Измерительная техника
Нашли ошибку? Сообщите нам ...Комментировать: USB-регистратор напряжения с функциями осциллографа, анализатора спектра и измерителя АЧХ (Часть 1)Распечатать: USB-регистратор напряжения с функциями осциллографа, анализатора спектра и измерителя АЧХ (Часть 1)

USB-регистратор напряжения с функциями осциллографа, анализатора спектра и измерителя АЧХ (Часть 1)



Аппаратная часть этого регистратора - АЦП, оснащённый скоростным каналом связи с компьютером по шине USB, реализованным с помощью программируемой логической микросхемы (ПЛИС). А разработанная автором компьютерная программа позволяет не только записать оцифрованный сигнал в файл, но и отобразить его осциллограмму, спектр и даже измерить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) фильтра или другого линейного устройства, на вход которого подан испытательный сигнал от встроенного в регистратор генератора.

В рассматриваемом регистраторе отсчёты исследуемого сигнала, которые АЦП берёт с частотой 960 кГц, поступают на вход ПЛИС, выполняющей преобразование параллельного кода АЦП в последовательный. В каждую группу из пяти передаваемых далее в преобразователь UART-USB восьмиразрядных байтов ПЛИС помещает четыре десятиразрядных кода АЦП. Далее информация передаётся по uSb в компьютер для обработки и хранения. Протокол связи с компьютером и другие функции в регистраторе реализованы с помощью микроконтроллера. Программируются ПЛИС и микроконтроллер через тот же преобразователь UART-USB, что используется для передачи информации.

Для работы с регистратором разработана в среде LabVIEW программа, реализующая приём информации, её отображение и хранение. Кроме того, в ней реализован алгоритм снятия АЧХ подключённой к регистратору внешней цепи на частотах от 0,1 Гц до 480 кГц. Отличительная особенность этого алгоритма - для оценки амплитудно-частотной характеристики исследуемой цепи используются гармоники частоты повторения прямоугольных импульсов, генерируемых микроконтроллером регистратора.

Поставленная задача разработать устройство для непрерывной передачи в компьютер в реальном масштабе времени отсчётов мгновенного значения напряжения в интервале от 15 до +15 В с частотой дискретизации 960 кГц и разрешением десять двоичных разрядов, в принципе, могла быть решена без ПЛИС с помощью АЦП и микроконтроллера со встроенным портом USB, работающим в режиме виртуального COM-порта. Однако скорость передачи информации при этом получилась бы недостаточно высокой. При использовании совместно с АЦП и микроконтроллером микросхемы преобразователя интерфейса UART-USB FT2232H, обеспечивающего передачу информации со скоростью 12 Мбит/с, возникает проблема поиска микроконтроллера, UART которого способен работать с такой скоростью. В итоге был выбран способ, отличающийся от предыдущего использованием ПЛИС, которая читает информацию, формируемую АЦП в параллельном коде, и преобразовывает её в последовательный формат, свойственный UART.

В устройстве использован десятиразрядный АЦП ADC10030 с параллельным выходом и максимальной частотой дискретизации 30 МГц. Результаты его работы принимает и обрабатывает ПЛИС EPM3064ALC44-10N, содержащая 64 программируемые логические макроячейки и 44 линии ввода-вывода.

Каждый отсчёт входного сигнала, формируемый АЦП, представляет собой десятиразрядный двоичный код, а преобразователь UART-USB FT2232H принимает информацию восьмиразрядными байтами. По этой причине в ПЛИС реализовано устройство, упаковывающее каждые четыре отсчёта в пять байтов. Далее оно снабжает каждый байт стартовым и стоповым разрядами и передаёт их последовательным кодом со скоростью 12 МБод в микросхему FT2232H для передачи в компьютер по интерфейсу USB.

