Портативний високочастотний осцилограф з автоматичним живленням

Апанащенко, Євгеній Романович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6380

Title:	Портативний високочастотний осцилограф з автоматичним живленням
Authors:	Чичужко, Марина Володимирівна Апанащенко, Євгеній Романович
Issue Date:	Jun-2024
Abstract:	Кваліфікаційна робота бакалавра складається із вступу, трьох розділів, висновків та списку використаних джерел. В даній кваліфікаційній роботі бакалавра було проаналізовано види портативних високочастотних осцилографів та розроблено високочастотний осцилограф з автоматичним живленням – з 2-ма аналоговими та 2-ма цифровими входами. Електрична принципова схема приладу для забезпечення високих частотних характеристик була реалізована на 32-розрядному FLASH-мікроконтролері STM32F103VCT6, швидкісному 2-канальному аналого-цифровому перетворювачі AD9288-40 та програмованій користувачем вентильній матриці iCE65L04F.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6380
Appears in Collections:	174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані системи та компоненти)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Б_174_2024_Апанащенко.pdf Restricted Access		2.23 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ
КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
освітнього ступеня «бакалавр»
на тему: ПОРТАТИВНИЙ ВИСОКОЧАСТОТНИЙ ОСЦИЛОГРАФ З
АВТОНОМНИМ ЖИВЛЕННЯМ

Виконав: здобувач вищої освіти 2 курсу,
групи АКІТС-2299
спеціальності 151 Автоматизація та
комп’ютерно-інтегровані технології
Євгеній АПАНАЩЕНКО
(ім'я та ПРІЗВИЩЕ)
Керівник Марина ЧИЧУЖКО
(ім'я та ПРІЗВИЩЕ)
Рецензент Людмила ПОНОМАР
(ім'я та ПРІЗВИЩЕ)

Черкаси 2024 року

ЗМІСТ

СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ .......................................... 3
ВСТУП .......................................................................................................................... 4
1 ІНФОРМАЦІЙНИЙ ПОШУК ТА АНАЛІЗ АНАЛОГІЧНИХ ПРИСТРОЇВ .... 7
1.1. ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ ЦИФРОВИХ ОСЦИЛОГРАФІВ .......................................... 7
1.2. ПРОМИСЛОВІ ПОРТАТИВНІ ЦИФРОВІ ОСЦИЛОГРАФИ ....................................... 8
1.3. АМАТОРСЬКІ ЦИФРОВІ ОСЦИЛОГРАФИ .......................................................... 13
2 ВИБІР ТА ОБҐРУНТУВАННЯ СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ ................................. 19
2.1. ОБҐРУНТУВАННЯ ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ ..................................................... 19
2.2. РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ .................................................................... 20
3 РОЗРОБКА ТА РОЗРАХУНОК ПРИНЦИПОВОЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ СХЕМИ .. 25
3.1. ВИБІР МІКРОКОНТРОЛЕРА .............................................................................. 25
3.2. ВИБІР АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА ............................................ 27
3.3. ВИБІР ПРОГРАМОВАНОЇ ВЕНТИЛЬНОЇ МАТРИЦІ .............................................. 29
3.4. ПІДКЛЮЧЕННЯ МІКРОКОНТРОЛЕРА ДО АЦП І ВЕНТИЛЬНОЇ МАТРИЦІ ........... 31
3.5. РОЗРАХУНОК ПАНЕЛІ КЕРУВАННЯ, FLASH-ПАМ’ЯТІ ТА ПОРТУ USB ........... 34
3.6. ВИБІР ТА ПІДКЛЮЧЕННЯ ДИСПЛЕЯ ................................................................ 35
3.7. РОЗРАХУНОК ЗВУКОВОГО ІНДИКАТОРА ТА ПІДСИЛЮВАЧА ГЕНЕРАТОРА ......... 37
3.8. РОЗРАХУНОК АТЕНЮАТОРІВ ТА ПІДСИЛЮВАЧІВ КАНАЛІВ .............................. 38
3.9. РОЗРАХУНОК СТАБІЛІЗАТОРІВ НАПРУГИ ........................................................ 46
3.10. РОЗРАХУНОК ПЕРЕТВОРЮВАЧА НАПРУГИ .................................................... 48
3.11. РОЗРАХУНОК ВУЗЛА ЗАРЯДКИ АКУМУЛЯТОРА .............................................. 49
3.12. СКЛАДАННЯ ТА НАЛАШТОВУВАННЯ ПРИСТРОЮ ......................................... 51
3.13. РОЗРАХУНОК НАДІЙНОСТІ ПРИСТРОЮ ......................................................... 54
ВИСНОВОК ............................................................................................................... 58
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ .................................................................. 60

ЧДТУ.242256.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Апанащенко Портативний Літ. Лист. Листів
Перевір. Чичужко високочастотний осцилограф 2
Реценз. з автоматичним живленням
Н. Контр. Пояснювальна записка ЧДТУ, АКІТС-2299
Затверд. Лукашенко В.М.

СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ

РЕА –радіоелектронна апаратура
USB - Universal Serial Bus
CASIA – Chinese Academy of Sciences
CER – Crossover error rate
DPI – Dots Per Inch
FAR – False Acceptance Rate
FRR – False Rejection Rate
FTE – Failure enroll rate
IAFIS – Integrated Automated Fingerprint Identification System
АС – Автоматизована система
БД – База даних
ПЗ – Програмне забезпечення

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
3
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ВСТУП

Осцилограф є одним з найбільш необхідних та розповсюджених
вимірювальних приладів. Він призначений для дослідження електричних
сигналів в часовій області шляхом візуального спостереження графіка сигналу
на екрані. Крім того, з його допомогою вимірюють амплітудні та часові
параметри вхідного сигналу, контролюють його викривлення, вплив завад
тощо. В наш час неможливо уявити жодну радіотехнічну лабораторію або
майстерню з ремонту радіоелектронної апаратури (РЕА) без такого
незамінного приладу як осцилограф.
Завдяки своїй універсальності та точності, осцилографи залишаються
незамінним інструментом у багатьох галузях науки, техніки та виробництва.
Вони застосовуються у багатьох сферах через свою здатність точно
вимірювати і візуалізувати змінні електричні сигнали.
З кожним роком підвищується складність будь-якої радіоапаратури через
широке впровадження спеціалізованих мікроконтролерів та мініатюризації
радіокомпонентів. Це зумовлює потребу кожному майстру з ремонту РЕА, що
працює за межами лабораторії, мати при собі малогабаритний
багатофункціональний осцилограф з батарейним живленням.
Розвиток портативних осцилографів починався з використання в
аналогових приладах малогабаритних осцилографічних електронно-
променевих трубок. Потім, з розвитком технологій мікропроцесорної техніки
та графічних рідкокристалічних дисплеїв, з’явились більш компактні прилади,
проте їх частотні та функціональні характеристики були незадовільними.
Насамперед, це було через незадовільну продуктивність мікроконтролерів тих
часів, застосування застарілих технологій рідкокристалічних дисплеїв з
низькою роздільною здатністю та частотою оновлення зображення, повільних
аналого-цифрових перетворювачів з низькою частотою дискретизації та
розрядністю.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
4
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Сучасна радіоелектронна промисловість пропонує широкий спектр
більш досконалих компонентів – швидкодіючих мікроконтролерів та аналого-
цифрових перетворювачів, графічних дисплеїв з високою роздільною
здатністю, інструментальних вхідних підсилювачів. Це дозволяє розробити
малогабаритний осцилограф з високими технічними характеристиками,
зручний у використанні завдяки таким додатковим функціям, як автоматичний
розрахунок амплітудно-частотних параметрів сигналу, зберігання осцилограм
в пам’яті приладу та ін. [1].
Мета даної кваліфікаційної роботи бакалавра проаналізувати види
портативних високочастотних осцилографів та розробити 4-канальний
високочастотний осцилограф з автоматичним живленням – з 2-ма
аналоговими та 2-ма цифровими входами, кольоровим дисплеєм та
інтерфейсом USB для підключення до персонального комп’ютера.
Застосування в спроектованому приладі кольорового дисплея
виправдано тим, що при одночасному дослідженні чотирьох вхідних сигналів
візуальне сприйняття буде кращим, якщо осцилограму кожного з них буде
зображено своїм кольором. Крім того, на екран виводиться нульова вісь,
координатна сітка та мітки, а при необхідності ще й деякі розрахунки
досліджуваного сигналу – амплітуда, частота тощо.
Наявність інтерфейсу USB дозволяє передавати відзняті осцилограми до
персонального комп’ютера. Це може бути необхідно для їх тривалого
зберігання та подальшої цифрової обробки. В останні роки інтерфейс USB став
обов’язковим атрибутом сучасного цифрового осцилографа.
Однією з додаткових функцій осцилографа є генератор довільної форми,
який може використовуватись як самостійний прилад для формування
потрібних електричних сигналів.
Для реалізації функціональних можливостей вимірювального приладу
(швидкісного й точного оцифровування вхідних високочастотних сигналів та
виведення результатів на кольоровий дисплей) в якості основних елементів
схеми осцилографа використано високопродуктивний 32-розрядний
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
5
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

мікроконтролер та швидкісний аналого-цифровий перетворювач.
Застосування сучасних радіоелектронних компонентів та виробничих
технологій дозволяє розробити прилад з такими технічними параметрами, які
відповідають сьогоднішній потребі потенційних споживачів.

