Розробка портативного багатофункціонального осцилографа

Агапі, Андрій Iванович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8228

Title:	Розробка портативного багатофункціонального осцилографа
Authors:	Воробкало, Тетяна Василівна Агапі, Андрій Iванович
Keywords:	цифровий осцилограф;мікроконтролер;генератор сигналів довільної форми;логічний аналізатор.
Issue Date:	2020
Abstract:	Мета роботи – розробка надійного, багатофункціонального портативний осцилограф з можливістю підключення до персонального комп’ютера через інтерфейс USB. Крім основної функції, він також матиме й додаткові – генератор сигналів довільної форми, логічний аналізатор та інші
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8228
Appears in Collections:	172 Електронні комунікації та радіотехніка (Радіотехніка та робототехнічні системи)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Б_172_Агапі_Воробкало.pdf Restricted Access		2.61 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ І РОБОТОТЕХНІКИ
КАФЕДРА РАДІОТЕХНІКИ, ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ І РОБОТОТЕХНІЧНИХ
СИСТЕМ

Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
бакалавра
(освітній ступінь)

на тему: Розробка портативного багатофункціонального осцилографа

Виконав: студент 4 курсу, групи CКРТ-88
спеціальності
172 «Телекомунікації та радіотехніка»
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності)
(освітня програма – «Радіотехніка та
робототехнічні системи»)
Агапі А.І.
(прізвище та ініціали)
Керівник Воробкало Т.В.
(прізвище та ініціали)
Рецензент Колесніков Д.В.
(прізвище та ініціали)

Черкаси – 2020 року
Черкаський державний технологічний університет
(назва вузу)
Факультет електронних технологій і робототехніки
Кафедра радіотехніки, телекомунікаційних і робототехнічних систем
Освітня програма Радіотехніка та робототехнічних систем
Спеціальність 172 – «Телекомунікації та Радіотехніка»

ЗАТВЕРДЖУЮ
Зав. кафедри РТРС
д.т.н., професор Палагін В.В.

« » 2020 р.

ЗАВДАННЯ
на дипломний проект (роботу) здобувачу освітнього ступеня
«бакалавр»
(назва ступеня)
Агапі Андрію Iвановичу
(прізвище, ім'я, по батькові)
1. Тема проекту (роботи) Розробка портативного багатофункціонального осцилографа

затверджена наказом по університету від « 24 » 02.2020 р. № 76/01
2. Термін здачі студентом закінченого проекту (роботи) 25.05.2020 р.
3. Вихідні дані до проекту (роботи) кількість каналів – 2, смуга пропускання – понад 100 кГц
тип дисплея – OLED, інтерфейс зв’язку з комп’ютером – USB, живлення – від батареї або порту
USB, додаткові функції - функціональний генератор

4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, що їх належить розробити)______
Вступ 1. Аналіз аналогічних пристроїв. 2. Розробка структурної схеми пристрою,
3. розробка та розрахунок принципової схеми пристрою. 4. охорона праці. Висновки.

5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)
Схема структурна, Схема електрична принципова, Друкована плата, Складальне креслення,
Плакат з охорони праці

6. Консультанти з проекту (роботи) із зазначенням розділів проекту, що їх стосуються
Підпис, дата
Розділ Консультант завдання завдання
видав прийняв
1. Охорона праці Кожем’якін Олексій Сергійович

7. Дата видачі завдання
Керівник Т.В. Воробкало
(підпис) (ініціали, прізвище)
Студент
(підпис) (ініціали, прізвище)

Календарний план
Пор. Назва етапів дипломного Т е р м і н виконання етапів П р и мітка
№ проекту (роботи) проекту (роботи)
1. Інформаційно-технічний пошук
та огляд літератури 16.02.2020
3. Обґрунтування технічного завдання 01.03.2020
4. Розробка структурної схеми пристрою 20.03.2020
5. Розробка принципової схеми пристрою 01.04.2020
6. Розрахунок схеми 10.04.2020
7. Охорона праці 30.04.2020
25.05.2020
8. Оформлення пояснювальної записки
9. Оформлення креслень 12.06.2020

Студент А.І. Агапі
(підпис)
Керівник проекту Т.В. Воробкало
(підпис)

ЗМІСТ
сторінка
Вступ ………………………………………………………………………………...5

Розділ 1. ІНФОРМАЦІЙНИЙ ПОШУК ТА АНАЛІЗ
АНАЛОГІЧНИХ ПРИСТРОЇВ ……..…................................................................7
1.1. Класифікація та призначення осцилографів …………………………….7
1.2. Основні параметри цифрових осцилографів …………………………….9
1.3. Промислові портативні цифрові осцилографи …………………….......11
1.4. Радіоаматорські цифрові осцилографи ………………………………...17

Розділ 2. ВИБІР ТА ОБҐРУНТУВАННЯ СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ ……...28
2.1. Обґрунтування технічного завдання........................................................28
2.2. Розробка структурної схеми …….………………………………………29

Розділ 3. РОЗРОБКА ТА РОЗРАХУНОК ПРИНЦИПОВОЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ
СХЕМИ …………...........................................................................................34
3.1. Вибір мікроконтролера ………….............................................................34
3.2. Вибір та підключення OLED-дисплея ………........................................ 39
3.3. Підключення інтерфейсів введення-виведення ………………………..44
3.4. Розрахунок атенюаторів та підсилювачів каналів …………………….47
3.5. Розрахунок підсилювача генератора довільної форми ………………..53
3.6. Розрахунок панелі керування …………………………………………...55
3.7. Розрахунок стабілізаторів напруги ……………………………………..57
3.8. Розрахунок перетворювача напруги ……………………………………59

СКРТ88.020.049.248 ПЗ
Змн. Лист № докум. Підпис Дата
Розроб. Агапі А. Літ. Арк. Акрушів
Євд Розробка портативного
Пероеквиірм.е нко Воробкало Т.В. 3 83
багатофункціонального

Н. Контр. Воробкало Т.В. осцилографа ЧДТУ
Затверд. Палагін В.В.
3.9. Складання та налаштовування пристрою ……………………………...63
3.10. Розрахунок надійності пристрою………………………………………64

Розділ 4. ОХОРОНА ПРАЦІ..................................................................................68
5.1. Аналіз небезпек та шкідливостей, що виникають при
проектуванні портативного багатофункціонального осцилографа
в приміщенні інженерного відділу……………………............................68
5.2. Модернізація системи комбінованого штучного освітлення …………73

Висновки ............................................................................................................…..81
Список використаної літератури….....................................................................82
Арк
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
4
Змн Арк № докум. Підпис Дата

ВСТУП
Осцилограф – це прилад, призначений для дослідження електричних
сигналів в часовій області шляхом візуального спостереження графіка сигналу на
екрані, а також для виміру амплітудних і часових параметрів сигналу за формою
графіка.
Осцилограф є обов’язковим інструментом в будь-якій майстерні з ремонту
радіоапаратури, також вони вкрай необхідні в лабораторіях при проведенні різних
електрофізичних досліджень.
Застосування сучасних цифрових технологій привело до серйозної зміни
характеристик і можливостей цих приладів. Осцилографи останніх поколінь
стають багатофункціональними пристроями; вони мають невеликі розміри,
кольоровий екран тощо.
Класичними вважаються аналогові осцилографи, виконані на основі
електронно-променевої трубки. Але багато радіоаматорів та фахівців з ремонту
радіоелектронної апаратури прагли б мати у своєму розпорядженні компактний
кишеньковий вимірювальний прилад.
Цифрові запам’ятовувальні осцилографи в порівнянні з аналоговими
попередниками мають більш широкі можливості, а завдяки зниженню вартості
цифрових схем з кожним роком вони стають більш доступними потенційним
покупцям. В загальному виді цифровий осцилограф складається з вхідного
дільника, підсилювача, аналого-цифрового перетворювача, блоку пам’яті,
пристрою керування й пристрою відображення. Пристрій відображення зазвичай
виконується на основі рідкокристалічної панелі.
Прогрес розвитку цифрових технологій дозволив звичайні стаціонарні
цифрові осцилографи перетворити в портативні осцилографи з відмінними
вагогабаритними показниками й з малим енергоспоживанням. До того ж
портативні прилади з живленням від батарейок не поступаються стаціонарним
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
5
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

осцилографам по функціональності та мають широкі можливості застосування в
різних галузях виробництва, обслуговування, досліджень.
Віртуальні осцилографи – новий клас осцилографів, який може бути як
зовнішнім приладом з USB або паралельним портом введення-виводу даних, або
являє собою плату, встановлену в персональний комп’ютер. Програмне
забезпечення будь-якого віртуального осцилографа дає можливість повного
керування приладом, а також надає ряд сервісних можливостей, наприклад,
експорт/імпорт даних, математична обробка сигналів, розширені виміри, цифрова
фільтрація тощо.
Метою даної дипломній роботі є розробка надійного,
багатофункціонального портативний осцилограф з можливістю підключення до
персонального комп’ютера через інтерфейс USB. Крім основної функції, він
також матиме й додаткові – генератор сигналів довільної форми, логічний
аналізатор та інші. Також особливістю спроектованого приладу буде
використання в ньому сучасного OLED-дисплея.

Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
6
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1. ІНФОРМАЦІЙНИЙ ПОШУК ТА АНАЛІЗ АНАЛОГІЧНИХ ПРИСТРОЇВ

1.1. Класифікація та призначення осцилографів

У перекладі з двох мов (грецької і латини) назва даного приладу
«осцилограф» означає «качаюсь/пишу». Пристрій призначений, щоб
досліджувати, спостерігати, вимірювати і записувати амплітудні, часові
параметри електричних сигналів, які виводяться на вході, на екрані або
записуються на носії інформації [1].
Осцилографи відносяться до вимірювальної техніки, яка призначена для
того, щоб вивчати часові та амплітудні коливання електричних сигналів. Прилад
використовується в багатьох сферах для контролю якості сигналу.
Спочатку, електричні коливальні процеси фіксувалися в паперовому
варіанті вручну. Вперше автоматизувати процес вирішив Жюль Франсуа Жубер
(1880 рік). Саме він визначив, що реєструвати сигнал необхідно крок за кроком.
Метод Жубера розвинули і удосконалили російський фізик Коллі і француз
Блондель, відповідно, в 1885 і 1893 роках. Перші осцилографи мали велику
інерцію, яка не дозволяла фіксувати швидкі процеси. Даний недолік усунув
Вільям Дадделл, який створив осцилограф світлопроменевий, в якому
вимірювальним елементом служило дзеркальце, а показання проводилися на
спеціальну пластину, чутливу до світла. Вершина розвитку методу – це
багатоканальний стрічковий осцилограф. 1899 рік – І. Зеннек додавдо пристрою
горизонтальну розгортку, яка і робить апарат більш відповідним сучасному
осцилографу.
Розглянемо класифікацію осцилографів.
За логікою роботи та призначення осцилографи поділяються на:
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
7
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• Аналогові (в режимі реального часу)
• Запам’ятовуючі (аналогові, цифрові)
• Стробуючі
За Кількістю променів – одне – двох… променеві, кількість цих променів
може досягти 16 і більше.
Є також і осцилографи, сумісні з іншими вимірювальними пристроями.
Осцилограф може бути не тільки автономним приладом, але і приставкою,
наприклад, до комп’ютерів, як карта розширення, або ж з підключенням до
зовнішнього порту.
Аналогові осцилографи складаються з
• електронно-променевої трубки (ЕПТ)
• блоку горизонтальної розгортки , що генерує
періодичний/одноразовий сигнал, який лінійно наростає, а потім швидко спадає.
• вхідного підсилювача (досліджує сигнал, при якому вихід
підключений до пластини відхилення по вертикалі).
• деяких, допоміжних блоків: управління яскравості, калібратора
(дальності і амплітуди).
З розвитком електроніки виникла необхідність замінити ЕПТ іншим
пристроєм відображення інформації, який був би більш компактним, мав менші
напруги роботи, управління, модуляції, розгортки, менше електроспоживання
привело до використання цифрових осцилографів з матричними індикаторами.
У порівнянні з аналоговими такі прилади мають ширші можливості, але й
більш високу вартість. Загалом цифровий осцилограф складається з вхідного
подільника, нормалізуючого підсилювача, аналого-цифрового перетворювача,
блока пам'яті пристрою керування та пристрою відображення [2].
Вхідний сигнал після нормалізації перетворюється у цифрову форму та
записується у пам'ять. Швидкість запису (кількість значень, що записуються, за
секунду) задається пристроєм керування, її верхня межа визначається
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
8
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

параметрами аналого-цифрового перетворювача, а нижня межа теоретично не
обмежена, на відміну від аналогових осцилографів.
Оцифрування сигналу дає змогу уникнути відображення сигналу у
реальному масштабі часу та таким чином підвищити стійкість зображення, надає
можливість зберігати результати, спрощує масштабування. Використання
дисплею на рідких кристалах дає змогу відображати будь-яку додаткову
інформацію та керувати приладом за допомогою меню. Деякі прилади мають
кольоровий дисплей, який дає змогу гарно розрізняти сигнали різних каналів.
Сучасні цифрові осцилографи мають високу чутливість (градація шкали від
1 мВ) та роздільну здатність (від 8 до 14 біт), широкий діапазон часу розгортки
(від 2 нс до 50 с), розвинену логіку синхронізації з будь-якими затримками
запуску розгортки. Крім звичайних схем запуску синхронізації може відбуватися
запуск у разі досягнення сигналом певного значення. Процесори цифрової
обробки дають змогу досліджувати спектр сигналу з використанням швидкого
перетворення Фур'є. Цифрове подання інформації забезпечує можливість її
збереження у пам'яті комп'ютера або виводу безпосередньо на принтер.

