложения с сопроцессором). PIC16 - семейство дешевых, высокоэффективных, 8-разрядных мик-роконтроллеров со встроенным аналого-цифровым (analog-to-digital) преобра-зователем. Среди микроконтроллеров PIC16CXX данное семейство занимает среднее положение. Все микроконтроллеры РIС16\17 используют RISC структуру процес-сорного ядра. Семейство микроконтроллеров PIC16 имеет расширенные возможности ядра, стек глубиной восемь уровней и множество внутренних и внешних прерываний. Гарвардская архитектура с отдельными шинами команд и данных позволяет одновременно передавать 14-разрядные команды и 8-разрялныс данные. Двухкомандный конвейер позволяет выполнять все команды за один машинный цикл кроме команд ветвления программы, которые выполняются за два цикла. Микроконтроллеры имеют уменьшенную систему команд (всего 35 команд). Высокая эффективность достигается использованием новшеств архитектуры и большого набора дополнительных регистров.
Рисунок 2.3 – Расположение выводов микроконтроллера PIC 16 F 877[4]
Рисунок 2.4 – Структурная схема микроконтроллера PIC 16 F 877[4]
Микроконтроллеры семейства PIC16 по сравнению с другими 8-разрядными микроконтроллерами такого же класса позволяют уменьшить программу 2:1 и увеличить быстродействие 4:1 и идеально подходит для дешевых приложений, требующих аналоговый интерфейс. Микроконтроллеры имеют память данных (RAM) размером от 36 ло 368 байт, память программ от 512 до 8192 слова и от 13 до 33 контактов ввода - вывода (ГО). Кроме того, микроконтроллеры содержат различные, наборы периферийных устройств, таких как: 8- и 16-разрядные таймеры, быстродействующий аналого-цифровой преобразователь с 8-, 10- или 12-разрядным разрешением и мультиплексированными входными каналами, модули сравнения накопления и широтно-имнульсной модуляции (Carrtiire/Compare/PWM), синхронный последовательный порт, который может функционировать как трехпроводной последовательный периферийный интерфейс (SPI) или двухпроводная шина, универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик (USART).
Таблица 2.1 – Назначение выводов PIC 16 F 877[4]
Как уже было описано в пункте 2.1, в качестве преобразователя аналогового сигнала применяется внешняя микросхема АЦП, что расширяет частотный диапазон измеряемого сигнала. Выбираем аналого-цифровой преобразователь ADC10461 [5].
Рисунок 2.5 – Структурная схема ADC10461 [5]
Параметры микросхемы: - разрешение, 10 бит; - напряжение питания, +5В; - время преобразования, 600…900нс; - максимальная рассеиваемая мощность, 235мВт.
Рисунок 2.6 – Расположение выводов микросхемы ADC10461 [5] Назначение выводов: DVCC – напряжение питания, цифровое; AVCC – напряжение питания, аналоговое; GND – общий; VREF-, VREF+ – опорное напряжение; DB0-DB9 – цифровые выходы; INT – вывод прерывания по окончанию преобразования; CS – выбор чипа; RD – разрешение вывода данных; S / H – запуск преобразования. Для связи с внешними устройствами по USB применяем микросхему FT 232 RL [6]. На рисунке 2.7 приведена схема расположения выводов микросхемы.
Рисунок 2.7 – Микросхема FT232RL [6]
Назначение выводов: - TXD , RXD – выводы модуля USART микросхемы; - Usbdm , Usbdp – выводы USB микросхемы; - DVcc , GND – питание микросхемы; - Vccio – уровень напряжения USART; - 3 V 3 out – внутренний стабилизатор напряжения 3,3В. Параметры микросхемы: - напряжение питания +3,3…5В; - поддержка USART +1,8…5B. В качестве часов реального времени DD 2 применим цифровую микросхему DS1307. Данная микросхема требует минимальное количество внешних компонентов (рисунок 2.8), напряжение питания может варьировать от 4.5В до 5.5В, имеется возможность энергонезависимой работы (от батареи питания +3В). На рисунке 2.8 приведено расположение выводов DS1307[7].
Рисунок 2.8 – Типовая схема подключения DS1307 к микроконтроллеру [7]
Рисунок 2.9 – Расположение выводов DS1307 [7]
Назначение выводов: SCL – вход синхронизации; SDA – информационный вход; SQW / OUT – вывод генератора импульсов; VCC – питания +5В; Х1, Х2 – подключение кварцевого резонатора; GND – общий. Адрес устройства 0х0000. Выбираем ZQ 1 - HC -49 S- 32768Гц. В качестве батареи питания +3В выбираем литиевый элемент питания CR 3V. Для получения напряжения питания +5В, применяем линейный стабилизатор DA2 - КР1181ЕН5. На рисунке 2.10 приведена типовая схема включения стабилизатора. В таблице 2.2 приведены технические характеристики.
Рисунок 2.10 – Принципиальная схема включения КР1181ЕН5 [8]
Таблица 2.2 – Параметры микросхем [8]
Рассмотрим входной блок осциллографа, схема которого представлена на рисунке 2.11.
Рисунок 2.11 – Схема входного блока
Блок собран на операционном усилителе DA1, в цепи обратной связи которого включён цифровой управляемый резистор DD1. Компаратор DA3 предназначен для контроля выхода сигнала за рамки напряжения +5В. Таким образом, делитель напряжения R3-R4 настроен на напряжение 4,9-4,95В. Как только напряжение на прямом входе компаратора превышает предел, компаратор вырабатывает импульс, который распознаёт микроконтроллер. Микроконтроллер уменьшает коэффициент усиления измеряемого сигнала, то есть сам сигнал. При этом микроконтроллеру известен коэффициент, на значение которого умножается результат измерения. Выбираем операционный усилитель AD8051[9]. На рисунке 2.12 представлена схема расположения выводов микросхемы.