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
6
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1 ІНФОРМАЦІЙНИЙ ПОШУК ТА АНАЛІЗ АНАЛОГІЧНИХ
ПРИСТРОЇВ

1.1. Основні параметри цифрових осцилографів
Одним з головних показників осциллографа є кількість каналів (або
променів у випадку класичних приладів на базі електронно-променевої
трубки). Це визначає максимальну кількість вхідних сигналів, яку можна
одночасно спостерігати на екрані осцилографа [2].
За способом обробки вхідних сигналів осцилографи поділяють на
аналогові та цифрові. В свою чергу серед цифрових приладів виділяють
запам’ятовувальні, стробоскопічні та люмінофорні.
Найбільш розповсюджені в наш час цифрові запам’ятовувальні
осцилографи мають значні переваги завдяки принципу своєї роботи. Вхідні
сигнали після проходження через керований атенюатор надходять до аналого-
цифрового перетворювача, який зберігає отримані дані в своїй FLASH-пам’яті.
Всі наступні операції з досліджуваним сигналом відбуваються вже не в
реальному часі, робота з цифровими даними дозволяє попередньо
оброблювати їх. Наприклад, однократно зафіксовану вибірку вхідного сигналу
можливо розглядати в різних масштабах, додати необхідні мітки. Тому як для
періодичних, так і неперіодичних вхідних сигналів проблем зі стійкістю
осцилограми не існує як такої.
Розглянемо основні технічні характеристики осцилографів. Головними
робочими параметрами є наступні [3].
Смуга пропускання відповідає максимальній частоті вхідного
аналогового сигналу й дорівнює частоті, при якій його амплітуда зменшується
не більш ніж 3дБ. При роботі цифрового осцилографа з вхідними
однократними сигналами смуга пропускання прямо залежить від частоти
дискретизації його аналого-цифрового перетворювача, тому що приладу
необхідно захопити й оцифрувати отриманий сигнал за один такт. При роботі
з повторювальними сигналами смуга пропускання значно вища, тому що
прилад має можливість відтворити вхідний сигнал за кілька запусків.
Частота дискретизації дорівнює максимальній швидкості, з якою
осцилограф може захопити й оцифрувати вхідний однократний сигнал. Чим
більша ця частота, тим більша й смуга пропускання. Частота дискретизації є
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
7
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

максимальною при роботі осцилографа з одним каналом на найбільшій
швидкості розгортки. При роботі з кількома вхідними каналами та при
переключенні на повільні режими розгортки осцилографа частота
дискретизації зменшується автоматично.
Час наростання фронту імпульсу характеризує здатність осцилографа
приймати прямокутні вхідні сигнали з мінімальними викривленнями. Чим
більша смуга пропускання, тим менший час наростання імпульсу і, відповідно,
більш чіткими будуть зображені прямокутні сигнали. Це пов’язано з тим, що
такі сигнали містять в собі безліч високочастотних гармонік, які відсікаються
при незадовільній смузі пропускання.
Об’єм пам’яті осцилографа визначає максимальний розмір оцифрованих
вхідних даних. Чим більший об’єм пам’яті та частота дискретизації, тим більш
точні осцилограми можливо отримувати. Також це дозволяє переглядати
захоплені сигнали більш тривалі періоди часу.
Режими синхронізації дозволяють прив’язувати осцилограму до певного
моменту часу. Найчастіше використовують зовнішню синхронізацію (при
подаванні на спеціальний синхровхід допоміжного сигналу) або запуск по
фронту досліджуваного сигналу.
Режими курсорних вимірів в сучасних цифрових осцилографах
дозволяють робити спеціальні амплітудні та часові виміри. Для цього
встановлюють вертикальні та горизонтальні курсори у потрібні точки
осцилограми. Таким чином, наприклад, можна визначити різницю напруг в
певний момент (амплітудні виміри) або період сигналу завади (часові виміри).

1.2. Промислові портативні цифрові осцилографи
Сучасна промисловість пропонує широкий спектр цифрових
осцилографів – від недорогих кишенькових приладів з мінімальними
вимірювальними характеристиками до громіздких багатофункціональних
пристроїв. Розглянемо кілька зразків цифрових портативних осцилографів,
близьких до технічного завдання.
Осцилограф-щуп «RPS2010» [4] відомого китайського виробника
«Zhangzhou Weihua Electronic Co» [5], що спеціалізується на розробці та
виготовленні електронних інструментів. Продукція цієї компанії (зокрема,
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
8
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

мультиметри та осцилографи) дуже поширена як на ринку України, так і в світі
в цілому.
Осцилограф-щуп «RPS2010» зображено на рис. 1.1. Особливістю даного
приладу є надзвичайна компактність, осцилограф зручно розташовується в
руці користувача. Цей пристрій підходить для вимірювань у важкодоступних
місцях, де може бути недостатньо світла і звичайним осцилографом працювати
складно. Керування приладом дуже просте, нескладне для вивчення, навіть для
робітників, що стикаються з осцилографом вперше.

Рисунок 1.1. Осцилограф-щуп «RPS2010»

Основні параметри осцилографа-щупа «RPS2010»:
• смуга пропускання – 0…10 МГц;
• кількість каналів – 1;
• частота дискретизації – 100 Мвиб/с;
• розрядність АЦП – 8 біт;
• коефіцієнт відхилення – 100 мВ/діл … 100 В/діл;
• коефіцієнт розгортки – 0,1 мкс/діл … 10 с/діл;
• об’єм пам’яті – 16 КБ;
• зв’язок з комп’ютером – інтерфейс USB;
• вивід інформації – монохромний 1,1" РК-дисплей 128х64;
• додаткові режими роботи – вимірювання напруги та частоти;
• живлення – Li-Ion акумулятор (3.7 В, 430 мА/ч);
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
9
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• вартість – 1005 грн.
Мініатюрний осцилограф «HPS140I» бельгійського виробника
«Velleman Instruments» зображено на рис. 1.2 [6]. При дуже компактних
габаритах приладу (всього 11 см), він має високу функціональність – маркерні
вимірювання, вимірювання аудіосигналів, автоматичне налаштування
вимірювань в залежності від особливостей вхідного сигналу, функція
утримування зображення на дисплеї.

Рисунок 1.2 - Осцилограф «HPS140I»

Основні параметри осцилографа «HPS140I»:
• смуга пропускання – 0…10 МГц;
• кількість каналів – 1;
• частота дискретизації – 40 Мвиб/с;
• розрядність АЦП – 8 біт;
• коефіцієнт відхилення – 1 мВ/діл … 20 В/діл;
• коефіцієнт розгортки – 0,25 мкс/діл … 1 година/діл;
• зв’язок з комп’ютером – інтерфейс USB;
• вивід інформації – монохромний РК-дисплей;
• додаткові режими роботи – вимірювання напруги, потужності аудіосигналу;
• живлення – Ni-MH акумулятор;
• вартість – 1664 грн.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
10
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Осцилограф-мультиметр «Uni-T UT-81B» [7] відомого китайського
виробника «Uni-Trend Group Limited», одного з ведучих постачальників
вимірювального обладнання в світі.
Пристрій зображено на рис. 1.3. Його особливістю є розширені
можливості в якості мультиметра, тому він легко поєднує в собі ці два основні
вимірювальні прилади.

Рисунок 1.3 - Осцилограф-мультиметр «Uni-T UT-81B»

Основні параметри осцилографа-мультиметра «Uni-T UT-81B»:
• смуга пропускання – 0…8 МГц;
• кількість каналів – 1;
• частота дискретизації – 40 Мвиб/с;
• розрядність АЦП – 8 біт;
• коефіцієнт відхилення – 200 мВ/діл … 500 В/діл;
• коефіцієнт розгортки – 0,1 мкс/діл … 5 с/діл;
• зв’язок з комп’ютером – інтерфейс USB;
• вивід інформації – монохромний РК-дисплей;
• додаткові режими роботи – вимірювання напруги, опору, частот, струму,
ємності, перевірка напівпровідникових приборів;
• живлення – 4 батареї R6 1,5 В або блок живлення 6 В;
• вартість – 2499 грн.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
11
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Осцилограф «DSO1060» [8] китайського виробника «Hantek Electronic
Co.», виробника професійної вимірювальної техніки. Пристрій зображено на
рис. 1.4. Він має як гарні частотні показники, так і розширений функціонал
цифрового осцилографа. Цей прилад призначений для складних науково-
дослідницьких робіт та використання на виробництві.

Рисунок 1.4. Осцилограф «Hantek DSO1060»

Основні параметри осцилографа «Hantek DSO1060»:
• смуга пропускання – 0…60 МГц;
• кількість каналів – 2;
• частота дискретизації – 150 Мвиб/с;
• розрядність АЦП – 8 біт;
• коефіцієнт відхилення – 10 мВ/діл … 5 В/діл;
• коефіцієнт розгортки – 5 нс/діл … 1000 с/діл;
• об’єм пам’яті – 32 КБ;
• зв’язок з комп’ютером – інтерфейс USB, RS-232 (опц.), LAN (опц.);
• вивід інформації – кольоровий 5,7" TFT РК-дисплей 320х240;
• додаткові режими роботи – вимірювання напруги, частоти, періоду,
коефіцієнт заповнення, ширина імпульсу, швидке перетворення Фурьє та
ін.;
• живлення – Li-Ion акумулятор;
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
12
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• вартість – 4703 грн.

1.3. Аматорські цифрові осцилографи
Дорожнеча промислових цифрових осцилографів заохочує
радіоаматорів до виготовлення саморобних осцилографічних пристроїв.
Розглянемо кілька з них.
На рис. 1.5 зображено принципову схему пристрою «Осциллограф micro»
[9]. Осцилограф виконаний на мікроконтролері PIC18F452, а в якості
графічного індикатора використовується дисплей від мобільного телефону
«NOKIA 3310». Живлення пристрою відбувається від від стандартного
акумулятора на 3,7 вольта через перетворювач напруги, виконаний на
мікросхемі MC34063. Заряджається «Осциллограф micro» від напруги 5 В гнізда
mini-USB, через стабілізатор струму на мікросхемі LM317. Також можливе
живлення й від зовнішньої напруги 5 В (USB).
На мікросхемі LM358 зібрано вхідний підсилювач. Для вибору
вертикального відхилення застосовано ручний 3-позиційний перемикач S17.
Вибір відкритого/закритого входу роблять за допомогою перемикача S18. Для
оцифровування сигналу використовується АЦП вбудований в мікроконтролер.
Таке рішення є типовим для аматорських конструкцій, це спрощує та
здешевлює пристрій, робить його більш економним і компактним.
Основні технічні параметри пристрою «Осциллограф micro»:
• мікроконтролер – PIC18F452;
• смуга пропускання – 0…15 кГц;
• кількість каналів – 1;
• розрядність АЦП – 10 біт;
• можливість збереження в пам’яті 1 осцилограми;
• вивід інформації – монохромний РК-дисплей 84х48;
• зв’язок з комп’ютером – відсутній;
• живлення – акумулятор 3,7 В або адаптер 5 В.