1.2. Основні параметри цифрових осцилографів

Разом з мультиметрами, цифрові осцилографи можна вважати
найпоширенішими контрольно–вимірювальними приладами в багатьох технічних
галузях виробництва й наукових досліджень.
Основними робочими характеристиками цифрових осцилографів є наступні
параметри [5].
Смуга пропускання – максимальна частота пропускання приладу й
дорівнює частоті, на якій амплітуда сигналу зменшується до 3дБ (логарифмічна
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
9
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

залежність). Для цифрових осцилографів розрізняють поняття смуги пропускання
для повторюваних та для однократних сигналів. Перша з них не залежить від
частоти дискретизації, і має досить високе значення, тому що осцилограф
відтворює повторюваний сигнал за кілька запусків. При роботі з однократними
сигналами смуга пропускання залежить від частоти дискретизації, тому що
осцилографу необхідно захопити й оцифрувати отриманий сигнал за один такт.
Ще одна характеристика, що визначає вимоги до смуги частот – час
наростання фронту імпульсу. Часто досліджувані сигнали містять безліч гармонік
на високих частотах. Якщо значення смуги частот осцилографа буде
незадовільним, то при спостеріганні прямокутного сигналу на екрані замість
чітких країв, що характеризують високу швидкість наростання фронту імпульсу,
будуть відображатися закруглені кути.
Частота дискретизації – дорівнює швидкості, з якою осцилограф може
оцифровувати вхідний сигнал. Ця характеристика при більш високих значеннях
відповідає за більш високі значення смуги пропускання. Зазначене в інструкції
значення частоти дискретизації стосується тільки одного каналу, а при роботі з
декількома каналами ця характеристика зменшується й приводить до появи
перекручених сигналів. Більшість осцилографів працюють на максимальній
частоті дискретизації тільки на найшвидших швидкостях розгортки, а на
повільних частота дискретизації автоматично зменшується.
Об’єм пам’яті – характеристика цифрового осцилографа, яка пов’язана зі
значенням частоти дискретизації, а також залежить від необхідного часу
безперервного аналізу. Прилади з більшим об’ємом пам’яті дозволяють
переглядати захоплені сигнали більш тривалі періоди часу з більшим дозволом
між крапками.
Кількість каналів – характеристика, яка забезпечує користувачеві
можливість одночасного дослідження двох або більше сигналів. Слід зазначити,
що на сьогоднішній день найбільшим попитом користуються двоканальні
осцилографи.
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
10
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Режими синхронізації – запуск осцилографа по фронту (перепаду)
досліджуваного або допоміжного сигналу. Сучасні моделі осцилографів
пропонують додаткові функції запусків, наприклад, по логічному стану, по
імпульсній перешкоді тощо.
Режими курсорних вимірів – дозволяють робити амплітудні або часові
виміри шляхом установки вертикальних або горизонтальних курсорів у потрібні
крапки осцилограми. Наприклад, при амплітудних вимірах можна визначити
значення розмаху або різниці напруг, а при часових вимірах – різницю значень по
вісі часу.

1.3. 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,
мультиметри та осцилографи) дуже поширена як на ринку України, так і в світі в
цілому.
Осцилограф-щуп «RPS2010» зображено на рисунку 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
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
11
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

складно. Керування приладом дуже просте, нескладне для вивчення, навіть для
робітників, що стикаються з осцилографом вперше.

Рис. 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);
• вартість – 2000 грн.
Мініатюрний осцилограф «HPS140I» бельгійського виробника «Velleman
Instruments» зображено на рисунку 1.2 [6]. При дуже компактних габаритах
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
12
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

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.

Рис. 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 – 2664 грн.
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
13
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 рисунку. 1.3. Його особливістю є розширені
можливості в якості мультиметра, тому він легко поєднує в собі ці два основні
вимірювальні прилади.

Рис. 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;
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
14
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• 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 – 3499 грн.
Осцилограф «DSO1060» [8] китайського виробника «Hantek Electronic Co.»,
виробника професійної вимірювальної техніки. Пристрій зображено на рисунку
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.

Рис. 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;
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
15
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• 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;
• вартість – 4703 грн.
Осцилограф-мультиметр FLUKE 123 [9] (компанія «Fluke Corporation»,
США) зображено на рисунку 1.5.

Рис. 1.5. Осцилограф-мультиметр FLUKE 123

Основні технічні характеристики осцилографа FLUKE 123:
• смуга пропускання – 0…20 МГц (-3дБ);
• кількість каналів – 2;
• частота дискретизації – до 25 МГц;
• розрядність АЦП – 8 біт;
• коефіцієнт відхилення – 5 мВ/діл…500 В/діл;
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
16
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• коефіцієнт розгортки – 20 нс/діл…5 с/діл;
• збереження в пам’яті до 2 осцилограм та 10 профілей;
• зв’язок з комп’ютером – інтерфейси USB та оптично ізольований RS-232;
• вивід інформації – монохромний рідкокристалічний дисплей 240х240;
• можливості в режимі мультиметра – вимірювання постійної та змінної
напруги, опору, ємності, частоти, температури;
• живлення – NiCd акумулятор BP120 (4.8 В) та мережевий адаптер PM8907;
• вартість – 17415 грн. (2177 $).

1.4. Радіоаматорські цифрові осцилографи

Висока вартість промислових портативних цифрових осцилографів
заохочує радіоаматорів до створення аналогічних пристроїв. Розглянемо кілька
аматорських осцилографічних приладів.
На рисунку 1.6 зображена схема простого осцилографа [10]. Його створено
на основі мікроконтролера AVR ATmega32 фірми «ATMEL Corporation», в якості
дисплея використовується рідкокристалічний модуль DEM128064A. Осцилограф
має перемикач закритого/відкритого входу, перемикач підсилення атенюатора
має лише два положення – 1:1 та 1:2. В схемі використовується АЦП вбудований
в мікроконтролер. Таке рішення є типовим для аматорських конструкцій, це
спрощує та здешевлює пристрій, робить його більш економним. Невисока вхідна
частота вбудованих АЦП часто є достатньою для радіоаматорських потреб.
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
17
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 1.6. Електрична схема осцилографа на мікроконтролері ATmega32

Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
18
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Технічні характеристики осцилографа на мікроконтролері ATmega32:
• смуга пропускання вхідних сигналів – 0…5 кГц;
• кількість каналів – 1;
• розрядність АЦП – 10 біт;
• діапазон дослідної вхідної напруги – -2,5 В…+2,5 В або 0…5 В;
• можливість збереження в пам’яті 1 осцилограми;
• вивід інформації – монохромний рідкокристалічний дисплей 128х64;
• живлення – мережевий адаптер 12 В.
Недоліками цієї схеми є: низька межа смуги пропускання вхідних сигналів,
малий діапазон вхідної напруги сигналу, відсутність зовнішнього входу
синхронізації, не передбачена можливість роботи з акумуляторною батареєю та
інші. Проте цей пристрій легкий для повторення навіть радіоаматорами-
початківцями, програма для мікроконтролера доступна й безкоштовна, тому дана
схема є поширеною.
На рисунку 1.7 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»:
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
Змн. Арк. 19
№ докум. Підпис Дата

• 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.

Рис. 1.7. 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
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
20
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

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 рисунку 1.8 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.
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.
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
21
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 1.8. Електрична схема цифрового осцилографічного пробника «Хамелеон»
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
Змн. Арк. 22
№ 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 рисунку 1.9. 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. 1.9. Макет цифрового осцилографічного пробника «Хамелеон»

Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
23
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.
На рисунку 1.10 зображена схема малогабаритного осцилографа-
мультиметра [11]. Його створено на основі мікроконтролера PIC16F873 фірми
«Microchip Technology Inc.», в якості дисплея використовується
рідкокристалічний модуль MT12864A-1.
Технічні характеристики осцилографа-мультиметра на мікроконтролері
PIC16F873:
• кількість осцилографічних каналів – 2;
• тривалість розгортки – 0,005…500 с;
• чутливість каналів вертикального відхилення – 640 мВ;
• режими синхронізації – автоматичний, ручний, зовнішній сигналом TTL-рівня;
• розрядність АЦП – 10 біт;
• вивід інформації – монохромний рідкокристалічний дисплей 128х64;
• режими вимірювання мультиметра – опір, ємність;
• можливість збереження в пам’яті 1 осцилограми;
• живлення – акумулятор 3,6 В.
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
24
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 1.10. Електрична схема осцилографа на мікроконтролері PIC16F873
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
25
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Працює осцилограф наступним чином. Вхідний сигнал подають на роз’єм
1XS1…1XS4. Далі через резистивний подільник 1R1-1R4 сигнал находить до
підсилювача 1DA1. Ця мікросхема містить в собі два окремих операційних
підсилювача, кожен канал осцилографа використовує один з цих ОП. Коефіцієнт
підсилення 1DA1 вибирають перемикачем 1SA1. Змінний резистор 1R6 здійснює
вертикальний зсув осцилограми на екрані пристрою.
Підсилені сигнали від обох каналів надходять до входів АЦП
мікроконтролера, який здійснює обробку сигналів. Мікроконтролер виводить
графіки на рідкокристалічний дисплей HG1, а також вимірює амплітудні та діючі
значення вхідних напруг, вхідну частоту періодичного сигналу.
На вхід XS1 «Пуск» можна подати сигнал зовнішньої синхронізації –
імпульс логічної «1» TTL-рівня. Для ручного запуску розгортки служить кнопка
SB1 «Пуск».
Блок вимірювання опору та ємності має в своїй основі джерело постійного
струму на транзисторі 3VT1. Величину струму можна обирати перемикачем
3SA1, що відповідає зміні діапазону вимірювання. Вимірюваний резистор або
конденсатор підключають до гнізд 3XS1 та 3XS2. В режимі вимірювання опору
напруга на виході джерела струму буде пропорційна опору вимірюваного
резистора. В режимі вимірювання ємності за допомогою транзисторних ключів
3VT2-3VT3 мікроконтролер керує процесом заряду/розряду конденсатора
стабільним струмом від джерела. Час заряджання конденсатора до порогової
напруги відповідатиме його ємності. Отриманий результат помножують на
обраний перемикачем 3SA1 коефіцієнт.
Калібрування вимірювача опору роблять підстроювальним резистором 3R1.
Для калібрування вимірювача ємності роблять підбиранням програмних затримок
мікроконтролера, якщо частота кварцового резонатора відхиляються від вказаної.
Живлення осцилографа-мультиметрами від акумуляторної батареї
здійснюється за допомогою перетворювача напруги. На виходах перетворювача
отримуються: + 4,6 В, -3,6 В та -0,7 В.
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
26
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Недоліками розглянутої схеми можна вважати: вузьку смугу пропускання
осцилографічних каналів (біля 12 кГц), відсутність режиму «закритого входу»,
використання кварцового резонатора з нерозповсюдженої частотою (18600 Гц).
Перетворювач напруги цього осцилографа-мультиметра невиправдано
складний, незручний для повторення. Використання в ньому сучасного
інтегрального DC/DC-конвертера значно спростило б його, зменшило в розмірі та
додало стабільності. Наприклад, напругу -0,7 В, яка живить низьким струмом
лише змінні резистори 1R6 та 2R6 (зсув осцилограм), можна було б сформувати
простим стабілізатором з напруги -3,6 В, а не використовувати для цього окрему
обмотку III імпульсного трансформатора T1.
В даній дипломній роботі буде розроблено осцилограф з кращими
характеристиками, ніж розглянуті аматорські пристрої – з вищою верхньою
межею смуги пропускання, кращими показниками електроспоживання, з
використаннями сучасних інтегральних мікросхем.

Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
27
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

2. ВИБІР ТА ОБҐРУНТУВАННЯ СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ

2.1. Обґрунтування технічного завдання

В даній дипломній роботі відповідно до технічного завдання необхідно
розробити надійний, багатофункціональний портативний осцилограф з
наступними технічними характеристиками:
• смуга пропускання – понад 100 кГц;
• кількість каналів – 2;
• тип дисплея – OLED;
• інтерфейс зв’язку з комп’ютером – USB;
• живлення – від батареї або порту USB.
Розглянуті в попередньому розділі схеми осцилографів найчастіше
використовують мікроконтролер, який має низьку вартість та широке поширення.
Але зазвичай такі мікроконтролери мають в своєму складі АЦП з повільною
швидкістю перетворення. В розглянутих аматорських пристроях верхня межа
смуги пропускання складала всього біля 5 кГц. Тому для відповідності
технічному завданню потрібно вибрати такий мікроконтролер, який містив би
швидкісний АЦП.
Для відображення осцилограм в кишенькових осцилографічних приладах
найчастіше використовується LCD-модуль невеликого розміру. В аматорських
конструкціях часто застосовують дисплей від мобільного телефону. Але значна
частина споживчого струму йде на ланцюг підсвічування такого дисплея, що
вагомо при живленні приладу від акумуляторної батареї.
В теперішній час широкого розповсюдження в різних типах техніки
знаходять OLED-дисплеї. Завдяки своїм привабливим характеристикам ця
технологія поступово витісняє класичні рідкокристалічні дисплеї.
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
28
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Тому в спроектованому осцилографі буде застосовано OLED-дисплей. Для
його роботи підсвічування не потрібне, тому що в ньому світяться активні пікселі
екрану.
Виведення графічної інформації осцилографа буде здійснюватись як на
дисплей пристрою, так і на комп’ютері при з’єднанні через порт USB, який є в
будь-якому персональному комп’ютері нашого часу.
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 багатофункціонального портативного осцилографа на
мікроконтролері зображена на рисунку 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. Особливістю обраного
мікроконтролера є наявність швидкісного АЦП, достатнього об’єму пам’яті для
обробки й зберігання осцилограм, достатньої кількості портів вводу-виведення
для підключення всіх елементів структурної схеми.
Працює осцилограф наступним чином. Сигнали, які потрібно дослідити,
подають на входи «1» або «2». Вони проходять через перемикачі
«закритого/відкритого» входу й потрапляють до атенюаторів. Атенюатори
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
29
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

призначені для каліброваного ступінчатого змінення коефіцієнту відхилення
шляхом послаблення вхідного сигналу в 10, 100, 1000 разів. 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 (АЦП) в
мікроконтролері. Для того, щоб розмах дослідного сигналу на входах АЦП був в
певних межах мікроконтролер за допомогою перемикача вертикального
відхилення змінює коефіцієнт послаблення сигналу атенюаторів. При зростанні
амплітуди вхідного сигналу коефіцієнт послаблення автоматично збільшується.
Синхронізація та запуск розгортки осцилографа здійснюються 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 осцилографа (такий
режим обирають при дослідження повільних сигналів та при очікування
короткого імпульсу на вході);
• зовнішня синхронізація – розгортка починається при надходженні на тригер
запуску імпульсу синхронізації.
При потребі досліджувати не аналогові, а цифрові сигнали, пристрій
переключають в режим логічного аналізатора. Прилад має вісім логічних входів
(повний байт), сигнали з яких потрапляють на окремий порт мікроконтролера. На
екрані осцилографа можна досліджувати одночасно стільки вхідних логічних
сигналів (від 1 до 8), скільки обирає користувач; решта входів будуть
неактивними. В режимі логічного аналізатора мають місці ті ж самі режими
синхронізації, як і в режимі осцилографа.

Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
30
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 2.1. Структурна схема багатофункціонального портативного осцилографа

Отримані результати досліджень (осцилограми аналогових сигналів,
послідовності цифрових сигналів на логічних входах) мікроконтролер виводить
на дисплей. В схемі застосовано OLED-дисплей як більш економний, що
збільшить тривалість роботи пристрою при живленні від батарей. Для роботи
такого дисплея не потрібне підсвічування – в ньому світиться кожен активний
піксель. При виведенні на екран зображення осцилограм більшість точок дисплея
є погашеними, засвічена лише лінія дослідного сигналу та вісі з мітками. При
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 31

такому характері зображення, коли світиться лише меншість пікселів, доцільніше
використовувати саме OLED-дисплей.
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 також 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 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 та інше) використовується панель
керування. Також з її допомогою робиться ручний запуск синхронізації.
Звуковий сигналізатор 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.
При необхідності оновити або налаштувати програмне забезпечення
мікроконтролера його підключають до програматора через спеціальний роз’єм
інтерфейсу PDI, розташований на платі осцилографа. Цей інтерфейс підтримує
високошвидкісне програмування всіх просторів енергонезалежної пам’яті, в тому
числі FLASH-пам’ять, EEPOM, Fuse-біти, Lock-биті й сигнатурний код
користувача. Програмування здійснюється шляхом доступу до контролера
енергонезалежної пам’яті (NVM-контролер) й виконання NVM-контролером
певних команд.
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
32
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

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
комп’ютера. Для цього буде використовуватись спеціальна програма.
Живлення осцилографа відбувається з двох джерел: від гальванічної
батареї або від ланцюга USB при підключенні до комп’ютера. Напруга на
гальванічній батареї не є постійною, вона знижується з часом експлуатації; для
отримання фіксованої напруги живлення служить перетворювач напруги. На його
виході будемо мати постійну напругу +5 В, яка дає струм для живлення всіх
вузлів схеми. В цьому ж вузлі здійснюється контроль за станом батареї; якщо
напруга на ній падає до рівня, близького до розрядженого стану, подається сигнал
до мікроконтролера, який повідомляє на дисплеї про необхідність замінити
батарею живлення.
Стабілізатор напруги забезпечує живленням мікроконтролер та OLED-
дисплей. Цей вузол необхідний, тому що вимоги мікроконтролера до якості
живлення є підвищеними; стабільне живлення є запорукою стабільної роботи
його складових частин.
Перетворювач напруги формує з напруги +5 В негативну напругу -5 В. Це
необхідно для двополярного живлення операційних підсилювачів у
вимірювальній частині осцилографа.
Джерело опорної напруги формує стабілізовану зразкову напругу, яка
використовується для роботи АЦП.
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
33
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3. РОЗРОБКА ТА РОЗРАХУНОК ПРИНЦИПОВОЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ
СХЕМИ

3.1. Вибір мікроконтролера

Найважливішим елементом цифрового осцилографа є аналого-цифровий
перетворювач. Більшість мікроконтролерів містять в своєму складі АЦП з
невисокою частотою дискретизації, здатних досліджувати вхідні сигнали до 5-10
кГц. Для створення осцилографа зі смугою пропускання понад 100 кГц слід
вибирати спеціалізований мікроконтролер з швидкісним АЦП. Крім того,
енергоспоживання мікроконтролера повинно бути дуже низьким для тривалої
роботи приладу від акумулятора. Такими є високоефективні малопотужні FLASH-
мікроконтролери «AVR XMEGA» компанії «Atmel Corporation» [12].
Нове сімейство «AVR XMEGA™» переносить 8-ми та 16-бітні
мікроконтролери на новий рівень системних характеристик. Все більше й більше
існуючих нині сімейств мікроконтролерів стають неадекватними сучасним
вимогам. Щоб підтримувати затребуваність мікроконтролера, він повинні мати в
собі широкий асортимент інтегрованих пристроїв введення-виведення, низьку
споживчу потужність, мати більш низьку вартість. В зв’язку з цим,
мікроконтролери «AVR XMEGA» можуть виступати в якості еталонних в сфері
широкого застосування.
Мікроконтролери «AVR XMEGA» здатні працювати при напрузі живлення
всього від 1,6 В досягати продуктивності 32 MIPS на тактовій частоті 32 МГц.
Вони містять FLASH-пам'ять розміром 16…384 КБ й поставляються в 44…100-
вивідних корпусах.
Мікроконтролери «XMEGA» є мікроконтролерами загального
призначення, в тому числі: аудіосистеми, медична техніка, контролери
автоматизації, комунікаційне устаткування, вимірювальні прилади, системи
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
34
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

керування електроприводами, побутове електроустаткування й будь-яка інша
продукція з батарейним живленням.
Технологія «picoPower» компанії «Atmel» визнана ринком як передова
енергозберігаюча технологія. Використана при реалізації мікроконтролерів «AVR
XMEGA» вона дозволяє поліпшити ефективність використання батарейного
джерела живлення. Гарантоване функціонування при низькій напрузі (від 1,6 В до
3,6 В) дозволяє знизити собівартість системи й збільшити тривалість роботи від
батарейного джерела.
Інноваційна система обробки подій «Event System» дозволяє організувати
передачу даних між вбудованими периферійними пристроями без втручання
центрального процесорного пристрою (ЦПП). Цим гарантується 100-вітсоткова
передбачуваність та малий час реагування.
Для забезпечення високоточної обробки аналогових сигналів до складу
мікроконтролерів «XMEGA» інтегровані 12-бітні аналого-цифрові перетворювачі.
Вони можуть досягати частоти перетворення до 2 МГц, що робить їхніми самими
швидкодіючими й точними на фоні АЦП звичайних мікроконтролерів. Також в
мікроконтролери цього сімейства інтегровані 12-бітні ЦАП з частотою
перетворення до 1 МГц та вдосконалені аналогові компаратори.
4-канальний контролер ПДП (прямого доступу до пам’яті) забезпечує
швидкодіючу й незалежну від ЦПП передачу даних, дозволяючи суттєво
поліпшити робочі характеристики. Контролер ПДП мікроконтролерів «XMEGA»
здатний організувати автоматичну передачу даних між різними типами пам'яті
даних і периферійними пристроями.
Мікроконтролери «XMEGA» використовують той же набір інструкцій, що
й існуючі мікроконтролери «AVR», сумісні по розташуванню виводів й
програмному коду, тому інженери-розроблювачі можуть повторно
використовувати вихідний код програм в будь-якому проекті.
Також мікроконтролери «XMEGA» підтримуються повним набором
існуючих простих у використанні інструментальних засобів для мікроконтролерів
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
35
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

«AVR», в тому числі інтегроване середовище для проектування «AVR Studio»,
набори для проектування та налаштування.
Виберемо для виконання умов технічного завдання мікроконтролер
ATxmega32A4 [13]. Основні технічні параметри цих мікроконтролерів:
• розрядність – 8/16 біт;
• тактова частота – 0…12 МГц (при напрузі живлення 1,8…2,7 В), 0…32 МГц
(при напрузі живлення 2,7…3,6 В);
• об’єм FLASH-пам’яті – 32 KБ;
• об’єм EEPROM-пам’яті – 2 КБ;
• об’єм статичної оперативної пам’яті – 4 КБ;
• сектор пам’яті програм з окремими бітами захисту – 4 КБ;
• канали внутрішніх АЦП – один 12-канальний 12-бітний АЦП з частотою
перетворення до 2 МГц;
• канали внутрішніх ЦАП, один 2-канальний 12-бітний ЦАП з частотою
перетворення до 1 МГц;
• кількість аналоговий компараторів – 2;
• кількість таймерів – п’ять 16-розрядних;
• кількість програмувальних ліній вводу-виводу – 36;
• вбудовані інтерфейси – два сумісних з I2C, два SPI, один PDI;
• напруга живлення – від 1,8 до 3,6 В;
• максимальний вихідний струм – 20 мА;
• максимальний споживчий струм – 14 мА (при тактовій частоті 32 МГц);
• тип корпусу – 44-вивідний TQFP.
Архітектура мікроконтролера ATxmega32A4 показана на рис. 3.1, а
розташування його виводів – на рис. 3.2. Виводи портів мають цільове
призначення, тому розробку електричної принципової схеми слід робити з
урахуванням цієї особливості.
Для кращої продуктивності мікроконтролера вибираємо його напругу
живлення близьку до максимальної:
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
36
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

U Ж.1 = 3,3 B . (3.1)

Рис. 3.1. Архітектура мікроконтролера ATxmega32A4
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
37
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.2. Розташування виводів мікроконтролера ATxmega32A4

Мікроконтролер ATxmega32A4 при напрузі живлення 3,3 В може
працювати з частотою тактового генератора від 0 до 32 МГц. Від цієї частоти
залежить його продуктивність роботи та споживчий струм. Залежність
споживчого струму від частоти генератора показана на рис. 3.3.
Виберемо частоту тактового генератора 16 МГц, при ній мікроконтролер
матиме достатню продуктивність та помірне енергоспоживання, що важливо при
роботі осцилографа від батарейного живлення. На цій частоті при напрузі
живлення 3,3 В максимальний споживчій струм мікроконтролера рівний 7,5 мА.
Схема підключення кварцового резонатора ZQ1 показана на рис. 3.4. В
якості ZQ1 вибираємо кварцовий резонатор для поверхневого монтажу типу 7M-
16.000MAAJ-T [14]. Ємності конденсаторів С10 та С11 вибираємо 15 пФ згідно
рекомендації виробника мікроконтролера.
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
38
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.3. Залежність споживчого струму мікроконтролера ATxmega32A4
від частоти тактового резонатора при різних напругах живлення