Схема регистратора изображена на рис. 1. Он питается постоянным напряжением 7...9 В, поступающим с разъёма XP3 на интегральный стабилизатор DA6 7805, а с него при съёмной перемычке S4 в положении 1-2 - на стабилизатор напряжения 3,3 В LM1117-3.3 (DA7). Для удобства работы с прибором во время отладки предусмотрена возможность питать его от порта USB. Для этого съёмную перемычку S4 следует переставить в положение 2-3. Однако при штатной работе такое питание неприемлемо, поскольку напряжение, снимаемое с порта USB, зачастую заметно отличается от 5 В, что приводит к изменению масштаба преобразования исследуемого сигнала в АЦП.

Схема регистратора

Рис. 1. Схема регистратора

Генератор тактовой частоты 24 МГц для АЦП и ПЛИС построен на элементах микросхемы DD2 74HC04D и стабилизирован кварцевым резонатором ZQ2.

Для реализации протокола связи с компьютером, формирования дискретных сигналов и генерирования прямоугольных импульсов в регистратор введён микроконтроллер DD1 ATMega8A, работающий с тактовой частотой 16 МГц, заданной кварцевым резонатором ZQ1. Обмен информацией между компьютером и микроконтроллером происходит тоже с помощью микросхемы FT2232H (DD4), но по другому каналу. Для связи с ПЛИС и с микроконтроллером в опера-ционной системе работающего с регистратором компьютера должны быть организованы два виртуальных COM-порта.

Исследуемый сигнал подают через разъём XP1 на вход ступени на ОУ DA2 AD825ARZ, которая является инвертирующим ослабителем сигнала в 15 раз. Нулевой уровень на выходе ОУ DA2 можно смещать с помощью подстроеч-ного резистора R1. Таким образом выполняется приведение исследуемого сигнала к допустимому интервалу изменения входного напряжения АЦП.

ОУ DA2 питается напряжением +/-15 В, которое формирует из +5 В преобразователь постоянного однополярного напряжения в двухполярное AM1D-0515DH30Z (U1). Резисторы R19 и R20 - минимальная нагрузка преобразователя, необходимая для его пра-вильной работы. Переставив съёмные перемычки S1 и S2 из положения 2-3 в положение 1 -2, можно перейти на питание микросхемы DA2 внешним напряжением +/- 15 В, поданным на разъём XP4. При желании можно питать от преобразователя U1 внешние устройства с потребляемым током не более 35 мА.

Образцовые напряжения для АЦП DA5 формируют ОУ DA3.1 и DA3.2 по схеме, рекомендованной в описании АЦП. Параллельный код с выходов АЦП поступает на ПЛИС DD3, где выполняется его преобразование в последовательный код UART. Далее он поступает на микросхему DD4 FT2232H.

Разъём XP2 предназначен для управления внешними устройствами сигналами логического уровня 3,3 В по восьми каналам, кроме того, на этот разъём выведены постоянное напряжение 3,3 В и общий провод для возможности питания внешних устройств. Разъёмы XP5 и XP6 предназначены для программирования подключаемых к ним устройств с напряжением питания 3,3 В.

На разъём XP7 выведены напряжения 3,3 В, 5 В и общий провод для питания внешних устройств, импульсный сигнал частотой 24 МГц (тактовая частота АЦП и ПЛИС). Контакт 4 этого разъёма соединён с не используемым в описываемой версии прибора выводом 14 ПЛИС DD3.

К разъёму XP8 подключают светодиоды, сигнализирующие о режиме работы преобразователя:

HL1 - наличие напряжения питания;

HL2 - передача информации из микроконтроллера в компьютер;

HL3 - передача информации из компьютера в микроконтроллер;

HL4 - передача информации из ПЛИС в компьютер;

HL5 - передача информации из компьютера в ПЛИС;

HL6 - включён генератор прямоугольных импульсов;

HL7 - передача информации из ПЛИС разрешена микроконтроллером;

HL8 - ПЛИС передаёт информацию.