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
13
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 1.5. Електрична схема пристрою «Осциллограф micro»

Серед недоліків цієї схеми можна відзначити: низьку максимальну
частоту пропускання вхідних сигналів (звуковий діапазон), відсутність
зовнішнього входу синхронізації, не передбачена можливість передавання
даних до комп’ютера. Програма для мікроконтролера написана під протокол
оригінального дисплея від мобільного телефону «NOKIA 3310» і заміна його
на інший неможлива. Роздільна здатність використаного в схемі дисплею не є
задовільною. Перевагами пристрою можна вважати його дуже компактні
розміри, застосування дешевих й недефіцитних радіокомпонентів,
безкоштовність програмного забезпечення. «Осциллограф micro» легкий для
повторення.
На рис. 1.6 зображена схема цифрового осцилографічного пробника
«Хамелеон» [10]. В проекті використаний мікроконтролер ATmega8535, для
покращення вимірювальних характеристик застосовано зовнішній швидкісній
аналого-цифровий перетворювач AD9280. Таке включення значно прискорює
процес оцифровування сигналу.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
14
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

У вхідній частині замість простого подільника напруги
використовується цифровий потенціометр MCP401122E(2K), а у
високовольтному подільнику і конденсаторі, який відокремлює постійну
складову, шунтуючі реле. Для підсилення досліджуваних сигналів
використовується операційний підсилювач MCP6022.
В алгоритмі програми застосований принцип сканування сигналу,
спочатку оцифровується сигнал і зберігається в буфері статичної пам’яті 300
байт, а після йде пошук синхронізації з наступним виведенням інформації на
дисплей. Модель дисплея – «LS020», який використовується в мобільному
телефоні «Siemens СХ65». Перетворювач напруги для підсвічування дисплея
виконаний на вбудованому в мікроконтролер ШІМ-генераторі та силовому
транзисторі C33740 (VT3).
Живлення відбувається від акумулятора «Nokia BP-6M» 3,7 В через
перетворювач напруги 3,3 В на мікросхемі NJU7223DL1-50-TE1. Для
живлення операційного підсилювача застосовано перетворювач полярності
ICL7660.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
15
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 1.6. Електрична схема цифрового осцилографічного пробника
«Хамелеон»

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
16
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Основні технічні параметри осцилографічного пробника «Хамелеон»:
• мікроконтролер – ATmega8535;
• АЦП – AD9280;
• смуга пропускання – 0…500 кГц;
• кількість каналів – 1;
• розрядність АЦП – 8 біт;
• коефіцієнт відхилення – 50 мВ/діл … 10 В/діл;
• можливість збереження в пам’яті 1 осцилограми;
• вивід інформації – кольоровий РК-дисплей 176х132;
• зв’язок з комп’ютером – відсутній;
• живлення – акумулятор «Nokia BP-6M» з номінальною напругою 3,7 В;
• максимальний споживчий струм – 110 мА.
На рис. 1.7. зображено макет осцилографічного пробника «Хамелеон».
На платі видно дисплей з виведеною осцилограмою, органи керування,
геконові реле атенюатора. На екран виводиться повідомлення про режим
заряджання акумулятора. Розмір друкованої плати складає 100х47 мм.

Рис. 1.7. Макет цифрового осцилографічного пробника «Хамелеон»

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
17
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Недоліками розглянутої схеми можна вважати: не дуже високу
максимальну частоту вхідних сигналів, відсутність зовнішнього входу
синхронізації, не передбачений зв'язок з комп’ютером. В схемі також
використано дисплей від мобільного телефону з неможливою його заміною.
Перевагами пристрою можна вважати зручне користувацьке меню з
автоматичним виводом на екран поточних режимів вимірювання, а також
досить високу якість зображення осцилограм через гарні технічні
характеристики використаного дисплею – його високу роздільну здатність та
відображення 65535 кольорів. Вхідна частота досліджуваного сигналу до 500
кГц часто буває достатньою для нескладних радіоаматорських задач.
В кваліфікаційні роботі бакалавра розроблено цифровий осцилограф
значно дешевший, ніж промислові вимірювальні пристрої; з кращими
характеристиками, ніж розглянуті аматорські осцилографи, зокрема з більш
високою смугою пропускання та додатковими функціями.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
18
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

2 ВИБІР ТА ОБҐРУНТУВАННЯ СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ

2.1. Обґрунтування технічного завдання
В даному дипломному проекті поставлено завдання розробити
надійний, економний та недорогий портативний осцилограф з наступними
технічними характеристиками:
• кількість аналогових каналів – 2;
• кількість цифрових каналів – 2;
• смуга пропускання аналогових каналів – понад 20 МГц;
• тип дисплея – кольоровий, TFT;
• інтерфейс зв’язку з комп’ютером – USB;
• живлення – від батареї або порту USB.
При розробці радіоаматорських осцилографічних пристроїв найчастіше
застосовують недорогий та розповсюджений мікроконтролер. Задачу
оцифровування вхідного сигналу покладають на аналого-цифровий
перетворювач, вбудований в мікроконтролер. Максимальна смуга пропускання
таких осцилографів не перевищує 20-50 кГц. При застосуванні повільного
зовнішнього АЦП їх смуга пропускання осцилографів помітно збільшується,
але не перевищує 1 МГц. Тому для відповідності технічному завданню
необхідно використовувати швидкісний зовнішній АЦП з частотою
дискретизації понад 20 МГц. Крім того, на відміну від знайдених аматорських
схем осцилографів, АЦП повинен бути 2-х канальним – для одночасного
оцифровування двох вхідних каналів.
Для виведення на екран осцилографа всіх вхідних сигналів (2
аналогових та 2 цифрових), результатів вимірювання та режимів роботи
пристрою необхідно застосовувати рідкокристалічний дисплей з високою
роздільною здатністю Для кращого розрізнення осцилограм між собою
дисплей повинен бути кольоровим й з високий контрастом.
Сучасні промислові осцилографи мають в своєму складі інтерфейс USB,
який використовується для передавання даних оцифрованих досліджуваних
сигналів до комп’ютера. Це може потрібним для їх подальшої цифрової
обробки або для зберігання в базі даних наукового співробітника чи інженера
з ремонту апаратури.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
19
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Живлення осцилографа має бути універсальним. При роботі з ним в
межах лабораторії можливо використовувати зовнішній блок живлення або
напругу інтерфейсу USB – 5 В. При використанні осцилографа для ремонту
або налагодження апаратури за межами лабораторії необхідно застосовувати в
якості джерела живлення акумуляторну батарею, яку можна було б заряджати
від мережевого адаптера або напруги USB-порту.
При розробці осцилографа будемо враховувати схемотехнічні рішення
знайдених аматорських пристроїв та функціональні можливості промислових
осцилографів. Це дозволить спроектувати прилад з оптимальними
споживчими характеристиками та доступною вартістю.

2.2. Розробка структурної схеми
Структурна схема 4-канального високочастотного осцилографа
зображена на рис.2.1.
Головним елементом структурної схеми є мікроконтролер.
Мікроконтролери останніх поколінь мають високу продуктивність, низьке
електроспоживання та помірну ціну, тому вони набули такої популярності при
розробці та виготовленні різних радіоелектронних пристроїв. Мікроконтролер
містить програму з алгоритмом роботи осциллографа, яка завантажується в
нього при програмуванні. Обраний мікроконтролер є 32-розрядним з
розвиненою архітектурою, достатнім об’ємом пам’яті для обробки
осцилограм, достатньою кількістю портів вводу-виведення для підключення
всіх елементів структурної схеми.

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
20
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 2.1. - Структурна схема 4-канального високочастотного
осцилографа

Працює осцилограф наступним чином. Аналогові сигнали, які потрібно
дослідити, подають на входи «1» та «2». Вони проходять через перемикачі
«закритого/відкритого» входу й потрапляють до атенюаторів. Атенюатори
призначені для каліброваного ступінчатого змінення коефіцієнту відхилення
шляхом послаблення вхідного сигналу. Атенюатор має високий вхідний опір
та малу вхідну ємність.
Далі сигнал потрапляє до підсилювачів, де він збільшується до рівня,
необхідного для виконання аналого-цифрового перетворення. Для того, щоб
розмах дослідного сигналу на входах АЦП був в певних межах мікроконтролер
за допомогою перемикачів вертикального відхилення змінює коефіцієнт
послаблення сигналу атенюаторів та коефіцієнт передачі підсилювачів.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
21
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Отримані аналогові сигнали поступають на входи 2-канального
швидкісного АЦП, який миттєво записує перетворені цифрові дані в
програмовану вентильну матрицю. Застосований АЦП здатний здійснювати
одночасне перетворення двох каналів з частотою до 40 МГц, що визначає
верхню частотну межу осцилографа. Мікроконтролер задає режим роботи
АЦП, а забирає результати вимірювань з вентильної матриці.
Цифрові досліджувані сигнали подають на входи «3» та «4». Узгоджувач
рівнів необхідний для можливості досліджувати цифрові сигнали різної
логіки: КМОН з амплітудою логічної «1» від 3 до 15 В, TTL з амплітудою до 5
В, сигналів мікроконтролерів амплітудою від 2 до 5 В. Послідовність сигналів,
що надійшла на цифрові входи, завантажується безпосередньо у програмовану
вентильну матрицю, звідки ці дані забирає мікроконтролер.
Синхронізація при дослідженні аналогових сигналів здійснюється в
одному з трьох режимів:
• автоматичний – при досягненні вхідного сигналу встановленого порогового
рівня або запуск розгортки без синхронізації;
• ручний режим – осцилограф знаходиться в стані очікування, запуск
розгортки відбувається натисканням кнопки на панелі керування
осцилографа;
• зовнішня синхронізація – розгортка починається при надходженні на один
з цифрових входів імпульсу синхронізації.
Отримані результати досліджень (осцилограми аналогових сигналів,
послідовності цифрових сигналів на логічних входах) мікроконтролер
виводить на дисплей. В схемі застосовано кольоровий TFT-дисплей з великою
роздільною здатністю, який дозволяє якісно зобразити всі 4 вхідні сигнали.
Мікроконтролер при обробці вхідних сигналів може робити додаткові
вимірювання: частоту вхідного періодичного сигналу, амплітуду та діючу
напругу аналогового сигналу, аналізувати його спектр та інше. Результати цих
вимірювань та розрахунків теж виводяться на дисплей.
Також пристрій можна використовувати як функціональний генератор.
При переведенні в цей режим мікроконтролер з виходу ЦАП формує сигнал
довільної форми (меандр, синусоїда, трикутний сигнал та інші), який
надходить до підсилювача. Підсилювач робить цей сигнал потужнішим для
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
22
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