3.2. Вибір та підключення OLED-дисплея

В схемі осцилографа для виводу графічної інформації використовується
дисплей нового покоління – OLED-дисплей.
Перевагами сучасних OLED-дисплеїв порівняно з рідкокристалічними
дисплеями є:
• відсутність необхідності в підсвічуванні – це підвищує надійність пристрою;
• менша товщина та вага дисплею, що важливо для мініатюрних пристроїв;
• менше енергоспоживання при тій же яскравості;
• можливість створення гнучкого екрану – технологія FOLED (Flexible OLED);
• відсутність такого параметру як кут обзору – зображення видно без втрати
якості з будь-якого кута;
• більш якісна передача кольорів (для кольорових дисплеїв);
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
39
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• зображення більш чітке й контрастне.
OLED-дисплеї класифікуються за способом керування на дві основні
групи: PMOLED (PM – пасивна матриця) та AMOLED (AM – активна матриця). В
PMOLED-дисплеях використовуються контролери розгорнення зображення на
рядки й стовпці. Щоб запалити піксель, необхідно включити відповідний рядок і
стовпець: на їх перетинанні піксель буде випромінювати світло. За один такт
можна змусити світитися тільки один піксель. Тому щоб змусити світитися весь
дисплей, необхідно дуже швидко подати сигнали на всі пікселі шляхом перебору
всіх рядків і стовпців. Дисплеї на основі PMOLED дешевші у виробництві, але
через необхідність рядкового розгорнення зображення неможливо отримати
дисплей великого розміру із прийнятною якістю зображення. Зазвичай розміри
PMOLED-дисплеїв не перевищують 3". В AMOLED-дисплеях кожен піксель
керується індивідуально, тому вони можуть швидко відтворювати зображення.
Виробництво AMOLED-дисплеїв дороге через складну схему керування
пікселями, на відміну від PMOLED, де для керування здійснюється за допомогою
досить простого контролера.
Для кишенькового осцилографа можна застосувати монохромний OLED-
дисплей як більш економний та дешевий. Будемо використовувати в якості HG1
(рис. 3.4.) дисплей типу UG-2864HSWEG01 з наступними технічними
параметрами [15]:
• режим роботи дисплея – пасивна матриця;
• колір зображення – монохромний білий;
• типова яскравість – 120 кд/м2;
• роздільна здатність – 128 х 64 пікселів;
• розмір дисплея – 26,7 х 19,26 х 1,45 мм;
• розмір екрану – 21,744 х 10,864 мм;
• напруга живлення логіки керування дисплеєм – 1,65…3,3 В;
• напруга живлення DC/DC-перетворювача – 3,5…4,2 В;
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
40
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• типовий споживчий струм логіки керування дисплеєм при заповненні екрану
на 50% – 180 мкА;
• типовий споживчий струм DC/DC-перетворювача заповненні екрану на 50% –
17,3 мА.

Рис. 3.4. Схема підключення OLED-дисплея UG-2864HSWEG01
та кварцового резонатора до мікроконтролера ATxmega32A4

Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
41
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Для підключення дисплею UG-2864HSWEG01 використовуються наступні
сигнали:
• VDD (Power Supply for Logic) – живлення логіки керування дисплеєм;
• VSS (Ground of Logic Circuit) – загальний провід логіки керування дисплеєм;
• VCC (Power Supply for OLED Panel) – живлення OLED-панелі;
• VLSS (Ground of Analog Circuit) – загальний провід аналогової частини;
• IREF (Current Reference for Brightness Adjustment) – встановлення струму для
керування яскравістю зображення;
• VCOMH (Voltage Output High Level for COM Signal) – напруга живлення
ланцюгів послідовних шин панелі;
• VBAT (Power Supply for DC/DC Converter Circuit) – напруга живлення схеми
DC/DC-перетворювача;
• C1P/C1N, C2P/C2N (Positive and Negative Terminal of the Flying Inverting and
Boost Capacitor) – позитивні та негативні виводи підключення конденсаторів
DC/DC-перетворювача;
• BS0-BS2 (Communicating Protocol Select) – встановлення двійкового коду для
вибору протоколу передачі даних («010» для I2C, «001» для 3-провідного SPI,
«000» для 4-провідного SPI, «100» для 8-бітного паралельного 68XX, «110»
для 8-бітного паралельного 80XX);
• RES (Power Reset for Controller and Driver) – ланцюг скидання контролера та
драйвера дисплея;
• CS (Chip Select) – дозвіл роботи дисплея;
• D/C (Data/Command Control) – переключення між передачею даних та команд
керування зображенням;
• E/RD (Read/Write Enable or Read) – дозвіл режиму читання-запису (для 68XX)
або читання даних (для 80XX);
• R/W (Read/Write Select or Write) – вибір режиму читання-запису (для 68XX )
або запис даних (для 80XX);
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
42
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• D0-D7 (Host Data Input/Output Bus) – 8-бітна паралельна шина даних, при
роботі дисплея по послідовному протоколу SPI та I2C використовуються лише
сигнали D0-D2;
• N.C. (Reserved Pin) – незадіяний (зарезервований) контакт, розташований між
контактами DC/DC-перетворювача та логікою керування дисплеєм;
• N.C. GND (Supporting Pin) – незадіяні в електричній схемі контакти, які є
крайніми в з’єднувальному шлейфі, призначені для зменшення механічного
впливу на функціональні контакти, з’єднуються із загальним проводом.
Мікроконтролер DD1 працюватиме з OLED-дисплеєм HG1 по 8-бітному
паралельному протоколу 68ХХ, тому на виводи BS0-BS2 дисплея подаємо
двійковий код «100». Виводи керування RES, D/C, R/W, E/RD підключаємо до
порту PD0-PD3 мікроконтролера, шину даних DB0-DB7 до портів PD4-PD7 та
PE0-PE3 DD1.
Крім основної живлення UЖ.1=3,3 В (3.1), також буде застосована напруга:

UЖ.2 = 5 B . (3.2)

Конденсатори C14, C15 DC/DC-перетворювача та C17, С20 ланцюгів
живлення вибираємо ємністю 1 мкФ згідно рекомендації виробника. Діоди VD2,
VD3 потрібні для зниження напруги UЖ.2 (5В) до допустимої для DC/DC-
перетворювача VBAT (3,5…4,2 В):

UVBAT =UЖ.2 −UVD2 −UVD3 , (3.3)
UVBAT = 5 B −0,6 B −0,6 B = 3,8 B .

Враховуючи низький споживчий струм (17,3 мА), вибираємо діоди типу
1N4148W для поверхневого монтажу [16].
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
43
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Напругу живлення VDD HG1 вибираємо 3,3 В для узгодженої роботі з
мікроконтролером. Конденсатори C8 та C13 по ланцюгам живлення VCOMH та
VCC вибираємо ємністю 3,3 мкФ, резистор R16 опором 820 кОм згідно
рекомендації виробника дисплея. Сигнал вибору кристалу CS, а також VSS, VLSS
з’єднані із загальним проводом.

3.3. Підключення інтерфейсів введення-виведення

На рисунку 3.5 зображено схему підключення мікроконтролера до решти
вузлів схеми.
Вимірювальний блок осцилографа підключається до портів PA5-PA7. Ці
порти програмуються як входи АЦП. На порт PA5 подається опорна напруга
величиною 1 В, а на PA6 та PA7 – сигнали з виходів підсилювачів І та ІІ каналів.
Це використовується для зменшення дрейфу нуля – вимірювальний сигнал
порівнюється з опорним. Результат, що виводиться на екран – це різниця напруг
між вихідним сигналом підсилювача на напругою опорного сигналу 1 В.
На порт PA0 подається опорна напруга 2 В, необхідна для роботи
вбудованих в мікроконтролер АЦП.
Виходи портів PA1 та PA2 використовуються для керування перемикачем
вертикального відхилення атенюаторів.
На порт PB3 подається вхідний сигнал синхронізації. Цей вхід
програмується як компараторний, який порівнює напругу синхроімпульсів з 1 В.
На порти PC0-PC7 підключаються входи 8-бітного логічного аналізатора.
Ці порти програмуються як логічні входи з підтягненням до шини живлення за
допомогою вбудованих резисторів.

Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
44
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.5. Схема підключення мікроконтролера до вимірювального блоку,
панелі керування, звукового сигналізатора, інтерфейсів введення-виведення

Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
45
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Вихід порту PB2 програмується як вихід ЦАП для підключення
підсилювача генератора довільної форми.
Вихід порту PA3 програмується як вихід широтно-імпульсного модулятора
(ШІМ) для підключення звукового сигналізатора.
На порт PA3 підключається панель керування. Цей порт програмується як
вхід АЦП.
Порти PB0, PB1 використовуються для реалізації інтерфейсу USB, до них
підключається роз’єм «Mini-USB» X6.
До спеціалізованих портів DAT та RES інтерфейсу PDI підключається
роз’єм X4 для завантаження й налаштовування програми мікроконтролера.
Для виконання функції звукового сигналізатора вибираємо в якості
елемента BA1 компактний п’єзоелектричний випромінювач HPS12F з
номінальною робочою напругою 3 В [17]. Під час роботи максимальний струм
через нього не перевищує 3 мА.
Роз’єм X4 для підключення програматора PDI повинен мати конфігурацію
2 х 3 контакти. Вибираємо X4 типу PLD-6 [18].
Роз’єм X5 для підключення входів логічного аналізатора вибираємо з
розташуванням 8 контактів в 1 ряд – типу PLS-8 [19].
Роз’єм X6 для підключення кабелю «Mini-USB» вибираємо стандартний
типу MiniUSB-A [20]. Обмежувальні резистори R20, R21 зазвичай вибирають
опором в межах 47…100 Ом, а R17 – 1,5 кОм. Виберемо R20, R21 – 68 Ом.

Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
46
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3.4. Розрахунок атенюаторів та підсилювачів каналів

Схема атенюаторів та підсилювачів каналів зображена на рисунку 3.6.
Атенюатори каналів осцилографа працюватимуть в наступних діапазонах вхідних
напруг:
• режим «1» – 0…0,1 В;
• режим «2» – 0…1 В;
• режим «3» – 0…10 В;
• режим «4» – 0…100 В.
Початковий розрахунок атенюаторів та підсилювачів каналів проведемо
для першого режиму для каналу І.
Мінімальний вхідний опір атенюатора повинен бути не менше 1 МОм,
тому опір вхідного резистора R2 візьмемо рівним 1 МОм. Для визначення
робочої точки атенюатора задамо співвідношення резисторів подільника напруги
R2R3:

R2 = R3=1 МОм . (3.4)

Максимальна напруга на виході подільника R2R3 буде рівною:

max
max max R3 U ВХ 0,1 В
U R3 =U ВХ  = = = 0,05 В
R2 + R3 2 2 . (3.5)

На режимах «2», «3» та «4» коефіцієнт передачі резистивного подільника
знижується, тому що паралельно до резистора R3 підключаються відповідно R27,
R28 та R29. Розрахуємо опори резисторів таким чином, щоб при вхідних напругах
1 В, 10 В та 100 В при підключенні паралельно до резистора R3 резисторів R27,
R28 та R29 відповідно напруга на виході атенюатора залишалась рівною 0,05 В.
Скористаємось заміною для режиму «2» (UВХ = 0…1 В):

Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
47
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.6. Схема перемикача вертикального відхилення,
атенюаторів, підсилювачів вимірювальних каналів

Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
48
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

RX = R3 || R27 , (3.6)
U max
R3 R
= X
U max
ВХ R2+ RX , (3.7)
U max
R = R3 R2 0,05 В 1 МОм
X = = 52,6З кОм
U max
ВХ −U max
R3 1 В − 0,05 В
, (3.8)
R3 R
R27 = X 1000000 Ом 52630 Ом
= = 55,6 кОм . (3.9)
R3− RX 1000000 Ом − 52630 Ом

Для режиму «3» (UВХ = 0…10 В):

RY = R3 || R28 , (3.10)
U max
R3 R
= Y
U max
ВХ R2 + RY , (3.11)
U max
R = R3 R2 0,05 В 1 МОм
Y = = 5,025 кОм
U max
ВХ −U max
R3 10 В − 0,05 В
, (3.12)
R3 RY 1000000 Ом 5025 Ом
R28 = = = 5,05 кОм . (3.13)
R3− RY 1000000 Ом − 5025 Ом

Для режиму «4» (UВХ = 0…100 В):