Рисунок 2.12 – Схема расположения выводов микросхемы AD8051[9] Основные параметры микросхемы: - напряжение питания, ±3,3В, ±5В, +3,3В, +5В; - предельная частота работы 110МГц. Принимаем сопротивление резистора R1, равное 10кОм. Резистор R2 предназначен для задания минимального коэффициента усиления, принимаем сопротивление номиналом 2кОм, то есть коэффициент усиления при этом составит 0,2. Применяем сверхбыстрый компаратор LT1016. На рисунке 2.13 приведена цоколевка LT1016[10].
Рисунок 2.13 – Цоколевка LT1016[10]
Назначения выводов: 1. +Vs – напряжение питания, положительный вывод 2. +IN – прямой вход компаратора 3. –IN – инверсный вход компаратора 4. –Vs – напряжение питания, отрицательный вывод 5. LATCH – вывод защёлки. При высоком уровне напряжения (логическая «1») напряжение на выходе не изменяется (сохраняется) 6. GND – общий 7. QOUT – прямой выход 8. ~QOUT – инверсный выход Параметры микросхемы: - напряжение питания, однополярное +5В, двухполярное ±5В (макс); - уровни выходного сигнала: логический «0» - 0,3В; логическая «1» - 4,6В; - Задержка сигнала 10нс. Микросхема DS1805-100[11] представляет собой резистор, управляемый цифровым кодом. Его сопротивление изменяется 256 шагами по линейной шкале. В состав микросхемы входит последовательный интерфейс I2С, через который можно производить установку сопротивлений резистора. На рисунке 2.14 показана внутренняя структура микросхемы DS1805. Напряжение питания микросхемы от 2,7 до 5,5В. Параметры микросхемы: - напряжение питания 2,7…5,5В; - максимальное значение сопротивления DDRmax =100кОм; - минимальное значение напряжения DDRmin=390,625Ом; - количество ступеней 256 (390,625Ом на ступень).
Рисунок 2.14 – Структурная схема DS1805[11]
Рисунок 2.15 – Цоколевка DS1805[11]
Назначение выводов: A0-А2 – адрес микросхемы SDA – линия данных I2C SCL – синхролиния I2C Vcc – питание GND – общий H1 – выход резистора L1 – выход резистора W1 – внешняя счётка
О писание работы схемы
На чертеже представлена принципиальная электрическая схема портативного цифрового осциллографа. Рассмотрим работу устройства. Микроконтроллер DD4 является центральным звеном всего устройства, он обрабатывает данные от внешнего АЦП, управляет цифровым резистором DD1 и передаёт данные по протоколу USB. В целом, микроконтроллер DD4 принимает цифровые данные по параллельным линиям RD0-RD7, RC4-RC5 и передаёт данные по линии USART / USB при помощи микросхемы DD5 на персональный компьютер в формате: - 1 байт: биты 0-7 данных; - 2 байт: биты 8-9 данных + коэффициент усиления. Кроме того, каждую секунду передаётся метка реального времени. Микроконтроллер управляет осциллографом, работая в одном из двух режимов: - автоматический; - ручной. Рассмотрим оба режима работы устройства. Автоматический режим работы заключается в определении предела уровня сигнала. Сигнал поступает на усилительный каскад, собранный на DA1. В цепи обратной связи операционного усилителя последовательно включены резистор R2 и цифровой резистор DD1. С выхода DA1 сигнал поступает на АЦП DD3 и компаратор DA3. На втором выходе компаратора сформировано опорное напряжение 4,9В. Если сигнал на прямом входе компаратора превышает пороговое напряжение, на выходе компаратора DA3 формируется импульс, который поступает на вход RA2 DD4. Микроконтроллер уменьшает сопротивление DD1 до тех пор, пока импульса на выходе компаратора не будет. Все превышения порога микроконтроллер будет маркировать значением 0х03FF, то есть максимальным значением. В ручном режиме работы, микроконтроллер получает сообщение от персонального компьютера по USB интерфейсу с указанием конкретного уровня. Микроконтроллер DD4 по команде устанавливает значение сопротивления цифрового резистора DD1, формируя тем самым коэффициент усиления каскада на DA1. Микроконтроллер DD4 также может получить команду установки времени. Микросхемы DD1, DD2 подключены к микроконтроллеру по линии I 2 C. Для создания сети необходимо установить разные адреса устройств. Так как адрес микросхемы DD2 равен 0х00, адрес DD1 установлен как 0х01. Микроконтроллер DD4 работает от внешнего кварцевого резонатора ZQ2, 20МГц. Светодиодный индикатор VD1 сигнализирует о работоспособности устройства. Кнопка SB1 запускает и останавливает измерение сигнала. Микросхема АЦП DD3 управляется микроконтроллером по четырём линиям: - INT – линия прерывания по окончанию преобразования; - S / H – начало нового преобразования; - RD – разрешения выходных данных; - CS – выбор чипа. Электропитание схемы +5В формируется стабилизатором DA2. При отсутствии внешнего адаптера, устройство может работать от USB.
|
Последнее изменение этой страницы: 2019-04-01; Просмотров: 357; Нарушение авторского права страницы