збільшення навантажувальної здібності та відфільтровує високу частоту
дискретизації, на якій робиться перетворення.
Для керування пристроєм (обирання потрібного режиму роботи, зміни
частоти розгортки сигналів, розтягнення вертикального відхилення
осцилограм, вибір форми й частоти сигналу генератора, ручний запуск
синхронізації та інше) використовується панель керування.
Звуковий індикатор видає короткий сигнал при натисненні кнопки на
панелі керування, що робить керування зручнішим. Також при очікувані
короткого імпульсу на тривалих режимах розгортки (наприклад, при
дослідженні завад, що проявляються рідко), звуковий сигналізатор сповістить
про надходження імпульсу.
Зовнішня FLASH-пам’ять потрібна для зберігання отриманих
осцилограм та інших результатів вимірювання. Там ці дані зберігаються як
завгодно довго й при необхідності можуть бути виведені на екран для більш
детального аналізу або порівняння осцилограм.
Осцилограф має роз’єм підключення до порту USB комп’ютера, що дає
можливість досліджувати вхідні аналогові та цифрові сигнали на моніторі
комп’ютера. В такому режимі керування пристроєм можливе з клавіатури
персонального комп’ютера. Для цього буде використовуватись спеціальна
програма. Дані, збережені раніше у FLASH-пам’яті можна передати до
комп’ютера через цей порт.
Живлення осцилографа відбувається від акумуляторної батареї. Для її
заряджання використовується напруга 5 В з роз’єму USB-порту. Вузол зарядки
акумулятора передає мікроконтролеру інформацію про його напругу і він
визначає початок та кінець циклу заряджання акумулятора. Також на дисплеї
осцилографа видається повідомлення про необхідність зарядки батареї. При
відсутності можливості підключитись до комп’ютера можна використовувати
стандартний мережевий адаптер з роз’ємом «mini-USB» та напругою 5 В.
Стабілізатори напруги забезпечують живленням мікроконтролер,
АЦП, програмовану вентильну матрицю, FLASH-пам’ять та OLED-дисплей.
Цей вузол необхідний, тому що вимоги мікроконтролера до якості живлення є
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
23
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

підвищеними; стабільне живлення є запорукою стабільної роботи його
складових частин.
Перетворювач полярності напруги формує додаткову негативну
напругу, яка необхідна для двополярного живлення операційних підсилювачів
у атенюаторах та підсилювачах, електронних комутаторів у перемикачі
вертикального відхилення.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
24
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3 РОЗРОБКА ТА РОЗРАХУНОК ПРИНЦИПОВОЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ
СХЕМИ

3.1. Вибір мікроконтролера
Мікроконтролер осцилографа повинен відповідати наступним
вимогам:
• висока продуктивність при виконанні математичних розрахунків;
• достатня кількість портів введення-виведення;
• великий розмір FLASH-пам’яті для обробки програми та даних;
• низьке енергоспоживання для тривалої роботи приладу від акумулятора;
• помірна вартість.
Такими є високоефективні малопотужні FLASH-мікроконтролери серії
STM32 європейської мікроелектронної компанії «STMicroelectronics» [11].
Вибираємо мікроконтролер STM32F103VCT6, який має наступні технічні
параметри [12], [13]:
• ядро – ARM® Cortex-M3™;
• розрядність – 32 біт;
• максимальна тактова частота – 72 МГц;
• пам’ять FLASH – 256 КБ;
• пам’ять RAM – 48 КБ;
• кількість портів введення-виведення – 80;
• кількість таймерів 16 біт – 8;
• кількість каналів ШІМ – 18;
• реалізовані апаратні інтерфейси – UART, SPI, I2C, USB, CAN, DMA, IrDA;
• АЦП – 16 каналів 12-розрядних АЦП;
• ЦАП – 2 канали 12-розрядних ЦАП;
• напруга живлення – 2…3,6 В;
• максимальний споживчий струм – 150 мА;
• корпус – LQFP-100;
робоча температура – -40…+85°С.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
25
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.1 - Блок-схема мікроконтролера STM32F103VCT6

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
26
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.2 - Призначення виводів мікроконтролера STM32F103VCT6

3.2. Вибір аналого-цифрового перетворювача
Для реалізації функції одночасного оцифровування двох аналогових
каналів з частотою понад 20 МГц виберемо АЦП AD9288-40 американської
компанії «Analog Devices Inc.». Технічні параметри AD9288-40 [14]:
• кількість каналів – 2;
• розрядність – 8 біт;
• максимальна частота вибірок – 40000 за секунду;
• інтерфейс – SPI;
• діапазон вхідних аналогових сигналів – 1 В;
• напруга живлення – 2,7…3,6 В;
• максимальний споживчий струм – 52,5 мА;
• корпус – LQFP-48;
• робоча температура – -40…+85°С.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
27
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

АЦП призначена для використання у вимірювальному обладнанні з
автономним живленням, недорогих цифрових осцилографах ручного
застосування та ін.
AD9288-40 потребує лише однополярного джерела живлення (2,7…3,6
В). Кожен з аналогових входів є диференційним, у спрощеній схемі
підключення можна використовувати лише прямий вхід, а інверсний при
цьому з’єднується із опорною напругою. Цифрові виходи мають TTL- та
CMOS-сумісність рівнів. В опціях, що вибираються користувачем, задаються
режими очікування, формат представлення цифрових даних.

Рисунок 3.3. - Блок-схема АЦП AD9288-40

Рисунок 3.4. - Призначення виводів АЦП AD9288-40

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
28
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3.3. Вибір програмованої вентильної матриці

Програмована користувачем вентильна матриця, ПКВМ (FPGA – Field-
Programmable Gate Array) – це напівпровідниковий пристрій, що може бути
налаштований виробником або розробником після виготовлення. ПКВМ
програмуються шляхом зміни логіки роботи принципової схеми за допомогою
вихідного коду мовою проектування (типу VHDL), на якому можна описати
цю логіку роботи мікросхеми. ПКВМ є однією з архітектурних різновидів
програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС) [15].
ПКВМ можуть бути модифіковані в будь-який момент в процесі їх
використання. Вони складаються з конфігурованих логічних вентилів з
кількома входами і одним виходом. В цифрових схемах такі перемикачі
реалізують базові виконавчі операції AND, NAND, OR, NOR і XOR.
Принципова відмінність ПКВМ полягає в тому, що і функції блоків, і
конфігурація з’єднань між ними можуть змінюватися за допомогою
спеціальних сигналів, що посилаються схемою.
ПКВМ включають в себе три головних програмованих елементи:
незкомутовані програмовані логічні блоки (ПЛБ), блоки введення-виведення
(БВВ) і внутрішні зв’язки. ПЛБ є функціональними елементами для побудови
логіки користувача, БВВ забезпечують зв’язок між контактами корпусу і
внутрішніми сигнальними лініями. Програмовані ресурси внутрішніх зв’язків
забезпечують керування шляхами сполучення входів і виходів ПЛБ і блоків
введення-виведення на відповідні мережі.
В схемі осцилографа програмована вентильна матриця необхідна для
миттєвого завантаження вихідних цифрових сигналів АЦП. Потім ці дані
отримує мікроконтролер для здійснення операцій над ними. Частотні
характеристики осцилографа без використання вентильної матриці були б
незадовільними через недостатню швидкість прийому даних мікроконтролера,
і, зокрема, вбудованої в нього послідовної FLASH-пам’яті. Таким чином, саме
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
29
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

програмована вентильна матриця та швидкісний АЦП забезпечують високу
вхідну частоту осцилографа.
Виберемо програмовану користувачем вентильну матрицю типу
iCE65L04F-TVQ100I американської компанії «SiliconBlue Technologies Corp.».
Вона має дуже низьке енергоспоживання, високу частоту роботи, достатній
об’єм оперативного запам’ятовуючого пристрою. Технічні параметри ПКВМ
iCE65L04F-TVQ100I [16]:
• кількість логічних вентилів – 3520;
• кількість логічних блоків – 20;
• об’єм розподіленого RAM – 80 Кбіт;
• кількість портів введення-виведення – 72;
• максимальна робоча частота – 256 МГц;
• робоча напруга живлення вентильної матриці – 1,2 В;
• робоча напруга портів введення-виведення – 1,5…3,3 В;
• робочий струм живлення – 26 мкА;
• корпус – VQ100;
• робоча температура – -40…+85°С.

Рисунок 3.5 - Блок-схема ПКВМ iCE65L04F
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
30
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.6 - Призначення виводів ПКВМ iCE65L04F

3.4. Підключення мікроконтролера до АЦП і вентильної матриці
Схема цифрової частини 4-канального високочастотного осцилографа
зображена на рис. 3.7. На ній показано мікроконтролер DD1, АЦП DD2,
вентильну матрицю DD3.
Допустима напруга живлення мікроконтролера складає 2…3,6 В, АЦП
– 2,7…3,6 В, а ПКВМ – 1,5…3,3 В. Загальна напруга живлення повинна
задовольняти параметрам кожної з цих мікросхем – бути в межах від 2,7 до 3,3
В. З міркувань найменшого енергоспоживання для більш тривалої роботи
осцилографа від акумуляторної батареї вибираємо основну напругу живлення
близьку до мінімальної:
U Ж = 2,8 B . (3.1)
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
31
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.7 - Цифрова частина осцилографа

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
32
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Аналогові досліджувані сигнали поступають на входи АЦП DD2 – AIN
та BIN (І та ІІ канал). Інверсні входи з’єднані з виходом вбудованого в АЦП
джерела опорної напруги – REFOut (Reference Voltage). Виводи REFA та REFB
– це входи для опорної напруги кожного з каналів, на них також подається
напруга з джерела REFOut. Виходи D0A-D7A – цифровий вихід І каналу,
сигнал CKA – тактовий вхід. Аналогічно D0B-D7B та CKB для ІІ каналу. Вхід
DFS (Data Format Select) – вибір формату цифрових даних. Сигналами S1 та
S2 вибирається режим згідно таблиці 3.1.