RZ = R3|| R29 , (3.14)
U max
R3 R
= Z
U max
ВХ R2+ RZ , (3.15)
U max R2 0,05 В 1 МОм
R R3
Z = = = 500,3 Ом
U max −U max
ВХ R3 100 В − 0,05 В , (3.16)
R3 RZ 1000000 Ом 500,3 Ом
R29 = = = 500,6 Ом . (3.17)
R3− RZ 1000000 Ом − 500,3 Ом
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
49
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

При цьому вхідний опір осцилографа буде рівним для режимів «1», «2»,
«3» та «4» відповідно:

RВХ .1 = R2+ R3 =1 МОм+1 МОм = 2 МОм , (3.18)
RВХ .2 = R2+ RX =1 МОм+ 53 кОм 1,05 МОм , (3.19)
RВХ .3 = R2+ RY =1 МОм+ 5 кОм 1 МОм , (3.20)
RВХ .4 = R2+ RZ =1 МОм+ 0,5 кОм 1 МОм . (3.21)

Розрахуємо вхідний конденсатор C28 для забезпечення в режимі закритого
входу мінімальної частоти вхідного сигналу 1 Гц:
min 1 1
C28 =  , (3.22)
2   FН  RВХ 2   FН  R2
1
C28min = = 0,16 мкФ .
2 3,14 1 Гц 1 МОм
Вимірювальні канали І та ІІ ідентичні. Вибираємо резистори R2, R3, R10 та
R12 опором 1 МОм, R27 та R30 – 56 кОм, R28 та R31 – 5,1 кОм, R29 та R32 – 510
Ом. Конденсатори C28 та C29 вибираємо ємністю 0,22 мкФ і робочою напругою
250 В. Гнізда X1 та X2 типу PBS2-2 з робочою напругою до 500 В [21], вимикачі
SA1 та SA2 типу MS-22C01 з робочою напругою до 250 В [22].
Для переключення коефіцієнту передачі атенюатора використано
аналоговий ключ-мультиплексор. В якості мультиплексора DD2 мікросхему
HEF4052BT [23], яка містить в собі подвійний 4-канальний аналоговий
комутатор. Основні технічні параметри HEF4052BT:
• конфігурація каналів – 2 мультиплексора-демультиплексора на 4 положення;
• типовий опір аналогових ключів – 50 Ом;
• напруга живлення – однополярна 3…15 В або двополярна ±3…±7,5 В;
• максимальний споживчий струм (при UЖ =10 В) – 10 мкА .
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
50
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Вихідні сигнали мультиплексора ZA та ZB з’єднані із загальним проводом.
Враховуючи опір аналогового ключа DD2 зменшимо опір резисторів атенюатора
R29 та R32 з 510 Ом до 470 Ом. Опори інших резисторів атенюатора значно
більші і їх коректувати не потрібно.
Живлення мультиплексора DD2 повинно бути двополярним, тому що
сигнали, які він повинен переключати, будуть в межах -0,05…0,05 В. На контакт
VDD DD2 подаємо напругу 5 В, а на контакт VEE -5В. Вивід VSS та вхід дозволу
роботи EI з’єднуємо із загальним проводом.
На адресні входи A0, A1 мультиплексора DD2 надходить код з портів PA1,
PA2 мікроконтролера DD1. Якщо цей код «00», то жоден з резисторів R27-R32 не
комутується. При отриманні кодів «01», «10» та «11» аналогові ключі
мультиплексора підключають до загального проводу відповідно R27, R28 та R29 в
першім каналі, R30, R31 та R32 в другому каналі.
Підсилювач каналу І зібрано на основі операційного підсилювача DA1.1.
Живиться ОП двополярною напругою ±5 В. Вихідний сигнал підсилювача
надходить до АЦП мікроконтролера. АЦП оцифровує вхідні сигнали в діапазоні
від 0 до 2 В. Резистивний ланцюг R1R4, підключений до опорної напруги 2 В,
служить для зсуву постійної складової підсиленого сигналу осцилограми з 0 до 1
В. Якщо вихідної напругою підсилювача буде сигнал в межах від 0 до ±2 В, а R1
дорівнюватиме R4, то після резистивного ланцюга R1R4 вхідний сигнал на вході
АПЦ буде знаходитись в межах 1 В ±1 В.
Таким чином коефіцієнт передачі резистивного ланцюга R1R4 буде рівний
0,5, а коефіцієнт передачі операційного підсилювача повинен дорівнювати:
U max
G = ВИХ .DA1.1 2 В
П = = 40
max . (3.23)
UR3 0,05 В
Резистивний ланцюг R5R6 аналогічний до R1R4, але він подає на вхід
АЦП опорну напругу 1 В для порівняння. Виберемо струм через ланцюг 0,1 мА і
розрахуємо резистори:
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
51
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

UОП = 2 B , (3.24)
U U
I = ОП = ОП
R5R6 , (3.25)
R5+ R6 2 R5
U
R5 = R6 = ОП 2 В
= =10 кОм . (3.26)
2  IR5R6 2 0,1 мА

Вибираємо резистори R1, R4, R5, R6, R11, R13 опором 10 кОм. Ємність
конденсатора C4 по опорній напрузі можна вибрати великою – 1 мкФ. Ємності С2
та С9 розрахуємо для забезпечення максимальної частоти сигналів 500 кГц:

1 1
F В=  , (3.27)
2  RВХ .АЦП С2 2  R4 С2
1 1
С2 = = = 32 пФ . (3.28)
2  R4 FВ 2  10 кОМ 500 кГц

Виберемо конденсатори C2 та С9 ємністю 33 пФ.
Операційний підсилювач DA1 виберемо мікропотужний типу TL064CD з
наступними технічними параметрами [23]:
• кількість каналів – 4;
• максимальний вхідний струм – 200 пА;
• смуга частот – до 2 МГц;
• максимальний коефіцієнт підсилення – 80 дБ;
• межі напруги живлення – однополярна 4…36 В або двополярна ±2…±18 В;
• типовий струм споживання – 200 мкА.
Коефіцієнт передачі неінвертуючого підсилювача на DA1.1 буде рівний:

R7
GП =1+ . (3.29)
R8
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
Змн. 52
Арк. № докум. Підпис Дата

Виберемо опір резисторів R8 та R15 10 кОм і розрахуємо R7 та R14:

R7 = R8  (GП −1)=10 кОм  (40−1)= 390 кОм . (3.30)

Виберемо опір резисторів R7 та R14 390 кОм.
На контакт роз’єму X3 подається сигнал зовнішньої синхронізації, який
потрапляє на компараторний вхід мікроконтролера. Гніздо X3 виберемо
однотипне з X1 – типу PBS2-2. Опір обмежувального резистора R24 може бути в
межах від 1 до 10 кОм. Виберемо R24 опором 5,1 кОм.

3.5. Розрахунок підсилювача генератора довільної форми

На третьому елементі ОП DA1 зібрано підсилювач генератора довільної
форми, схему якого зображено на рисунку 3.7.
На неінвертуючий вхід операційного підсилювача DA1.4 подається опорна
напруга 0,5 В, а на інвертуючий – вихідна напруга цифро-аналогового
перетворювача з порту PB2 мікроконтролера DD1 в діапазоні від 0 до 1 В. Якщо
напруга на виході ЦАП буде в межах 0…0,5 В, то вихідна напруга підсилювача
генератора буде позитивною. Якщо вихідна напруга ЦАП буде в межах 0,5…1 В,
то вихідна напруга підсилювача буде негативною. Таким чином генератор
довільної форми може видавати як однополярні, так і двополярні сигнали. ЦАП
мікроконтролера ATxmega32A4 має точність 12 біт, що дозволяє формувати
сигнали достатньої якості.
Виберемо струм через подільник напруги R25R26 0,01 мА і визначимо
опори резисторів:
U 0,5 В
R26 = R26 = = 50 кОм , (3.31)
IR25R26 0,01 мА
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
53
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.7. Схема підсилювача генератора довільної форми

UОП −UR26 2 В − 0,5 В
R25 = = =150 кОм . (3.32)
IR25R26 0,01 мА

Виберемо резистори R25 та R26 – 150 кОм та 51 кОм відповідно.
Коефіцієнт передачі інвертуючого підсилювача генератора на DA1.4 буде
рівний:
U
G = ВИХ .ПГ R23
ПГ = . (3.33)
U ВХ .ПГ R22

Виберемо резистор R22 опором 22 кОм і розрахуємо резистор R23 для
максимальної амплітуди вихідного сигналу генератора довільної форми 5 В:

U
R23 = R22  ВИХ .ПГ 5 В
= 22 кОм  = 220 кОм . (3.34)
U ВХ .ПГ 0,5 В

Максимальна частота перетворення ЦАП мікроконтролера – 1 МГц.
Ємність конденсатора C23 розрахуємо для фільтрації пульсацій вихідного
сигналу генератора вище 100 кГц:

1 1
С23 = = = 7,24 пФ . (3.35)
2  R23 FВ 2  220 кОм 100 кГц

Вибираємо конденсатор C23 ємністю 6,8 пФ. Роз’єм X7 вибираємо PBS2-2.
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
Змн. Арк. 54
№ докум. Підпис Дата

3.6. Розрахунок панелі керування

Панель керування складається з 4 кнопок:
• «MENU» – кнопка виклику екранного меню;
• «UP» – переміщення по меню вгору;
• «DOWN» – переміщення по меню вниз;
• «SELECT» – вибір потрібної опції меню.
Для реалізації опитування чотирьох кнопок один входом мікроконтролера
вони підключені до його порту PA4, який програмується як вхід АЦП. Схема
підключення кнопок до мікроконтролера зображена на рис. 3.8.
Працює панель керування наступним чином. Якщо жодна з кнопок панелі
не натиснута, то на вхід АЦП надходить напруга живлення +3,3 В через резистор
R35. При натисненні на кнопку SB4 – на цей вхід буде надходити 0 В. Опори
резисторів R36…R38 розраховуємо таким чином, щоб при натисненні на кнопки
SB3, SB2 та SB1 на вхід АЦП надходила напругу рівна 0,5 В, 1 В, та 1,5 В
відповідно.
Виберемо опір резистора R35 рівним 10 кОм і розрахуємо опори
резисторів R36…R38 подільника напруги:

U Ж .1 R36
U1 = = 0,5 В , (3.36)
R35+ R36

Рис. 3.8. Схема панелі керування
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
55
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

U Ж .1  (R36 + R37)
U2 = =1 В , (3.37)
R35+ R36 + R37

U Ж .1  (R36 + R37 + R38)
U3 = =1,5 В , (3.38)
R35+ R36 + R37 + R38

U R35 0,5 В 10 кОм
R36 = 1 = =1,79 кОм , (3.39)
U Ж .1 −U1 3,3 В − 0,5 В

U2  (R35+ R36)−U R36
R37 = Ж .1 = (3.40)
U Ж .1 −U2

1В  (10 кОм +1,79 кОм)− 3,3 В 1,79 кОм
= = 2,56 кОм ,
3,3 В −1 В

U3  (R35+ R36 + R37)−U
R38 = Ж .1  (R36 + R37)
= (3.41)
U Ж .1 −U3

1,5В  (10кОм +1,79кОм + 2,56кОм)− 3,3В  (1,79кОм + 2,56кОм)
= = 3,98 кОм .
3,3 В −1,5 В

Для економії виводів мікроконтролера ланцюг контролю за станом батареї
живлення підключається до цього ж порту PA4 мікроконтролера через резистор
R39. Спрацювання цього датчика не заважає кнопкам виконувати свою функцію.
Розрахуємо опір R39 таким чином, щоб при розрядженні батареї напруга на вході
PA4 при ненатиснутих кнопках знижувалась з 3,3 В до 2,5 В:

U  (R36 + R37 + R38+ R39)
U = Ж .1
4 = 2,5 В , (3.42)
R35+ R36 + R37 + R38+ R39

U4  (R35+ R36 + R37 + R38)−U  (R36 + R37 + R38)
R39 = Ж .1 = (3.43)
U Ж .1 −U4

Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
56
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

2,5В  (10кОм +1,79кОм + 2,56кОм + 3,98кОм)− 3,3В  (1,79кОм + 2,56кОм + 3,98кОм)
= =
3,3 В − 2,5 В

= 22,92 кОм .

Вибираємо резистор R36 опором 1,8 кОм, R37 – 2,7 кОм, R38 – 3,9 кОм,
R39 – 22 кОм. Таким чином, якщо на вхід аналогового порту PA4 надходить
напруга в межах 0…2 В, то це свідчить про натиснуту кнопку, якщо напруга в
межах 2…3 В – це сигнал про необхідність замінити батарею живлення, якщо ж
напруга на вході становить 3,3 В – команда відсутня.
В якості кнопок панелі керування SB1-SB4 вибираємо тактові кнопки без
фіксації типу PTS635 [24].