Чертёж проводников печатной платы показан на рис. 2 (сторона 1) и рис. 3 (сторона 2). Расположение элементов на этих сторонах платы - соответственно на рис. 4 и рис. 5. На плате предусмотрены места для не показанных на схеме элементов, из которых можно собрать П-образный входной аттенюатор или фильтр между разъёмом XP1 и резистором R4 и Г-образный фильтр между выходом ОУ DA2 и входом АЦП DA5. Для прохождения сигнала в отсутствие аттенюатора и фильтра вместо их последовательных элементов установлены перемычки для поверхностного монтажа. Ещё две перемычки заменяют резисторы, включаемые последовательно с резисторами R5 и R8 при необходимости точной подборки образцового напряжения АЦП.

Чертёж проводников печатной платы

Рис. 2. Чертёж проводников печатной платы

Чертёж проводников печатной платы

Рис. 3. Чертёж проводников печатной платы

Расположение элементов

Рис. 4. Расположение элементов

Расположение элементов

Рис. 5. Расположение элементов

Для ПЛИС DD3 в корпусе PLCC-44 на плате должна быть установлена панель. Интегральный стабилизатор DA6 закреплён на ребристом теплоотводе размерами 22x20x15 мм.

Продолжение следует...

Автор: В. Чайковский, г. Пенза


Дата публикации: 13.11.2014

Мнения читателей
  • Виталий Чайковский / 12.06.2016 - 23:40
    Здравствуйте! Данная статья была опубликована в журнале «Радио» 10-2014 и 11-2014. Схема и программы разработаны мною. Если есть какие-то вопросы, то пишите мне на e-mail, указанный в программе USB-960.exe или на форуме журнала «Радио».
  • Александр / 09.06.2016 - 17:33
    Добрый день! Не подскажите как можно связаться с автором данного проекта? Собрал плату, запрограммировал ПЛИС и микроконтроллер, установил программу,аппарат не работает. Не пойму где ошибки в программе или плате. Нужен совет.Мой электронный адрес orlov.71@mail.ru
  • Тимофей / 30.03.2016 - 18:11
    Здравствуйте Администратор, в скаченном архиве есть несколько папок "SinagProg,Программа LV, Программа MK, Проект Плис" подскажите пожалуйста, как открыть файлы в папке "программа МК", какое программное обеспечение использовать для открытия? Спасибо!
  • Андрей / 17.03.2016 - 12:00
    Здравствуйте, уникальность схемы зашкаливает, а где автор нашел эту схему? Из какого источника? С уважением Андрей
  • Василий / 13.03.2016 - 18:27
    А автор позаимствовал принципиальную схему для данного изделия? Или создал ее?
  • Азизбек / 10.12.2015 - 19:19
    Извините, у вас случайно нету той же схемы, только спроектированная в САПРе Altium Desinger? Если есть скиньте пожалуйста на почтовый ящик azizbek.umarov.2014@gmail.com
  • Азизбек / 24.11.2015 - 14:28
    Доброго времени суток, администратор скиньте пожалуйста этот архив ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/11/usb-reg.zip, на почтовый ящик azizbek.umarov.2014@gmail.com, буду очень признателен.
  • Александр / 19.04.2015 - 10:24
    В разных браузерах пробовал скачать архив ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/11/usb-reg.zip безрезультатно, что делать? Если не трудно скиньте на orlov.71@mail.ru Спасибо!
  • admin / 19.04.2015 - 08:07
    Проверил, вроде скачивается архив.
  • Александр / 19.04.2015 - 07:41
    Добрый день! Почему ссылка по скачиванию информации во второй части не работает.
  • admin / 22.01.2015 - 06:58
    Файл печатной платы в формате Sprint Layout 5.0 и программы для ПЛИС, микроконтроллера и компьютера можете скачать по ссылке внизу второй части этой статьи.
  • Андрей / 21.01.2015 - 21:38
    Здравствуйте В.Чайковский (извините не знаю Вашего имени) , отличное устройство - судя по описанию , мне бы очень не помешало бы в моей мастерской . Если у вас имеются в наличии печатные платы готов приобрести , ещё бы не помешали бы прошитые ПЛИС и контроллер . С Уважением , Андрей . motor242@list.ru

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:








 



RadioRadar.net - datasheet, service manuals, схемы, электроника, компоненты, semiconductor,САПР, CAD, electronics