Таблиця 3.1. - Режими роботи АЦП
S1 S2 Режим
0 0 Очікування обох каналів
0 1 Очікування тільки каналу «В»
1 0 Нормальний режим
1 1 Дані з обох каналів доступні

Вихідні цифрові дані АЦП (два окремих байти) надходять на входи
вентильної матриці DD3. Сигнали з цифрових входів осцилографа III та IV
каналів поступають на окремі входи ПКВМ – вив.24 та вив.25 DD3. Вихідні
сигнали вентильної матриці надходять до 16-розрядної шини даних
мікроконтролера. Мікроконтролер DD1 керує роботою ПКВМ через інтерфейс
SPI (Serial Peripheral Interface — послідовний периферійний інтерфейс) з
наступними сигналами:
• SPI_SS (Slave Select) – сигнал вибору мікросхеми;
• SPI_SCK (Serial Clock) – послідовний тактовий сигнал;
• SPI_SI (Master Out Slave In) – вихід ведучого, вхід веденого;
• SPI_SO (Master In Slave Out) – вхід ведучого, вихід веденого.
Додаткові сигнали керування вентильною матрицею CDONE та C_RST
– вихід готовності та вхід скидання. Напруга UЖ = 2.8 В живить порти
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
33
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

введення-виведення DD3, а для живлення її логічних вентилів подається
напруга 1,2 В.
В мікроконтролері DD1 використовується вбудований тактовий
генератор із зовнішнім кварцовим резонатором ZQ1, який підключається до
спеціальних виводів OSC0 та OSC1. Частоту генератора вибираємо невисоку
– 8 МГц для більш економного режиму роботи мікроконтролера. Кварцовий
резонатор вибираємо типу HC-49SM [17]. Ємності конденсаторів С1 та С2
вибираємо згідно рекомендації виробника – 10 пФ. Всі резистори та
конденсатори принципової схеми вибираємо розміру 0805.
Постійна часу ланцюга скидання R1C3 буде рівною 10 мс. Вибираємо
ємність конденсатора C3 1 мкф і розраховуємо опір резистора R1:

 R1C3 0,01 c
R1= = =10 кОм . (3.2)
C3 1 мкФ

3.5. Розрахунок панелі керування, FLASH-пам’яті та порту USB
Для керування пристроєм використовується 6 кнопок SB1-SB6 з
наступним основним функціональним призначенням: «меню», «вибір»,
«вправо», «вліво», «вгору», «вниз». При перегляді осцилограм кнопки
«вправо» та «вліво» будуть використовуватись для розтягнення шкали по
горизонталі, а «вгору» та «вниз» – по вертикалі. Враховуючи достатню
кількість вільних виводів мікроконтролера, кожна кнопка підключається до
окремого вивода. Кнопки вибираємо мініатюрні тактові типу IT-1184 [18].
Мікросхему FLASH-пам’яті DD4 вибираємо типу M25P16-VMN6TP
компанії «STMicroelectronics» з наступними параметрами [19]:
• об’єм пам’яті – 16 Мбіт;
• інтерфейс – SPI;
• максимальна тактова частота – 75 МГц;
• напруга живлення – 2,7…3,6 В;
• споживчий струм – 100 мкА;
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
34
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• корпус – SOIC-8.
Призначення виводів FLASH-пам’яті M25P16:
• WP (Write Protect) – захист запису;
• CS (Chip Select) – вибір кристалу;
• HLD (Hold) – утримання даних;
• D (Serial Data input) – вхід послідовних даних;
• Q (Serial Data output) – вихід послідовних даних;
• CK (Serial Clock) – тактовий вхід.
Порти «-D» та «+D» мікроконтролера використовуються для реалізації
інтерфейсу USB, до них підключається роз’єм «Mini-USB» X6. Вибираємо
його стандартний типу MiniUSB-A [20]. Обмежувальні резистори R35, R36
зазвичай вибирають опором в межах 22…68 Ом, а R34 – 1,5…2 кОм. Виберемо
R35, R36 – 51 Ом, а R34 – 2 кОм. Захисні стабілітрони VD1, VD2 повинні бути
з напругою стабілізації 3,6 В, вибираємо їх типу BZV55C3V6 [21].

3.6. Вибір та підключення дисплея
Рідкокристалічний дисплей осцилографа повинен бути з високою
роздільною здатністю, кольоровим та з високий контрастом. Серед знайдених
дисплеїв вибираємо TFT-модуль з напругою живлення 2,8 В, що співпадає з
основною напругою живлення осцилографа – HDT-240G400-30MT-12
південнокорейської компанії «Hyundai Electronics» («Hynix») [22]. Його
технічні параметри:
• технологія дисплея – a-Si TFT (FFS), normally black;
• роздільна здатність – 240х400;
• кількість кольорів – 262К;
• розмір зображення – 3,0" (39,24 х 65,4 мм);
• вбудований драйвер (контролер) – ILI9327;
• напруга живлення цифрової частини – 2,8 В;
• струм ланцюгів підсвічування – 20 мА.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
35
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Мікроконтролер DD1 керує роботою TFT-модуля HG1 згідно
протоколу вбудованого в нього драйвера контролера ILI9327 [23], [24].
Призначення виводів дисплея наптупне:
• DB0-DB15 – шина даних;
• RS (Register Select) – вибір регістра;
• RST (Reset) – скидання;
• CS (Chip Select) – вибір кристалу;
• RD (Read) – зчитування;
• WR (Write) – запис;
• VDD – живлення вбудованого драйвера;
• IVDD – живлення портів введення-виведення;
• GND – земля;
• LED+ – аноди світлодіодів ланцюгів підсвічування;
• LED1…LED4 – катоди світлодіодів ланцюгів підсвічування.
Для забезпечення постійної яскравості світіння дисплея при різній
напрузі акумуляторної батареї ланцюгами підсвічування TFT-модуля HG1
керує інтегральний 4-канальний стабілізатор струму DA1 – мікросхема
QX5239B [25]. Технічні параметри стабілізатора QX5239B:
• кількість незалежних виходів – 4;
• діапазон вхідної напруги – 2,7…6 В;
• вихідний стабілізований струм – 20 мА;
• відмінність вихідного струму між каналами – не більше 2%;
• корпус – MSOP-8.
Мікроконтролер вмикає та вимикає підсвічування дисплея сигналом на
вході стабілізатора «EN (Enable)». При живленні осцилографа від мережевого
адаптера або порту USB підсвічування може бути ввімкнене постійно, а при
живленні від акумулятора – вимикатись через деякий час, якщо інформація на
дисплеї залишається незмінною. Також мікроконтролер вимикає
підсвічування при переході до сплячого режиму.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
36
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3.7. Розрахунок звукового індикатора та підсилювача генератора
Звуковий індикатор повинен мати невеликі габарити та низьку робочу
напругу. Таким є електромагнітний випромінювач HC0905A фірми «JL
World». Його технічні параметри [26]:
• максимальна частота – 3600 Гц;
• номінальна робоча напруга – 5 В;
• максимальний струм – 80 мА;
• опір котушки – 40 Ом.
Максимальний струм через випромінювач BA1 складатиме:

U 2,8 В
I max Ж
BA1 = = = 70 мА . (3.3)
RBA1 40 Ом

Електромагнітний випромінювач підключається до виходу ШІМ
мікроконтролера (порту PC7) через транзистор VT1. Вибираємо в якості VT1
транзистор с ізольованим затвором N-типу BSS138 [27]. Його технічні
параметри:
• максимальна напруга сток-виток – 50 В;
• максимальний струм сток-виток – 0,22А.
Фільтруючий конденсатор C4 вибираємо ємністю 100 пФ.
Підсилювач генератора довільної форми являє собою повторювач на
операційному підсилювачі DA4. Виберемо малопотужний високочастотний
підсилювач з низькою напругою живлення – OPA354 американської компанії
«Texas Instruments» [28]. Його технічні параметри:
• полоса частот – до 250 МГц;
• максимальний коефіцієнт підсилення – 110 дБ;
• напруга живлення – 2,5…5,5 В;
• максимальний споживчий струм – 4,9 мА (при напрузі живлення 5,5 В);
• корпус – SOIC-8.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
37
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Резистор R37 визначає вихідний опір підсилювача. Вибираємо його
рівним 51 Ом. Роз’єм X5 вибираємо з хвильовим опором 50 Ом – СР50-73ФВ
[29].

3.8. Розрахунок атенюаторів та підсилювачів каналів
Схема аналогової частини 4-канального високочастотного
осцилографа зображена на рис. 3.8. Канали І та ІІ призначені для дослідження
аналогових сигналів, а ІІІ та IV – цифрових.
Розглянемо роботу І каналу. Досліджуваний сигнал подають на роз’єм
X1, далі він проходить через перемикач закритого/відкритого входу (С5, U1),
атенюатор (R3-R8), підсилювач (DA2) та узгоджувач (R14, R15). Перемикач
вертикального відхилення (DD5) змінює коефіцієнт передачі атенюатора і
підсилювача.
Загальний коефіцієнт передачі І каналу буде рівний:
К = КА КП КУ , (3.4)
де КА – коефіцієнт передачі атенюатора;
КП – коефіцієнт передачі підсилювача;
КУ – коефіцієнт передачі узгоджувача.
Осцилограф матиме 8 режимів вертикального відхилення з наступними
максимальними вхідними напругами: ±20 В, ±10 В, ±5 В, ±2 В, ±1 В, ±0,5 В,
±0,2 В та ± 0,1 В. Сформований вхідний сигнал потрапляє на вхід аналого-
цифрового перетворювача і його розмах на цьому вході повинен бути в межах
від 0 до 1 В.
Нехай максимальний розмах напруги на виході підсилювача DA2 буде
рівний ±UП. Необхідно розрахувати опори резисторів R14, R15 таким чином,
щоб при зміні вхідної напруги узгоджувача від -UП до +UП напруга його виході
змінювалася б від 0 до 1 В.
Струм через ланцюг R14R15 та вихідна напруга становлять:
U Ж −UВИХ.DA2 U U
I Ж П
R14R15 = = , (3.5)
R14 + R15 R14 + R15
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
38
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