3.7. Розрахунок стабілізаторів напруги

Також в роботі зібрано джерело опорної напруги, схему якого зображено
на рисунку 3.9.
Операційний підсилювач включено за схемою повторювача, на
неінвертуючий вхід якого подається стабілізована напруга з стабілітрона VD1.
В якості стабілітрона VD1 вибираємо інтегральний стабілізатор типу
LM4040A20IDBZT [25] з наступними параметрами:
• напруга стабілізації – 2,048 В;
• струм стабілізації – від 45 мкА до 15 мА.
Резистор R9 виберемо опором 22 кОм, при цьому струм через стабілітрон
VD1 буде рівний:
U Ж .2 −UVD1 5 В − 2,048 В
IVD1 = = =134 мкА . (3.44)
R9 22 кОм
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 57

Конденсатори С3, С6, С7 вибираємо ємністю 1 мкФ, С5 – 3,3 мкФ.
В спроектованому осцилографі від напруги живлення 3,3 В живиться
мікроконтролер та цифрова частина OLED-дисплея. Визначимо споживчий струм
осцилографа за ланцюгом живлення 3,3 В із запасом 20%:

I Ж .1  1,2  (IDD1 + IЦ .HG1 ) , (3.45)
IЖ.1 1,2  (7,5 мА+ 0,18 мА)= 9,2 мА .

Рис. 3.9. Схема джерела опорної напруги, стабілізатора напруги
та перетворювача полярності напруги

Для формування напруги живлення 3,3 В виберемо стабілізатор DA2 типу
AP7333-33SA з технічними параметрами [26]:
• вихідна напруга – 3,3 В;
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
58
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• максимальна вхідна напруга – 6 В;
• максимальний вихідний струм – 300 мА;
• споживчий струм при вихідному струмі 9,2 мА – не перевищує 10 мА.
Конденсатори С1, С16 вибираємо ємністю 3,3 мкФ.
Від напруги живлення -5В живиться операційний підсилювач DA1 зі
струмом споживання 200 мкА і мультиплексор DD2 зі струмом споживання
10мкА. Для формування напруги -5 В виберемо перетворювач полярності напруги
DA3 типу TPS60403DBVT з технічними параметрами [27]:
• вхідна та вихідна напруга – 1,6…5,5 В;
• максимальний вихідний струм – 60 мА;
• споживчий струм при вихідному струмі 0,21 мА – не перевищує 0,4 мА.
Конденсатори С24-С27 необхідні для роботи перетворювача напруги, їх
ємності вибираємо згідно рекомендації виробника: С24 ємністю 1 мкФ, С25 та
С26 – 3,3 мкФ, С27 – 0,1 мкФ.

3.8. Розрахунок перетворювача напруги

Від напруги живлення осцилографа 5 В живляться операційні підсилювачі
DA1, стабілізатори напруги DA2 та DA3, DC/DC-перетворювач OLED-дисплея
HG1, мультиплексор DD2. Визначимо струм, що споживається пристроєм по
ланцюзі живлення 5 В із запасом 20%:

IЖ.2 1,2  (IDA1 + IDA2 + IDA3 + IП.HG1 + IDD2 ) , (3.46)

IЖ.2 1,2  (0,2 мА+10 мА+ 0,4 мА+17,3 мА+ 0,01 мА)= 33,5 мА .

Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
Змн. 59
Арк. № докум. Підпис Дата

Схема перетворювача напруги зображена на рис. 3.10. Для формування
напруги живлення 5 В виберемо DC/DC-перетворювач DA4 типу MAX1678 [28] з
технічними параметрами:
• вихідна напруга – 2…5,5 В;
• вхідна напруга – від 0,87 В до значення вихідної напруги;
• типовий вихідний струм – 90 мА;
• частота перетворення – 150 кГц;
• типовий коефіцієнт корисної дії – 90%.
Зовнішні елементи DC/DC-перетворювача DA4 вибираємо згідно
рекомендацій виробника: конденсатори C22 та С30 ємністю 3,3 мкФ, дросель L1
індуктивністю 47 мкГн вибираємо типу LQH32MN470K з максимальним
постійним струмом 100 мА [29].

Рис. 3.10. Схема перетворювача напруги

Резистивний подільник R33R34 визначає вихідну напругу перетворювача
за формулою [28]:
U 
R33 = R34   ВИХ .DA4
 −1 , (3.47)
 UОП .DA4 

Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
60
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

де UОП.DA4 – опорна напруга перетворювача, яка дорівнює 1,23 В,
R34 повинен мати опір в межах від 100 кОм до 1 МОм.
Виберемо резистор R34 опором 220 кОм і розрахуємо R33 для
встановлення вихідної напруги 5 В:
 5 В 
R33 = 220 кОм   −1 = 674 кОм .
1,23 В 
Виберемо резистор R33 опором 680 кОм.
Діодна збірка VD4 призначена для переключення джерел вхідної напруги.
До аноду VD4.1 підключається напруга 5 В від роз’єму USB, а до аноду VD4.2 –
напруга батареї живлення, що складається з трьох акумуляторних елементів типу
«AAA» з номінальною напругою 1,2 В. В зарядженому стані сумарна напруга
батареї складатиме біля 4 В, а в розрядженому – 3,6 В. Якщо при включеному
пристрої підключити USB-кабель до комп’ютера, то діод VD4.2 закриється, VD4.1
відкриється – і вхідний струм переключиться на живлення від порту USB. При
відключенні кабелю USB вхідний струм переключиться на живлення від батареї.
Діоди VD4 вибираємо типу 20CJQ030 [30] – це подвоєні діоди Шотткі з
наступними технічними параметрами:
• максимальний прямий струм – 2А;
• максимальна зворотна напруга – 30 В;
• максимальна пряма напруга при струмі до 0,5 А – 0,4 В.
Максимальний вхідний струм перетворювача DA4 буде досягатись при
мінімальній напрузі батареї живлення. Цей струм є загальним споживчим
струмом осцилографа:

I max I U
= Ж .2 ВИХ .DA4 I Ж .2 U Ж .2
DA4 =
min min , (3.48)
DA4 U ВХ .DA4 DA4  (U ВХ −U ПР.VD4 )
max 33,5 мА  5 В
IDA4 = = 58,16 мА = I
( Ж .
0,9  3,6 В − 0,4 В)
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
61
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Живлення електроенцефалографа також здійснюється і від USB-порту
комп’ютера. Максимальний струм навантаження цього порту складає 500 мА [31].
Таким чином виконується необхідна умова:

58,2 мА = I  I max
Ж USB = 500 мА . (3.49)

Перетворювач MAX1678 має вбудовану схему контролю за станом батареї
живлення. Резистивний подільник R18R19 визначає напругу, при якій спрацьовує
компаратор датчика розряду батареї, і він розраховується за формулою [28]:

U min  U min
ВХ .DA4 ВХ −U 
R18 = R19   −1 = R19   ПР.VD4
 −1 , (3.50)
 UPFI   UPFI 

де UPFI – напруга спрацювання компаратора, яка дорівнює 614 мВ,
R19 повинен мати опір в межах від 100 кОм до 1 МОм.
Виберемо резистор R19 опором 150 кОм і розрахуємо R18 для
встановлення мінімальної вхідної напруги 2,2 В:

 3,6 В − 0,4 В 
R18 =150 кОм   −1 = 632 кОм .
 0,614 В 

Виберемо резистор R18 опором 680 кОм.
Працює датчик контролю за станом акумулятора наступним чином. При
живленні осцилографа від трьох акумуляторних елементів з номінальною
напругою 1,2 В та зниженні їх сумарної напруги до 3,6 В буде спрацьовувати
компаратор в DC/DC-перетворювачі на вході PFI. В результаті на виході PFO
перетворювача буде формуватись сигнал тривоги, який поступає на панель
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
62
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

керування. При отриманні цього сигналу мікроконтролер видає на екрані
осцилографа повідомлення про необхідність заміни акумуляторів.
Вимикач живлення SA3 вибираємо MS-22C01 для однотипності з SA1 та
SA2. Батарейний відсік X8 вибираємо типу BH431А для трьох елементів
типорозміру «AAA» [32].
Запобіжник FU1 вибираємо із самовідновленням типу MF-NSMF050 [33] зі
струмом спрацювання 0,5 А і максимальною робочою напругою 13,2 В.

3.9. Складання та налаштовування пристрою
Пристрій «Осцилограф на мікроконтролері з OLED-дисплеєм» збирається
на платі зі склотекстоліту. Застосовані в схемі елементи для поверхневого
монтажу встановлюють на обох сторонах плати. Контакти для припаювання
шлейфу дисплея та органи керування осцилографом знаходяться на одній
(головній) стороні друкованої плати.
Після збирання пристрою мікроконтролер програмують через роз’єм Х4 за
допомогою SPI-програматора (рис. 3.11), нумерація контактів роз’єму
програматора відповідає контактам X4 осцилографа.
Калібрування вимірювальної частини осцилографа та генератора довільної
форми здійснюється підбиранням коефіцієнтів в програмних налаштуваннях
мікроконтролера, апаратних регулювань пристрій не потребує.
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
63
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.11. Схема PDI-програматора

3.10. 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:
m
−k  j N j
p (t)= e j=1
c , (3.51)

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:
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
64
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

 j = 0 j  j , (3.52)

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 , (3.53)

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 . (3.54)
 j N j
j=1
Пристроєм користуватимуться в приміщенні в нормальних умовах: вібрації
немає, температура від 15 до 25˚С, вологість 60–80 % та атмосферний тиск 750–
770 мм рт. ст. Тому поправочні коефіцієнти становлять kλ1 = 1, kλ2 = 1, kλ3 = 1.
Отже, коефіцієнт kλ дорівнює:

k =111=1.

Розраховуємо надійність елементів.
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
65
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

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 0,4 = 0,92 10−6 1
С .
год
Надійність інтегральних схем (α = 0,2, λ0 = 0,02 ∙ 10–6 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):
 −6 −6 1
VT = 0,02 10 0,2 = 0,004 10 .
год
Надійність вимикачів (α = 0,3, λ0 = 3 ∙ 10–6 1/год):
1
S = 310−6 0,7 = 2,110−6
.
год
Надійність діодів (α = 0,85, λ0 = 0,5 ∙ 10–6 1/год):
1
 −6
VD = 0,5 10 0,85 = 0,42510−6
.
год
Надійність резисторів (α = 0,42, λ0 = 0,6 ∙ 10–6 1/год):
 −6 1
R = 0,6 10 0,42 = 0,252 10−6
.
год
Надійність індикаторів (α = 0,85, λ0 = 0,5 ∙ 10–6 1/год):
 = 0,5 10−6 0,85 = 0,425 10−6 1
HL .
год
Надійність роз’ємів (α = 0,62, λ0 = 0,45 ∙ 10–6 1/год):
 = 0,45 10−6 0,62 = 0,279 10−6 1
X .
год
Розраховуємо ймовірність безвідмовної роботи всієї схеми, що включає 30
конденсаторів, 6 мікросхем, 7 вимикачів, 4 діоди, 39 резисторів, 1 індикатор, 8
роз’ємів, 1 резонатор:

Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
Змн. 66
Арк. № докум. Підпис Дата

pC (t) = exp−1(0,92 10−6 30 + 0,004 10−6  6 +
+ 2,110−6 7 + 0,425 10−6 4+ 0,252 10−6 39+ 0,425 10−6 1+
+ 0,279 10−6 8+ 0,18 10−6 1) 0,999943 .