U U
UВИХ =U Ж − I Ж П
R14R15 R15 =U Ж − R15 . (3.6)
R14 + R15

Рисунок 3.8. - Аналогова частина осцилографа

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
39
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Задамо константу k як співвідношення резисторів R14 та R15:
R14
k = , (3.7)
R15
U U U U
U Ж П
ВИХ =U Ж − R15 =U − Ж П
Ж . (3.8)
R14 + R15 1+ k

Для визначення напруги UП та опорів R14 та R15 вирішимо систему:
 U Ж +U П
U Ж − = 0 В
 1+ k

 U Ж −U (3.9)
U − П
 Ж =1 В
 1+ k
Вирішивши систему рівнянь при UЖ=2,8 В, знаходимо наступні
значення: k=0,2174, UП=0,608 В. Приймаємо максимальну напругу на виході
підсилювача DA2 рівною:
UВИХ.DA2 =  0,6 В . (3.10)

Вибираємо опір резистора R15 10 кОм і розраховуємо опір R14:

R14 = k R15 = 0,2174 10 кОм  2,2 кОм . (3.11)

Перевіримо, якою буде гранична напруга на виході узгоджувача:

min U Ж +U П 2,8В + 0,6В
UВИХ =U Ж − R15 = 2,8В − 10кОм = 0,013 В
R14 + R15 2,2кОм +10кОм
max U Ж −U П 2,8В − 0,6В
U ВИХ =U Ж − R15 = 2,8В − 10кОм = 0,997 В
R14 + R15 2,2кОм +10кОм

Розрахунок атенюатора та підсилювача виконаємо спочатку для
режиму вертикального відхилення «±1 В». На цьому режимі перемикач DD5
не впливає на їх коефіцієнти передачі, тому що резистори R5-R8 та R10-R12
відключені. На режимах «±2 В»…«±20 В» перемикач зменшує коефіцієнт
передачі атенюатора, а на режимах «±0,1 В»…«±0,5 В» – збільшує коефіцієнт
передачі підсилювача.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
40
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Нехай на вхід атенюатора надходить напруга 1 В. Визначимо робочу
точку атенюатора як половину вхідної напруги:

U 1 В
U ВХ
А = = = 0,5 В , (3.12)
2 2

U А 1 R4
КА = = = , (3.13)
UВХ 2 R3+ R4

R3 = R4 . (3.14)

Резистор R3 визначає мінімальний вхідний опір атенюатора тому
виберемо R3 та R4 опором 1 МОм.
Підсилювач DA2 виберемо OPA354 для однотипності з DA4.
Коефіцієнт передачі підсилювача на режимі «±0,1 В» становить:

UП 0,6 В
КП = = =1,2 . (3.15)
U А 0,5 В

Коефіцієнт передачі неінвертувального підсилювача:

R13
КП =1+ . (3.16)
R9

Виберемо опір R9 рівний 1 МОм в розрахуємо резистор R13:

R13 = (КП −1)R9 = (1,2 −1)1 МОм = 200 кОм . (3.17)

На інших режимах вертикального відхилення для переключення
коефіцієнту передачі атенюатора та підсилювача використано аналоговий
ключ-мультиплексор DD5, який так коректує ці коефіцієнти, щоб напруга на
вході АЦП завжди була в межах від 0 до 1 В.
Користуючись формулами (3.13) та (3.15) визначимо потрібні
коефіцієнти передачі атенюатора КА та підсилювача КП і занесемо їх до
таблиці 3.2.

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
41
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 3.2. Режими атенюаторів та підсилювачів
Коефіцієнт Коефіцієнт
Режим Максимальна
передачі передачі
вимірювання вхідна напруга
атенюатора, КА підсилювача, КП
1 ± 20 В 0,025 1,2
2 ± 10 В 0,05 1,2
3 ± 5 В 0,1 1,2
4 ± 2 В 0,25 1,2
5 ± 1 В 0,5 1,2
6 ± 0,5 В 0,5 2,4
7 ± 0,2 В 0,5 6
8 ± 0,1 В 0,5 12

В якості мультиплексора DD5 вибираємо мікросхему HEF4051BT [30],
який містить в собі 8-канальний аналоговий комутатор. Основні технічні
параметри HEF4051BT:
• конфігурація каналів – 1 мультиплексор-демультиплексор на 8 положень;
• типовий опір аналогових ключів – 50 Ом;
• напруга живлення – однополярна 3…15 В або двополярна ±3…±7,5 В;
• максимальний споживчий струм – 10 мкА;
• корпус – SOIC-16.
Опір аналогових ключів мультиплексора слід враховувати, якщо опори
резисторів R5-R18 та R10-R12 будуть нижчими за 1 кОм.
Розрахуємо опір R5 для режиму вертикального відхилення «±20 В»,
при якому КА = 0,025:

R4 || R5
К А = , (3.18)
R3+ R4 || R5

К
R4 || R5 = R3  А
, (3.19)
1− КА

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
42
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

К 0,025
R4 R3  А 1МОм 1МОм 
1− К А 1− 0,025
R5 = = = 26,3 кОм
К 0,025 . (3.20)
R4 − R3  А 1МОм−1МОм 
1− К А 1− 0,025

Аналогічним чином розрахуємо опори резисторів R6, R7 та R8 для
режимів вимірювання «±10 В», «±5 В» та «±2 В», при яких КА дорівнює
відповідно – 0,05, 0,1 та 0,25:

К 0,05
R4 R3  А 1МОм 1МОм 
1− К 1− 0,05
R6 = А = = 55,5 кОм
К 0,05 , (3.21)
R4 − R3  А 1МОм−1МОм 
1− К А 1− 0,05

К А 0,1
R4 R3  1МОм 1МОм 
1− К А 1− 0,1
R7 = = =125 кОм
К 0,1 , (3.22)
R4 − R3  А 1МОм−1МОм 
1− К А 1− 0,1

К 0,25
R4 R3  А 1МОм 1МОм 
1− К 1− 0,25
R8 = А = = 500 кОм
К 0,25 . (3.23)
R4 − R3  А 1МОм−1МОм 
1− К А 1− 0,25

Вибираємо опори резисторів R5…R8 згідно номінального ряду Е24
відповідно: 27 кОм, 56 кОм, 130 кОм та 510 кОм.
Розрахуємо опір R10 для режиму вертикального відхилення «±0,5 В»,
при якому КП = 2,4:

R13
КП =1+ (3.24)
R9 || R10

1
R9 || R10 = R13  (3.25)
КП −1

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
43
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1 1
R9 R13  1МОм 200кОм 
КП −1 2,4 −1
R10 = = =167 кОм
1 1 . (3.26)
R9 − R13  1МОм− 200кОм 
КП −1 2,4 −1

Аналогічним чином розрахуємо опори резисторів R11 та R12 для
режимів вимірювання «±0,2 В» та «±0,1 В», при яких КП дорівнює відповідно
– 6 та 12:

1
R9 R13  1
1МОм 200кОм 
К
R11 = П −1
= 6 −1 = 41,7 кОм
1 1 . (3.27)
R9 − R13  1МОм− 200кОм 
КП −1 6 −1

1
R9 R13  1
1МОм 200кОм 
К −1
R12 = П = 12 −1 =18,5 кОм
1 1 . (3.28)
R9 − R13  1МОм− 200кОм 
КП −1 12 −1

Вибираємо опори резисторів R10…R12 згідно номінального ряду Е24
відповідно: 160 кОм, 43 кОм та 18 кОм.
Мінімальний вхідний опір атенюатора складатиме:

Rmin
ВХ = R3+R4 || R5 R3+R5=1МОм+ 27кОм 1МОм
(3.29)

Розрахуємо вхідний конденсатор C5 для забезпечення в режимі
закритого входу мінімальної частоти вхідного сигналу 1 Гц:

1 1
C5 = = = 0,16 мкФ . (3.30)
2  FН RВХ 2 3,14 1Гц 1МОм

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
44
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Для забезпечення кращого проходження низьких частот вибираємо
конденсатор C5 ємністю більшою за розраховану – 0,22 мкФ і робочою
напругою 50 В. Роз’єм X1 вибираємо з хвильовим опором 50 Ом – СР50-73ФВ,
однотипне з роз’ємом Х5.
Функцію переключення режимів відкритого та закритого входу
здійснює оптоелектронне реле U1. Вибираємо його типу CPC1017N з
наступними технічними параметрами [31]:
• напруга ланцюга комутації – до 60 В;
• струм ланцюга комутації – до 100 мА;
• падіння напруги на ланцюзі керування – 1,2 В;
• струм ланцюга керування – 1 мА;
• максимальний опір аналогового ключа – 16 Ом;
• корпус – SOP-4.
Як видно з параметрів, оптоелектронне реле має низький струм
світлодіода та опір аналогового ключа, значно менший за вхідний опір
атенюатора. Розрахуємо резистор R2 для забезпечення надійного спрацювання
реле U1:

U Ж −UU1 2,8В −1,2В
R2  = =1,6 кОм . (3.31)
IU1 1мА

Виберемо резистор R2 опором 1 кОм.
На цьому розрахунок елементів I каналу осцилографа завершено. ІІ
канал є ідентичним і номінали його елементів відповідають номіналам для І
каналу.
Канали III та IV призначені для дослідження цифрових сингалів.
Роз’єми X3 та X4 вибираємо типу СР50-73ФВ для однотипності з X1.
Розрахуємо узгоджувач рівнів III та IV каналу. Стабілітрони VD1 та
VD2, які захищають входи вентильної матриці від надмірної напруги,
вибираємо типу BZV55C3V6 з напругою стабілізації 3,6 В. Обмежувальні
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
45
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

резистори R32 та R33 розрахуємо для максимальної вхідної напруги на
цифрових входах 15 В:

U max
ВХ −UVD1 15В − 3,6В
R32 = = =11,4 кОм . (3.32)
IVD1 1мА

Виберемо резистори R32 та R33 опором 10 кОм. Вхідні резистори R30
та R31 вибираємо значно більшого опору – 100 кОм.
3.9. Розрахунок стабілізаторів напруги
Живлення цифрової частини осцилографа відбувається від двох напруг
– 2,8 В та 1,2 В. Джерелом живлення є Li-Ion акумулятор з номінальною
напругою 3,6 В, але ця напруга може змінюватись в межах від 3,2 до 4,2 В в
залежності від стану акумулятора. Для формування необхідних напруг
використовуємо два інтегральних стабілізатори, зображені на рис. 3.9.
Струм, що споживається вентильною матрицею по напрузі 1,2 В, дуже
малий, тому використовуємо малопотужний лінійний стабілізатор напруги
DA8. Вибираємо в його якості мікросхему XC6206P122 [32] з технічними
параметрами:
• вхідна напруга – 1,8 … 6,0 В;
• вихідна напруга – 1,2 В;
• вихідний струм – до 200 мА;
• власний споживчий струм – до 3 мкА;
• корпус – SOT-23.
Визначимо струм, що споживається схемою від напруги 2,8 В:

IЖ  IDD1 + IDD2 + IDD3 + IDD4 + IHG1 + IDA4 + IDA8 , (3.33)

I Ж 150 мА+ 52,5мА+ 0,026 мА+ 0,1мА+1мА+ 4,9мА+ 0,003мА = 208 мА
.

Конденсатори C17-C23 вибираємо ємністю 0,1 мкФ.

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
46
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.9 - Схема стабілізаторів напруги

Для формування напруги живлення 2,8 В в якості стабілізатора DA7
вибираємо знижувальний перетворювач напруги типу LTC3406-1.5 [33]. Його
технічні параметри:
• вхідна напруга – 2,5 … 5,5 В;
• вихідна напруга – від 1,5 В до UВХ;
• вихідний струм – до 600 мА;
• власний споживчий струм – 20 мкА;
• КПД перетворення – 96%;
• корпус – TSOT-23-5.
Згідно рекомендацій виробника мікросхеми DA7 вибираємо дросель L1
індуктивністю 2,2 мкГн типу EC24-2R2K з прямим струмом до 630 мА,
конденсатор С15 ємністю 22 пФ, конденсатор С16 ємністю 10 мкФ та робочою
напругою 16 В.
Резистивний подільник напруги R42R43 визначає вихідну напругу
стабілізатора. Виберемо резистор R42 опором 100 кОм і розрахуємо опір R43
за формулою [33]:

U   2,8В 
R43 = R42   Ж −1 =100кОм   −1 = 367 кОм .
 0,6   0,6 
(3.34)

Вибираємо резистор R43 опором 360 кОм.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
47
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

КПД перетворювача DA7 складає:

PВИХ U Ж  I
 Ж
DA7 = = = 0,96 . (3.35)
PВХ UВХ  IВХ

Враховуючи, що сласний споживчий струм перетворювача дуже
низький, вхідний струм DA7 буде рівний:

U Ж  I Ж 2,8В 208мА
IDA7  = =169 мА. (3.36)
UВХ DA7 3,6В 0,96

3.10. Розрахунок перетворювача напруги
Для живлення операційних підсилювачів та мультиплексорів в
аналоговій частині осцилографа необхідна негативна напруга -3 В. Для її
формування використовується перетворювач напруги, зображений на рис.
3.10. Мікроконтролер DD1 може вимикати його при переході до сплячого
режиму.
Визначимо струм, що споживається схемою від напруги -3 В:

IЖ.2 = IDD5 + IDD6 + IDA2 + IDA3 , (3.37)

IЖ.2 =10мкА+10мкА+ 4,9мА+ 4,9мА= 9,8мА .

В якості перетворювача DA9 вибираємо конвертер полярності напруги
TC1221 [34]. Його технічні параметри:
• вхідна напруга – 1,8 … 5,5 В;
• вихідний струм – до 25 мА;
• КПД перетворення – 96%;
• корпус – SOT-23А-6.
Згідно рекомендацій виробника мікросхеми DA9 вибираємо дросель L2
індуктивністю 100 мкГн типу EC24-100K з прямим струмом до 370 мА,
конденсатори С24-С27 ємністю 1 мкФ, захисний діод VD5 типу BAT41.
Аналогічно розрахуємо вхідний струм перетворювача DA9:

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
48
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

UВИХ  I Ж.2 3В 9,8мА
IDA9  = = 8,5 мА . (3.38)
UВХ DA9 3,6В 0,96

Рисунок 3.10 - Схема перетворювача напруги

3.11. Розрахунок вузла зарядки акумулятора
Визначимо сумарний струм, що споживається схемою по напрузі 3,6 В:

IЖ.3 = IHG1 + IDD5 + IDD6 + IDA2 + IDA3 + IDA7 + IDA9 , (3.39)

IЖ.3 =80мА+10мкА+10мкА+ 4,9мА+ 4,9мА+169мА+8,5мА= 267мА
.

Розрахований споживчий струм є гранично можливим. Реальний струм
споживання буде значно меншим, тому що вказані виробниками параметри
енергоспоживання досягаються при максимальному навантаженні елементів –
наприклад, при максимальній напрузі живлення операційних підсилювачів,
при безупинній роботі мікроконтролера на максимальній тактовій частоті
тощо.
В якості джерела живлення вибираємо Li-Ion акумуляторний елемент
типу ICR18650F [35] з технічними параметрами:
• номінальна напруга – 3,6 В;
• ємність – 2600 мА·ч;
• формат – 18650 з виводами (діаметр 18 мм, довжина 65 мм).
Для заряджання акумуляторного елемента використано
спеціалізований контролер LTC4054 [36] з технічними параметрами:
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
49
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• вхідна напруга – 4,5 … 5,5 В;
• максимальний програмований струм зарядки – 800 мА;
• корпус – SOT-23-5.

Рисунок 3.11 - Схема вузла зарядки акумулятора

Визначення струму зарядки здійснюється під’єднанням до виводу
«PRG» DA5 резистора певного опору, який підключається до джерела опорної
напруги 1,21 В – і струм, що протікає через нього буде пропорційний струму
зарядки [36]:

U
I = PROG
BAT 1000 . (3.40)
RPROG

Струм, що споживається від порту USB, не повинен перевищувати 500
мА, а гранично можливий струм споживання осцилографа становить 267 мА.
Виберемо струм зарядки акумулятора рівний 150 мА і розрахуємо опір R38:

U 1,21В
R PROG
PROG = 1000 = 1000 = 8,07 кОм . (3.41)
IBAT 150мА

Виберемо резистор R38 опором 8,2 кОм, конденсатор С7 ємністю 1
мкФ.
Збірка DA6, що складається з польового транзистора та діода,
призначена для переключення струму споживання. При під’єднанні до порту
USB відкривається діод DA6.2 і закривається транзистор DA6.1 – осцилограф
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
50
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

живиться від напруги 5 В. При відключення порту транзистор DA6.1
відкривається – і осцилограф живиться від акумулятора. Виберемо збірку типу
FDFMA2P853 [37].
Резистивний подільник напруги R40R41 інформує мікроконтролер
DD1 про стан напруги акумулятора. На вхід АЦП мікроконтролера слід
подавати напругу до 2,8 В, тому ланцюг ділить напругу 3,6 В навпіл.
Вибираємо резистори R40 та R41 однакового номіналу – 100 кОм,
конденсатори С8-С14 ємністю 1 мкФ, вимикач живлення осцилографа SA1
типу ПД9-1 [38].
Індикатор зарядки HL1 виберемо типу L-1464GDT [39] з параметрами:
• максимальний прямий струм – 10 мА;
• максимальна пряма напруга – 2,5 В.
Розрахуємо опір R39 для забезпечення струму світлодіода HL1 – 2,5
мА:

UUSB −U
R39 = HL1 5В − 2,5В
= =1 кОм . (3.41)
IHL1 2,5мА
Мінімальна тривалість роботи осцилографа від зарядженого
акумулятора:

min CGB1 2600 мАч
TР = = = 9,74 ч = 9 ч 44 мин . (3.42)
I Ж.3 267 мА

3.12. Складання та налаштовування пристрою
Пристрій «4-канальний високочастотний осцилограф» збирається на
платі зі склотекстоліту. Переважна більшість застосованих в схемі елементів –
для поверхневого монтажу, їх встановлюють на обох сторонах плати. Контакти
для припаювання шлейфу дисплея HG1, органи керування осцилографом SB1-
SB6, індикатор зарядки HL1 знаходяться на передній стороні друкованої плати.
Роз’єми X1-X6 та вимикач живлення SA1 кріпляться на бокових стінках
корпусу осцилографа, акумуляторний елемент GB1 в ізольованому від плати
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
51
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

відсіку живлення. На передній панелі корпусу розташовано дисплей HG1,
кнопки SB1-SB6, індикатор зарядки HL1 та випромінювач BA1.
Після збирання пристрою мікроконтролер DD1 необхідно
запрограмувати. Для цього схема осцилографа доповнюється роз’ємом X7 з
сигналами:
• VDD та GND – напруга живлення та загальний провід;
• NRST – сигнал скидання;
• TX та RX – передавання та приймання даних;
• BOOT – перехід в режим програмування.

Рисунок 3.12 - Підключення програматора до мікроконтролера

Для переведення мікроконтролера DD1 в режим програмування на
контакти роз’єму X7 подають наступні сигнали: вхід «BOOT» переводять в
стан логічної «1», потім на вхід «NRST» подають імпульс логічного «0», потім
вхід «BOOT» переводять в стан логічного «0», як показано на рис. 3.13 [40].

Рисунок 3.13 - Включення режиму програмування мікроконтролера
DD1
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
52
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Повернення мікроконтролера зі стану програмування до нормального
стану здійснюють імпульсом логічного «0» на вході «NRST» при низькому
рівні на вході «BOOT», як показано на рис. 3.14.

Рисунок 3.14 - Вимкнення режиму програмування мікроконтролера
DD1

Сигнали мікроконтролера прийому-передавання даних «RX» та «TX»
підключають до стандартного перетворювача «USB-UART», схема якого
зображена на рис. 3.15 [41]. Основою перетворювача є спеціалізована
мікросхема FT232RL, яка реалізує віртуальний CОM-порт [42].