Розраховуємо напрацювання на відмову всієї схеми:

T −6 −6
СЕР.С = 1 (0,92 10 30 + 0,004 10  6 +
+ 2,110−6 7 + 0,425 10−6 4+ 0,252 10−6 39+ 0,425 10−6 1+
+ 0,279 10−6 8+ 0,18 10−6 1)17640 годин .
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
Змн. Арк. 67
№ докум. Підпис Дата

4. ОХОРОНА ПРАЦІ

4.1 Аналіз небезпек та шкідливостей, що виникають при
проектуванні портативного багатофункціонального
осцилографа в приміщенні інженерного відділу

Продуктивна робота будь-якого працівника багато в чому залежить від того,
якою мірою умови його роботи відповідають нормативним. Метою даного розділу
є аналіз умов праці робітників інженерного відділу і опис основних методів
мінімізації та нейтралізації небезпечних і шкідливих факторів.
В роботі проводиться розробка портативного багатофункціонального
осцилографа в приміщенні інженерного відділу. Відділ знаходиться в
адміністративній будівлі на другому поверсі чотириповерхового будинку. Розміри
приміщення 2,5х4х2,70м, площа, відповідно, становить 10 м2, об’єм - 27,0 м3. В
приміщенні розташовано два робочих місця. Площа та об’єм приміщення відділу
не відповідають вимогам ДБН В.2.2.28-2010 з розрахунку на одне робоче місце -
6м2 та 20м3. Для покращення умов праці рекомендується розширити кімнату, або
залишити тільки одне робоче місце в приміщенні.
Поверхня стін і стелі приміщення є гладкою, що дає змогу краще
виконувати вологе прибирання і дезінфекцію. Підлога покрита антистатичним
лінолеумом. Шви на лінолеумі спаяні.
Природне і штучне освітлення на робочих місцях нормується згідно ДБН
В.2.5-28-2018 в залежності від характеристики зорової роботи, найменшого
розміру об'єкта розрізнення, розряду і підрозряду зорової роботи, фону і
контрасту об'єкта з фоном. Згідно цього в приміщенні передбачені наступні види
виробничого освітлення: природне, штучне і сумісне.
Природне освітлення бокове однобічне – світло проникає в приміщення
через вікно розміром 1,5х2 м. КПО становить 27-29 %, що задовольняє умовам
ДБН В.2.5-28-2018, відповідно яких нормативний КПО = 1,2%.
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
Змн. Арк. 68
№ докум. Підпис Дата

Штучне освітлення застосовується при недостатності природного
освітлення або відсутності його (у темний час доби). За призначенням штучне
освітлення належить до робочого.
Характер зорової праці відноситься до високої точності, що відповідає ІІІ
розряду та підрозряду – б. Згідно ДБН В.2.5-28-2018 рівень загального штучного
освітлення при даній роботі повинен бути не менша 300 лк, а фактичне освітлення
становить 245 лк. Отже, рівень штучного освітлення не відповідає нормативним
вимогам ДБН В.2.5-28-2018.
Загальне штучне освітлення створюється штучними джерелами світла:
лампами розжарювання. Кількість світильників марки ПО-02 (куля молочного
скла) – 2 шт. Лампа в світильнику має потужність 60 Вт на напругу 220 В. Для
покращення умов праці та економії електроенергії рекомендується модернізувати
систему штучного освітлення лабораторії.
Для живлення обладнання передбачена електрична мережа напругою 220
В. Для цього на висоті 90 см від підлоги над робочими місцями обладнанні
розетки. В приміщенні проведена одна телефонна лінія, з’єднання з телефонним
апаратом забезпечується через телефонну розетку. Над вищевказаними розетками
розміщені попереджувальні надписи з зазначенням напруги в розетці. Згідно ПУЕ
приміщення відноситься до приміщень без підвищеної небезпеки. При роботі
більшу частину часу інженер проводить за монітором комп’ютера, на якому
виводяться робочі параметри устаткування та інженерні програми. Таку роботу
при використані комп’ютера за важкістю праці можна віднести до категорії 1б,
тобто робота яка не потребує фізичного навантаження і виконується сидячи за
монітором комп’ютера.
На робочому місці підтримуються необхідні параметри мікроклімату:
– температура у холодний період року становить 20-23 оС (при
нормативному – 21-25 оС), в теплий – 21-24 оС (при нормативному значенні – 23-
25 оС),;
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
69
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

– відносна вологість повітря залежно від температури знаходиться у межах
40 – 60 % (згідно нормі не повинна перевищувати 60%);
– швидкість руху повітря знаходиться в межах 0,1–0,2 м/с, що відповідає
ДСН 3.3.6.042-99 (0,2 м/с).
Вищенаведені фактичні значення мікроклімату задовольняють вимогам
ДСН 3.3.6.042-99 «Санітарні норми мікроклімату виробничих приміщень».
Для дотримання оптимальних параметрів мікроклімату в приміщенні
передбачена витяжна природна вентиляція (ДБН В.2.5.67-2013), отвір якої
знаходиться під стелею біля вхідної двері.
Джерела вібрація в даному кабінеті відсутні, тому рівень вібрації відповідає
вимогам ДСН 3.3.6.039-99.
Забезпечення в приміщенні оптимальної температури в холодний період
року здійснюється за допомогою чавунних радіаторів системи опалення М-140 і
відповідає основним санітарно-гігієнічним вимогам ДБН В.2.5.67-2013. Система
центрального водяного опалення широко використовується на багатьох
підприємствах різних галузей промисловості. Основні переваги цієї системи:
рівномірне нагрівання приміщення; можливість централізованого регулювання
температури теплоносія (води); відсутність запаху гару, при осіданні пилу на
радіатори; підтримання відносної вологості повітря на відповідному рівні (повітря
не пересушується); виключення опіків від нагрівальних приладів; пожежна
безпека.
Під час роботи на працівників можуть впливати такі небезпечні та шкідливі
виробничі фактори: фізичні та психофізіологічні (для контролю над їх впливом
на здоров’я, працівники щорічно проходять медичний огляд).
До психофізіологічних належать нервово – психічні перевантаження
(монотонність роботи, розумове перенапруження, тощо), для зниження
негативного впливу цих факторів рекомендується протягом робочого дня через
кожні 30 хвилин робити п’яти хвилинні перерви.
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
Змн. Арк. 70
№ докум. Підпис Дата

Робітники, що працюють обов’язково проходять медичний огляд:
попередній при влаштуванні на роботу та періодичний – один раз на два роки
(медичний огляд проводить комісія у складі терапевта, невропатолога та
офтальмолога) згідно Наказу №246 МОЗ України від 21.05.2007.
Відповідно до НАПБ А.01.001-2014 «Правила пожежної безпеки в Україні»
в установі розроблені відповідні заходи щодо забезпечення пожежної безпеки:
– визначені обов’язки посадових осіб щодо забезпечення пожежної безпеки;
– призначені відповідальні, які пройшли навчання і перевірку знань з
пожежної безпеки, за пожежну безпеку окремих приміщень;
– встановлений протипожежний режим та визначені місця для куріння,
застосування нагрівальних електроприладів;
– розроблені й затверджені загальнооб’єктові інструкції про заходи
пожежної безпеки;
– розроблена схема евакуації людей із установи на випадок пожежі. Схеми
евакуації розміщені на кожному поверсі будівлі, відповідно ДБН В.1.1.7-2016.
Усі працівники при зарахуванні на роботу, безпосередньо на робочому місці
та щороку за місцем роботи проходять відповідно вступний, первинний та
повторний протипожежний інструктажі. Запис про проведення протипожежного
інструктажу робиться в журналі, після чого дозволяється приступити до роботи.
За характеристикою пожежної небезпеки приміщення відноситься до
категорії В згідно ДСТУ Б В.1.1-36:2016 (у приміщенні знаходяться горючі та
важкогорючі матеріали).
Згідно ПУЕ приміщення відділу відноситься до приміщень без підвищеної
небезпеки за ступенем ураження людей електричним струмом.
На випадок пожежі крім головного виходу з протилежного боку будівлі
існує запасний евакуаційний вихід, що виходить на сходову клітку. Ширина
шляху евакуації становить не менше 1 м, а дверей евакуаційного виходу – не
менше 0,8 м при висоті проходу не менше 2 м. Над дверима написано слово
"Вихід". Евакуаційні шляхи утримуються вільними та не захаращеними (ДБН
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
71
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

В.1.1.7-2002). Пожежна безпека в установі відповідає НАПБ А.01.001-2014
«Правила пожежної безпеки в Україні».
Для протипожежного захисту в приміщенні застосовується система
пожежної сигналізації. На стелі приміщення встановлені димові автоматичні
оповіщувачі ИП-212 в кількості 2 штук (відповідно ДБН В.2.5-56-2014). Для
ліквідації невеликих осередків пожежі в установі передбачені первинні засоби
пожежогасіння, встановлений спеціальний протипожежний щит, який розміщено
на першому поверсі в легкодоступному місці. В якості засобів пожежогасіння
передбачені: один пінний ВП-5 та один вуглекислотний ВВК-3,5 вогнегасники,
ящик з піском, азбестове полотно, лом, сокира.
З усіма працівниками перед допуском до роботи проводять вступний та
первинний інструктажі згідно типового положення про навчання з питань
охорони праці (НПАОП 0.00-4.12-05). Допуск до роботи відбувається після
проведення перевірки знань із вступного та первинного інструктажів. Перевірка
здійснюється згідно затвердженим начальником підприємства переліком
запитань.
Вступний інструктаж з питань охорони праці проводиться з усіма
працівниками, які щойно прийняті на роботу (постійну або тимчасову) незалежно
від їх освіти, стажу роботи за цією професією або посади; студентами перед
початком трудового і професійного навчання в приміщенні. Первинний
інструктаж проводиться з працівниками та студентами на робочому місці до
початку роботи.
Запис про проведення вступного інструктажу робиться у спеціальному
журналі згідно з НПАОП 0.00-4.12-05.
Повторний інструктаж проводиться на робочому місці з усіма працівниками
та студентами: на роботах з підвищеною небезпекою – 1 раз у квартал, на інших
роботах – 1 раз на шість місяців.
Іонізуюче випромінювання в приміщенні відділу відповідає нормі
природного радіаційного фону в Україні.
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
Змн. Арк. 72
№ докум. Підпис Дата

Серед недоліків в даному відділі можна відмітити, що розміри приміщення
відділу не відповідають вимогам ДБН В.2.2.28-2010 та невідповідність системи
загального штучного освітлення нормативним вимогам ДБН В.2.5-28-2018, тому
потрібно провести модернізацію системи загального штучного освітлення.
Додатково пропонується розробити рекомендації щодо використання на робочих
місцях лабораторії світильників місцевого штучного освітлення.

4.2 Модернізація системи комбінованого штучного освітлення

Штучне освітлення передбачається у всіх виробничих та побутових
приміщеннях, де недостатньо природного світла, а також для освітлення
приміщень у темний період доби. При організації штучного освітлення необхідно
забезпечити сприятливі гігієнічні умови для зорової роботи і одночасно
враховувати економічні показники.
Найменша освітленість робочих поверхонь у виробничих приміщеннях
регламентується ДБН В.2.5-28-2018 і визначається, в основному,
характеристикою зорової роботи. Норми носять міжгалузевий характер. На їх
основі, як правило, розробляють норми для окремих галузей промисловості.
В ДБН В.2.5-28-2018 вісім розрядів зорової роботи, із яких перші шість
характеризуються розмірами об'єкта розпізнавання. Для І – V розрядів, які окрім
того мають ще й по чотири підрозряди (а, б, в, г), нормовані значення залежать не
тільки від найменшого розміру об'єкта розпізнавання, але і від контрасту об'єкта з
фоном та характеристики фону. Найбільша нормована освітленість складає 5000
лк (розряд І а), а найменша – 20 лк (розряд VІІІ г).
При проектуванні штучного освітлення необхідно вирішити наступне:
вибрати систему освітлення, тип джерела світла, тип світильників, визначити
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
73
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

розташування світлових приладів, виконати розрахунки штучного освітлення та
визначити потужності світильників та ламп.
Для всіх виробничих приміщень проектують систему загального чи
комбінованого освітлення. При виконанні робіт І – IV розрядів рекомендується
використовувати, як правило, комбіновану систему освітлення, оскільки
досягнення необхідної освітленості при загальній системі освітлення вимагає
великих витрат електричної енергії і є недоцільним. З цієї ж точки зору слід
надавати перевагу локалізованому освітленню, в тому числі й в системі
комбінованого, дотримуючись при цьому допустимих норм нерівномірності
освітлення (ДБН В.2.5-28-2018). Освітленість робочої поверхні, створювана
світильниками загального освітлення в системі комбінованого, повинна складати
не менше 10 відсотків нормованої для комбінованого освітлення, однак у всіх
випадках не менше 150 лк при газорозрядних лампах і 50 лк – при лампах
розжарювання.
З гігієнічної точки зору система загального освітлення більш досконала,
оскільки дає можливість більш рівномірно розподілити світлову енергію.
Вибираючи джерела світла, слід надавати перевагу люмінесцентним
лампам, які енергетично більш економічні. Окрім того, вони за спектральними
характеристиками максимально наближаються до природного світла, що важливо
при використанні суміщеного освітлення.
Розрахунок штучного освітлення виконується за методом коефіцієнта
використання світлового потоку:
Звисання світильника зі стелі hс становить 0,3 м, висота робочої поверхні hр
становить 0,8 м. Висота підвішування світильників над підлогою hп становить
2,40 м. Висота підвішування світильників над робочою поверхнею h становить
1,6 м.
Основною задачею розрахунку штучного освітлення є визначення
необхідної кількості світильників N для забезпечення нормативного рівня
штучного освітлення за формулою:
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
74
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

E
N = н K з  S  z
(4.1)
Fл  n 

де Ен – нормоване освітлення, лк (ДБН В.2.5-28-2018).
n – кількість ламп у світильнику. Приймаємо кількість ламп 2, тип
світильника ЛПО 01-2х36-002 Кристалл, потужність лампи 36 Вт, розмірами
1557х189х105 мм. Світильник відноситься до 2 експлуатаційної групи.
Fл – світловий потік лампи, лм. Приймаємо тип лампи зі світловим потоком
2975 лм.
Кз – коефіцієнт запасу, який враховує зниження освітлення в процесі
експлуатації, Кз = 1,4;
S – площа приміщення, яка освітлюється, S = 2,5 * 4 = 10 м2;
z – коефіцієнт нерівномірності освітлення, приймаємо рівним 1,15;
η – коефіцієнт використання світлового потоку.
Для визначення коефіцієнту використання світлового потоку знаходиться
індекс приміщення і.
Індекс приміщення знаходимо за формулою:
А  В
i =
(Н − 0,8) ( ) (4.2)
 А + В
2,5  4
i = = 0,8
(2,70 − 0,8)  (2,5 + 4)
де А, В і Н– відповідно довжина, ширина та висота приміщення.
2,5  4
i = = 0,8
(2,70 − 0,8)  (2,5 + 4)
При індексі приміщення рівним 0,8 і групі світильника – 2, використання
світлового потоку η = 37%.
Знаходимо кількість світильників за формулою 4.1:

Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
75
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

300 1,4 10 1,15
N = = 2,2
2975 2 0,37

Приймаємо три світильника ЛПО 01-2х36-002 Кристал.
Розраховуємо встановлену потужність освітлення як суму потужностей
ламп усіх світильників. Так як для освітлення заданих приміщень пропонується
використовувати люмінесцентні світильники, які вмикаються в мережу по
стартерним схемам, то до потужності ламп додаються витрати в
пускорегулюючих автоматах (20 відсотків від потужності ламп). Тоді:

n n
Pв =Рі + 0,2  Pi =1,2 Pi =1,2 N  n Pi ( 4.3)
i=1 i=1
Рв = 1,2 · 3 · (36 · 2) = 259,2 Вт

де Рі – потужність однієї лампи в світильнику;
n – кількість ламп в світильнику;
N – кількість світильників.

Рв = 1,2 · 3 · (36 · 2) = 259,2 Вт

Розрахункове навантаження освітлювальної мережі визначається за
формулою:
Рр = Рв · Кс (4.4)

де Кс – коефіцієнт попиту, для даного приміщення рівний 1.
1 - для невеликих виробничих приміщень;
0,95 - для виробничих будівель, які складаються з окремих прольотів;
0,9 - для бібліотек, адміністративних будівель;
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
76
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

0,8 - для виробничих будівель, які складаються з великої кількості окремих
приміщень;
0,6 - для складських будівель та електропідстанцій.
Рр = 259,2 · 1= 259,2 Вт.
Визначаємо розрахунковий струм освітлювальної мережі за формулою:
Pp
I p = (4.5)
U ф  cos
259,2
I p = = 1,31A
220 0,9
де Uф = 220 В – фазна напруга;
Рр – розрахункове навантаження освітлювальної мережі,Вт;
cosφ – коефіцієнт потужності навантаження, для люмінесцентних ламп
дорівнює 0,9.
259,2
I p = = 1,31A
220 0,9

Відповідно до розрахункового струму, приймається допустимий
мінімальний перетин дроту для з’єднання світильників в освітлювальну мережу
рівний 1,5 мм2.
Отже, рекомендується для встановлення в приміщенні модель світильника
ЛПО 01-2х36-002 Кристал, потужність лампи 36 Вт, розмірами 1557х189х105 мм.
Зі світловим потоком 2975 лм. Для з’єднання світильників в освітлювальну
мережу для забезпечення пожежної безпеки приймаємо дріт з перетином 1,5 мм2.
При системі штучного комбінованого освітлення, яке складається із
загального та місцевого, загальна освітленість для ІІІ розряду та підрозряду – б
згідно ДБН В.2.5-28-2006 повинна становити 750 лк., але системою загального
штучного освітлення в даному приміщенні забезпечується лише 300 лк. Отже,
необхідно додатково встановити місцеві освітлювачі, які будуть додатково
створювати освітленість на рівні 450 лк.
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
77
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Комбіноване освітлення доцільно застосовувати при роботах високої
точності, а також, якщо необхідно створити певний або змінний в процесі роботи
напрямок світла. Місцеве освітлення створюється світильниками, що
концентрують світловий потік безпосередньо на робочих місцях. Застосування
лише місцевого освітлення не допускається з огляду на небезпеку виробничого
травматизму та професійних захворювань.
Для забезпечення місцевого нормативного освітлення 450 лк в даному
приміщенні пропонується використати світильник моделі Camelion KD-017A С02,
з газорозрядною енергозберігаючою лампою, що зображений на рисунку 7.1,
оскільки створює на робочій поверхні освітленість, що відповідає характеру зоро-
вої роботи і не є нижчою за встановлені норми. Він забезпечує достатню
рівномірність та постійність освітленості в приміщенні, що сприяє уникненню
частої переадаптації органів зору; не створює засліплювальної дії від джерела
освітлення і від інших предметів, що знаходяться в полі зору; не створює на
робочій поверхні різких та глибоких тіней (особливо рухомих); не створює
небезпечних та шкідливих виробничих чинників (шум, теплові випромінювання,
небезпека ураження струмом), є надійним і простим в експлуатації, економічним
та естетичним.

Рис. 4.1 - Світильник місцевого освітлення моделі Camelion KD-017A С02 з
газорозрядною лампою
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
78
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Перевагою цього світильника також є те, що він має високий штатив, який
можна встановити під різним кутом нахилу, стійка основа, рухомий абажур, який
захищає очі працівника від засліплювальної дії ламп. Окрім того, вона захищає
джерело світла від механічних ушкоджень, пилу та бруду.
Основною перевагою газорозрядних ламп є їх енергозбереження. Світлова
віддача цієї ламп становить 100 лм/Вт, що в 3-5 разів перевищує світлову віддачу
ламп розжарювання. Термін експлуатації – до 10 тис. год., а температура
нагрівання 50 °С. За спектральним складом видимого світла використана лампа
належить до теплого білого світла (ЛТБ).
Газорозрядні лампи бувають низького та високого тиску. Для світильника
типу Camelion KD-017A С02 використовують газорозрядні лампи низького тиску,
що широко застосовуються для освітлення приміщень як на виробництві, так і в
побуті. Однак, вони не можуть використовуватись при низьких температурах,
оскільки погано запалюються та характеризуються малою одиничною потужністю
при великих розмірах самих ламп.
Основними технічними характеристиками світильника Camelion KD-017A
С02:
– номінальна напруга живлення, 220 В;
– електрична потужність лампи, 11Вт(за світловим потоком
еквівалентна лампі розжарювання 75 Вт);
– світловий потік, 750лм;
– світлова віддача, 100 лм/Вт;
– термін експлуатації 10 000 год.;
– спектральний склад світла тепле біле (ЛТБ);
– рівень освітленості на робочій поверхні при висоті світильника 50
см складає 500 лк;
– тип патрона: 2G7;
– маса: 3,5 кг;
– матеріал плафона і основи: пластмаса;
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
79
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

– трансформатор живлення лампи знаходиться в плафоні.
Окрім того, газорозрядні лампи забезпечують світловий потік практично
будь-якого спектра, шляхом підбирання відповідним чином інертних газів, парів
металу, люмінофора. Так, за спектральним складом видимого світла розрізняють
люмінесцентні лампи: денного світла (ЛД), денного світла з покращеною
передачею кольорів (ЛДЦ), холодного білого (ЛХБ), теплого білого (ЛТБ), білого
(ЛБ) та жовтого (ЛЖ) кольорів.
Отже, після огляду приміщення інженерного відділу та безпосередньо
робочого місця можна зробити висновок, що провівши модернізацію освітлення
всі фактори виробничого середовища відповідатимуть своїм нормативним
значенням. До уваги прийняті всі показники, які впливають на роботу працівника.
Таким чином, приміщення підходить для проведення робіт з проектування і
налагодження мікропроцесорних приладів.
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
Змн. Арк. 80
№ докум. Підпис Дата

ВИСНОВКИ

В даній дипломній роботі було розроблено багатофункціональний
портативний осцилограф з можливістю підключення до персонального
комп’ютера через інтерфейс USB.
Електрична принципова схема приладу була реалізована на
спеціалізованому мікроконтролері ATxmega32A4 з вбудованими швидкісним
аналого-цифровим перетворювачем, що дозволяє розширити смугу пропускання
понад 100 кГц. Мікроконтролер при обробці вхідних сигналів може робити
додаткові вимірювання: частоту вхідного періодичного сигналу, амплітуду та
діючу напругу аналогового сигналу, аналізувати його спектр та інше.
Для відображення результатів вимірювання застосовано сучасний OLED-
дисплей з низьким споживчим струмом, що подовжує тривалість роботи
осцилографа при живленні від акумуляторної батареї.
Також осцилограф має вбудований інтерфейс USB 2.0 й може
використовуватись як комп’ютерний осцилограф. В цьому режимі живлення
здійснюється від USB-порту. Додатковими функціями осцилографа є: 8-
канальний логічний аналізатор, генератор довільної форми.
Також в роботі розроблена конструкторська документація портативного
багатофункціонального осцилографа (сбіркове креслення та друкована плата).
Розроблений пристрій має невеликі габарити не дорогий і може
застосовуватися в лабораторіях при дослідженні різноманітної радіоелектронної
апаратури.
В розділі охорона праці проведено аналіз небезпек та шкідливостей, що
виникають при проектуванні електронних пристроїв в приміщенні інженерного
відділу та виконано модернізацію системи комбінованого штучного освітлення.

Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
81
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Дьяконов В. Современная осциллография и осциллографы. – М.: Солон-
Пресс, 2005. – 320 с.: ил.
2. Цифровой запоминающий осциллограф. Устройство и принцип действия:
учебно-методическое пособие / В.А. Тюрин. -Казань: Казанский федеральный
университет, 2016. -101 с
3. http://www.x-drivers.ru/articles/technologies/73/full.html
4. http://technoguide.com.ua/2012/01/18/samsung-super-oled.html
5. http://www.jais.ru/prot2401.htm.
6. http://www.chipinfo.ru/dsheets/equipment/HPS5.html
7. http://www.prist.ru/info.php/articles/omc-20.htm
8. http://www.jais.ru/flk123.html
9. http://radiokot.ru/circuit/digital/measure/21/
10. Кигичин А. Малогабаритный двухлучевой осцилограф-мультиметр. –
Радио, 2004, №6, с. 24-26.
11. http://www.atmel.com/products/wireless/wifi/avr_xmega.aspx
12. http://www.atmel.com/Images/doc8069.pdf
13. http://www.txccrystal.com/images/pdf/number-crystal-basic.pdf
14. http://www.rlocman.ru/i/File/2011/01/06/OLED_UG-2864HSWEG01%20.pdf
15. http://www.chipdip.ru/product/1n4148w.aspx
16. http://www.chipdip.ru/product/hps12f.aspx
17. http://www.chipdip.ru/product/pld-6.aspx
18. http://www.chipdip.ru/product/pls-8.aspx
19. http://www.chipdip.ru/product/miniusb-a-5pin.aspx
20. http://www.chipdip.ru/product/pbs2-2.aspx
21. http://www.chipdip.ru/product/ms-22c01.aspx
22. http://www.chipdip.ru/product/tl064cd.aspx
Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
82
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

23. http://www.allcomponents.ru/pdf/itt/pts635.pdf
24. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm4040d20.pdf
25. http://www.diodes.com/datasheets/AP7333.pdf
26. http://www.chipdip.ru/product/tps60403dbvt.aspx
27. http://www.chipdip.ru/product/max1678eua.aspx
28. http://www.chipdip.ru/product/lqh43cn470k.aspx
29. http://www.chipdip.ru/product/20cjq030.aspx
30. http://www.flash-market.com.ua/article/usb-standard/
31. http://www.chipdip.ru/product/bh431a.aspx
32. http://www.chipdip.ru/product/mf-nsmf050.aspx
33. Основи охорони праці: підручник / М. С. Одарченко,. А. М. Одарченко, В. І.
Степанов, Я. М. Черненко. – Х. : Стиль-Издат, 2017. – 334 с..
34. Методичні вказівки до виконання випускних робіт бакалавра та дипломних
робіт для студентів напряму підготовки та спеціальності «Радіотехніка» освітньо-
кваліфікаційних рівнів «бакалавр», «спеціаліст», «магістр» усіх форм навчання /
Укл. В.В. Палагін, В.В. Філіпов. – Черкаси: ЧДТУ, 2016. – 53 с.

Арк.
СКРТ88.020.049.248 ПЗ
83
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