Рисунок 3.15 - Схема перетворювача «USB-UART»

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
53
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.16 - Блок-схема конвертора FT232RL

Завантаження прошивки здійснюється за допомогою комп’ютерної
програми «Flash Loader Demonstrator», яку безкоштовно надає виробник
мікроконтролера – компанія «STMicroelectronics» на своєму сервері технічної
підтримки [43].
Програмування мікроконтролера через перетворювач «USB-UART»
проводять однократно при виготовленні осцилографа, тому роз’єм X7 являє
собою контактні площадки на друкованій платі. При необхідності подальше
оновлення прошивки на протязі терміну експлуатації здійснюватиметься через
USB-інтерфейс осцилографа.

3.13. Розрахунок надійності пристрою
При уточненому розрахунку надійності враховують вплив умов
експлуатації, температури та електричного режиму. Розрахунок ймовірності
безвідмовної роботи на протязі часу t годин проводиться за формулою:

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
54
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

m
−k  j N j
pc (t)= e j=1
, (3.43)

де kλ – поправочний коефіцієнт, що враховує умови експлуатації,
λj – інтенсивність відмов елементів j-тої рівнонадійної групи при експлуатації
в заданих умовах,
Nj – кількість елементів j-тої групи.
λj знаходиться за формулою:

 j = 0 j  j , (3.44)

де λ0j – інтенсивність відмов елементів j-тої рівнонадійної групи при
експлуатації в номінальному режимі,
αj – поправочний коефіцієнт інтенсивності відмов j-тої групи, що враховує
вплив температури оточуючого середовища та електричне навантаження
елемента.
Поправочний коефіцієнт kλ знаходиться за формулою:
k = k1 k2 k3 , (3.45)
де kλ1 – коефіцієнт, який враховує вплив механічних факторів (вібрації),
kλ2 – коефіцієнт, який враховує вплив кліматичних факторів (температура,
вологість),
kλ3 – коефіцієнт, який враховує умови роботи при зниженому атмосферному
тиску.
Напрацювання на відмову пристрою знаходиться за наступною
формулою.
1
TСЕР.С =
m . (3.46)
 j N j
j=1
Пристроєм користуватимуться в приміщенні в нормальних умовах:
вібрація можлива, температура від 15 до 25˚С, вологість 60–80 % та
атмосферний тиск 750–770 мм рт. ст. Тому поправочні коефіцієнти становлять
kλ1 = 50, kλ2 = 2, kλ3 = 1. Отже, коефіцієнт kλ дорівнює:
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
55
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

k = 50 2 1=100 .
Розраховуємо надійність елементів.
Коефіцієнт навантаження конденсаторів kн = 0,3...0,7. При kн = 0,5 та
температурі 20° С поправочний коефіцієнт для конденсаторів становить 0,4, а
інтенсивність відмов дорівнює 2,3 ∙ 10–6 1/год. Отже:
 = 2,310−6 1
С 0,4 = 0,92 10−6
.
год
Надійність інтегральних схем (α = 0,2, λ = 0,02 ∙ 10–6
0 1/год):
1
DD = 0,02 10−6 0,2 = 0,004 10−6
.
год
Надійність транзисторів (α = 0,85, λ0 = 0,5 ∙ 10–6 1/год):
1
 −6
VT = 0,02 10 0,2 = 0,004 10−6
.
год
Надійність вимикачів (α = 0,3, λ0 = 3 ∙ 10–6 1/год):
 = 310−6 0,7 = 2,110−6 1
S .
год
Надійність діодів (α = 0,85, λ0 = 0,5 ∙ 10–6 1/год):
 = 0,5 10−6 0,85 = 0,425 10−6 1
VD .
год
Надійність резисторів (α = 0,42, λ0 = 0,6 ∙ 10–6 1/год):
1
R = 0,6 10−6 0,42 = 0,252 10−6
.
год
Надійність індикаторів (α = 0,85, λ = 0,5 ∙ 10–6
0 1/год):
 −6 1
HL = 0,5 10 0,85 = 0,425 10−6
.
год
Надійність роз’ємів (α = 0,62, λ0 = 0,45 ∙ 10–6 1/год):
1
X = 0,45 10−6 0,62 = 0,279 10−6
.
год
Розраховуємо ймовірність безвідмовної роботи всієї схеми, що
включає 27 конденсаторів, 15мікросхем, 1 транзистор, 1 вимикач, 5 діодів, 43
резистори, 1 індикатор, 6 роз’ємів, 1 резонатор:

Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
56
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

pC (t)= exp−1(0,92 10−6 27 + 0,004 10−6 15 + 0,004 10−6 1+
+ 2,110−6 1+ 0,425 10−6 5+ 0,252 10−6 43+ 0,425 10−6 1+
+0,279 10−6 6+0,18 10−6 1) 0,9958 .

Розраховуємо напрацювання на відмову всієї схеми:

T =1 (0,92 10−6 27 + 0,004 10−6 15 + 0,004 10−6
СЕР.С 1+
+ 2,110−6 1+ 0,425 10−6 5+ 0,252 10−6 43+ 0,425 10−6 1+
+ 0,279 10−6 6+ 0,18 10−6 1) 23672 години.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
57
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ВИСНОВКИ

В даній кваліфікаційній роботі бакалавра було проаналізовано види
портативних високочастотних осцилографів та розроблено високочастотний
осцилограф з автоматичним живленням – з 2-ма аналоговими та 2-ма
цифровими входами.
Електрична принципова схема приладу для забезпечення високих
частотних характеристик була реалізована на 32-розрядному FLASH-
мікроконтролері STM32F103VCT6, швидкісному 2-канальному аналого-
цифровому перетворювачі AD9288-40 та програмованій користувачем
вентильній матриці iCE65L04F.
Для відображення результатів вимірювання застосовано кольоровий
TFT-дисплей HDT-240G400-30MT-12 з високою роздільною здатністю –
240х400.
Пристрій має автономне акумуляторне живлення. Для зарядки
акумуляторного елемента та передачі даних до комп’ютера для подальшої
обробки і зберігання використовується порт USB.
Всі перемикання в атенюаторах здійснюються за допомогою
електронних комутаторів, які мають кращу надійність, ніж механічні
перемикачі.
Додатковою функцією осцилографа є генератор довільної форми.
При розрахунку надійності були визначені ймовірність безвідмовної
роботи pc(t) та середній час напрацювання на відмову Тсер.с . Відповідно pc(t) =
0,9958, а Тсер.с = 23672 години.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
58
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Ian Hickman. Digital Storage Oscilloscopes. – Boston: Elsevier Science
Publishing, 2018. – 160 p., eng.
2. Мурзін В.К. Загальна електротехніка. – Полтава: Кременчук, 2001. –
323 с.
3. Трегуб А.П. Электротехніка. - К.: Вища школа, 1987. - 599 с.
4. Методичні рекомендації до лабораторних робіт з дисципліни
«Компʼютерне моделювання технологічних процесів мікроелектроніки»
для для здобувачів освітнього ступеня бакалавра зі спеціальності 123
«Комп`ютерна інженерія» денної форми навчання [Електронний ресурс]
/ [Укл.: Лукашенко В.М., Чичужко М.В., Крошко Л.Ф.. – М-во освіти і
науки України, Черкас. держ. технол. ун-т. – Черкаси: ЧДТУ, 2019. – 48
с.
5. Методичні рекомендації до практичних робіт з дисципліни «Методи
створення високоефективних компонентів мікропроцесорних систем
керування автоматизованих пристроїв» для здобувачів освітньо-
наукового ступеня «доктор філософії» з спеціальності 151 Автоматизація
та комп’ютерно-інтегровані технології, освітньо-наукової програми
«Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології» всіх форм
навчання [Електронний ресурс] / [Укл.: Лукашенко В.М., Чичужко
М.В.,– М-во освіти і науки України, Черкас. держ. технол. ун-т. –
Черкаси: ЧДТУ, 2019. – 48 с
6. Конструктивно-технологічна побудова компонентів спеціалізованих
комп’ютерних та робототехнічних систем/ В.М.Лукашенко К.В.,
Колесніков К.С., Рудаков, М.В.Чичужко/ Навчальний посібник М-во
освіти і науки України, – Черкаси : ЧДТУ ; 2017. – 201 с.
7. Вступ до фаху з електроніки та комп’ютерної інженерії / А.А. Зорі,
В.М. Лукашенко, В.М. Співак, О.В. Вовна // Навчальний посібник
Покровськ : ДВНЗ «Дон НТУ», 2016. – 312 с.
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
59
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

8. Осцилограф [Електронний ресурс] − Режим доступу:
https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D1%81%D1%86%D0%B8%D0%
BB% D 0%BE%D0%B3%D1%80%D0%B0%D1%84.
9. http://www.weihuameter.com/en/
10. http://www.velleman.eu/downloads/0/user/usermanual_hps140-hps140i.pdf
11. http://masteram.com.ua/ru/Digital-Scope-Multimeter-UNI-T-UT81B.php
12. http://masteram.com.ua/ru/Handheld-Digital-Oscilloscope-Hantek-
DSO1060.php
13. http://www.kosmodrom.com.ua/el.php?name=STM32F103VCT6
14. http://www.kosmodrom.com.ua/pdf/STM32F103VCT6.pdf
15. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9288.pdf
16. http://uk.wikipedia.org/wiki/FPGA
17. http://essentialscrap.com/dsoquad/iCE65Datasheet.pdf
18. http://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/Numonyx,Intel/M25PE16.pdf
19. http://www.icgoo.net/product/smart/s-913458-hdt240g40030mt12f1.html
20. http://www.displayfuture.com/Display/datasheet/controller/ILI9327.pdf
21. http://andybrown.me.uk/wk/2012/07/18/stm32plus-ili9327-tft-driver/
22. http://www.qxmd.com.cn/AspxPath/UploadFiles/Files/QX5238%2039%204
0.pdf
23. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/opa354.pdf
24. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cd74hc4051-q1.pdf
25. http://www.torex.co.jp/english/products/voltage_regulators/data/XC6206.pd
f
26. http://cds.linear.com/docs/Datasheet/3406fa.pdf
27. http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/lineartechnology/405442xf.pdf
28. http://www.fairchildsemi.com/ds/FD/FDFMA2P853.pdf
29. http://robozone.su/2008/04/28/modul-konvertera-usb-uart-ft232rl.html
30. http://www.ddrservice.info/files/Integrated-circuits/F/FT232RL.pdf
Лист
ЧДТУ.242256.001 ПЗ
60
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets