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
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9556| Title: | Проектування портативного осцилографа з візуалізацією зображення на персональному комп'ютері |
| Authors: | Палагін, Володимир Васильович Бульбас, Олександр Миколайович |
| Keywords: | usb-осцилограф;візуалізація даних;цифрова обробка сигналів;мікроконтролер;аналого-цифрове перетворення |
| Issue Date: | 2026 |
| Abstract: | Мета даної бакалаврської роботи полягає в розробці прототипу USB-осцилографа, який дозволяє здійснювати точні вимірювання електричних сигналів із частотою дискретизації до 50 МГц та забезпечує можливість швидкісної передачі і аналізу отриманих даних на ПК за допомогою інтерфейсу USB |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9556 |
| Appears in Collections: | 172 Електронні комунікації та радіотехніка (Радіотехніка та робототехнічні системи) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| 172_Б_РТ_Бульбас_Палагін.pdf Restricted Access | 1.87 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ ТА
МАШИНОБУДУВАННЯ
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІЧНИХ І ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМ ТА
КІБЕРБЕЗПЕКИ
До захисту допущено завідувач
кафедри РТСК
д.т.н., професор
____________ Володимир ПАЛАГІН
"_____" _____________ 2026 року
Пояснювальна записка до
кваліфікаційної роботи
бакалавра
(освітньо-кваліфікаційний рівень)
на тему Проектування портативного осцилографа з візуалізацією
зображення на персональному комп'ютері
Виконав: студент 4 курсу, групи РТ-225
Спеціальності 172 – Телекомунікації та
радіотехніка ,
(шифр і назва спеціальності)
освітньої програми «Радіотехніка та
робототехнічні системи»
(назва освітньої програми)
Бульбас О.М.
(прізвище та ініціали)
Керівник Палагін В.В.
(прізвище та ініціали)
Рецензент Бондаренко М.О.
(прізвище та ініціали)
Черкаси – 2026
Форма № Н-9.01
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра робототехнічних і телекомунікаційних систем та кібербезпеки
Освітньо-кваліфікаційний рівень бакалавр
Спеціальність 172 – Телекомунікації та радіотехніка
Освітня програма – Радіотехніка та робототехнічні системи
(шифр і назва)
ЗАТВЕРДЖУЮ
Завідувач кафедри __________Володимир ПАЛАГІН
“_____” ___________________ 2026 року
ЗАВДАННЯ
НА КВАЛІФІКАЦІЙНУ РОБОТУ СТУДЕНТУ
Бульбас Олександр Миколайович _
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема проекту (роботи) Проектування портативного осцилографа з
візуалізацією зображення на персональному комп'ютері
керівник проекту (роботи) д.т.н., професор Володимир Васильович Палагін
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
затверджені наказом вищого навчального закладу від «13» квітня 2026 року № 94/03-03
2. Термін здачі студентом закінченої роботи “ 01 ” червня 2026 року _________
3. Вихідні дані до роботи: апаратно-програмна платформа: мікроконтролер RP2040 (на
базі розробницької плати Raspberry Pi Pico); зовнішній конвеєрний аналого-цифровий
перетворювач AD9283. Параметри обробки сигналу: частота дискретизації 50 МГц (50
MSa/s), роздільна здатність квантування — 8 біт, стандартизований вхідний опір
аналогового тракту — 1 МОм. Система має забезпечувати апаратне захоплення
паралельної шини без участі центрального процесора, ізольоване від цифрових шумів
роздільне живлення чутливого аналогового тракту, блочну передачу даних на ПК через
інтерфейс. Напруга живлення приладу — 5 В від порту USB..
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, що їх належить розробити)
патентний пошук, огляд існуючих комерційних та аматорських архітектур цифрових
вимірювальних систем; розробка структурної схеми приладу; проєктування гібридного
алгоритму захоплення даних та розробка клієнтського програмного забезпечення; розробка
та математичний розрахунок елементів схеми електричної принципової; охорона праці.
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень, плакатів)
Структурна схема USB-осцилографа; 2. Схема електрична принципова портативного
USB-осцилографа; Графічна презентація.
.
6. Консультанти з проекту (роботи) із зазначенням розділів проекту, що їх стосуються
Підпис, дата
Прізвище, ініціали та посада
Розділ
консультанта завдання завдання
видав прийняв
Охорона праці Олексій КОЖЕМ’ЯКІН
старший викладач кафедри
безпеки життєдіяльності
7. Дата видачі завдання 13 квітня 2026 року
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
Термін
№ Назва етапів дипломного проекту
виконання етапів Примітка
з/п (роботи)
проекту (роботи)
Аналіз технічного завдання, патентний
1. пошук та огляд архітектур сучасних
цифрових осцилографів 13.04.26 – 16.04.26
Розробка структурної схеми приладу та
2. обґрунтування вибору мікроконтролера і
елементної бази 17.04.26 –25.04.26
3. Розробка схеми електричної принципової 26.04.26 – 30.04.26
4. Розрахунок вхідного аналогового тракту та
01.05.26 – 07.05.26
системи живлення
5. Проектування прошивки мікроконтролера
RP2040 08.05.26 – 15.05.26
Проектування клієнтського програмного
6. забезпечення на базі Python (PySide,
PyQtGraph) 16.05.26 – 21.05.26
7. Виконання розділу охорони праці 22.05.26 – 26.05.26
8. Оформлення пояснювальної записки 27.04.26 – 29.05.26
9. Оформлення презентації 30.05.26 – 31.05.26
Студент Олександр Бульбас
( підпис ) (прізвище та ініціали)
Керівник проекту Володимир Палагін
(роботи)
( підпис ) (прізвище та ініціали)
ЗМІСТ
ВСТУП 5
1 ПАТЕНТНИЙ ПОШУК ТА ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ РІШЕНЬ 6
1.1 Загальні відомості про цифрові вимірювальні системи 6
1.2 Огляд комерційних стаціонарних та USB-осцилографів 10
1.3 Аматорські та відкриті проекти осцилографів 14
1.4 Обґрунтування технічного завдання 16
1.5 Висновки 18
2 РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ ТА ПРОГРАМНОГО 20
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ USB-ОСЦИЛОГРАФА
2.1 Вибір та опис основних елементів схеми осцилографа 25
2.2 Розробка програмного забезпечення 35
2.3 Розробка прошивки мікроконтролера та алгоритму захоплення даних 37
2.4 Розробка клієнтського програмного забезпечення 41
2.5 Висновки 42
3 РОЗРОБКА СХЕМИ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРИНЦИПОВОЇ 45
ОСЦИЛОГРАФА
3.1 Опис роботи схеми електричної принципової 45
3.2 Розрахунок елементів схеми електричної принципової 48
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Бульбас
Проектування портативного Літ. Арк. Аркушів
Перевір. Палагін осцилографа з візуалізацією 3 34
Реценз. зображення на персональному
Н. Контр. комп'ютері ЧДТУ
Затверд. П алагін Пояснювальна записна
3.3 Висновки 56
4 ОХОРОНА ПРАЦІ 59
4.1 Аналіз небезпек і шкідливостей, що впливають на робітника 59
інженерно-діагностичного відділу
4.2 Розрахунок системи кондиціювання діагностичного відділу 68
4.3 Висновки 76
ВИСНОВКИ 77
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 79
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. Арк. 4
№ докум. Підпис Дата
ВСТУП
Розвиток сучасних технологій відкриває нові можливості для
вдосконалення вимірювальних приладів, зокрема цифрових осцилографів.
Вимоги до швидкодії, точності, мобільності та функціональності
вимірювальних систем постійно зростають, що зумовлює необхідність
створення нових підходів до їх розробки. В контексті загальної
комп'ютеризації значної популярності набувають віртуальні прилади, які
підключаються до персонального комп'ютера через інтерфейс USB. Вони
дозволяють не тільки проводити швидкісні вимірювання, але й здійснювати
глибокий моніторинг, математичний аналіз та зручну візуалізацію
результатів на великому екрані.
Тема розробки високочастотного USB-осцилографа є актуальною,
оскільки такі пристрої широко використовуються в різних галузях
електроніки, телекомунікацій, наукових дослідженнях, а також у
навчальному процесі та радіоаматорській практиці. Класичні стаціонарні
осцилографи мають високу вартість та великі габарити. Натомість розробка
компактного пристрою на базі сучасної компонентної бази забезпечує
зручність та оперативність збору даних, що дозволяє підвищити ефективність
діагностики швидкоплинних процесів та своєчасно виявляти несправності в
роботі цифрового й аналогового обладнання.
Мета даної бакалаврської роботи полягає в розробці прототипу USB-
осцилографа, який дозволяє здійснювати точні вимірювання електричних
сигналів із частотою дискретизації до 50 МГц та забезпечує можливість
швидкісної передачі і аналізу отриманих даних на ПК за допомогою
інтерфейсу USB.
Очікується, що результати роботи дозволять створити
конкурентоспроможний, портативний та доступний пристрій, який знайде
широке застосування у лабораторній та інженерній практиці.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. Арк. 5
№ докум. Підпис Дата
Отже, дана бакалаврська робота спрямована на вирішення актуального
завдання розробки інноваційного вимірювального приладу, що відповідає
сучасним вимогам швидкодії, надійності та функціональності, з
використанням новітніх мікроконтролерних технологій та апаратних методів
захоплення даних.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. 6
Арк. № докум. Підпис Дата
1 ПАТЕНТНИЙ ПОШУК ТА ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ РІШЕНЬ
1.1 Загальні відомості про цифрові вимірювальні системи.
Всі електронні осцилографи призначені для візуального
спостереження, вимірювання амплітудних і часових параметрів, а також
безперервної реєстрації електричних сигналів у реальному часі. Основними
величинами, які описують будь-який динамічний періодичний сигнал, є його
миттєва напруга, період коливань та частота. Прилад, що призначений для
графічного відображення залежності напруги від часу, носить назву
осцилографа. Тривалий час стандартом вимірювальної техніки залишалися
аналогові прилади, побудовані на базі електронно-променевих трубок (ЕПТ).
Їхній принцип дії полягав у безпосередньому відхиленні електронного пучка
електромагнітним полем, яке створювалося досліджуваним сигналом.
Незважаючи на миттєве відображення форми напруги, аналогові
осцилографи мали критичні недоліки: вони не могли запам'ятовувати
однократні неперіодичні імпульси, не дозволяли аналізувати передісторію
сигналу до моменту спрацювання тригера та виключали можливість
автоматичної математичної обробки осцилограм [2].
Із розвитком мікропроцесорної техніки та напівпровідникових
технологій відбувся перехід до цифрових запам'ятовуючих осцилографів. У
таких системах вхідний аналоговий сигнал більше не подається
безпосередньо на екран. Замість цього він проходить через спеціалізований
вхідний тракт узгодження, після чого потрапляє на аналого-цифровий
перетворювач (АЦП), де перетворюється на масив числових даних. Ці дані
зберігаються в оперативній пам'яті приладу і лише після цього обробляються
центральним процесором для виведення на рідкокристалічний дисплей або
передачі на комп'ютер. Тому при розробці цифрового вимірювального
приладу критично важливо глибоко розуміти фізичні процеси аналого-
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 7
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
цифрового перетворення, а також математичні закономірності, що
характеризують дискретні системи.
Основою роботи будь-якого цифрового вимірювального приладу є дія
аналого-цифрового перетворювача. Процес перетворення неперервного
(аналогового) фізичного процесу в цифровий код складається з двох
фундаментальних етапів: дискретизації сигналу в часі та його квантування за
рівнем амплітуди.
Дискретизація в часі означає, що неперервний сигнал вимірюється не
постійно, а лише в певні, суворо задані моменти часу, які називаються
точками відліку (вибірками або семплами). Інтервал часу між двома
сусідніми вибірками називається періодом дискретизації, а обернена до нього
величина — частотою дискретизації. Для забезпечення високої точності
вимірювань період дискретизації має бути абсолютно стабільним. Будь-які
флуктуації тактового генератора призводять до виникнення фазового
джитеру, який спотворює форму відновленого сигналу на високих частотах.
Перед безпосереднім оцифруванням сигнал обов'язково проходить через
пристрій вибірки та зберігання (ПВЗ). Цей аналоговий вузол на наносекунди
"заморожує" миттєве значення напруги на внутрішньому конденсаторі, щоб
АЦП встиг коректно порівняти його з опорною напругою та згенерувати
двійковий код.
Ключовим законом для таких систем є теорема Котельникова
(Найквіста-Шеннона), яка стверджує, що для безпомилкового відновлення
аналогового сигналу частота його дискретизації (fs) повинна щонайменше
вдвічі перевищувати максимальну частоту спектра досліджуваного сигналу
(fmax) :
fs ≥ 2 х fmax.
Якщо ця умова порушується, виникає небажане фізичне явище, відоме
як підміна частот або аліасинг. У цьому режимі цифровий осцилограф
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. Арк. 8
№ докум. Підпис Дата
починає працювати як стробоскоп. Високочастотний сигнал, оцифрований з
недостатньою частотою вибірок, після відновлення на екрані приладу
виглядатиме як сигнал значно нижчої частоти, або його форма буде повністю
спотворена. Це може призвести до хибних інженерних висновків під час
налагодження електронних схем. Для запобігання аліасингу перед АЦП часто
встановлюють аналогові фільтри низьких частот (антиаліасингові фільтри),
які жорстко обрізають усі спектральні складові сигналу, що перевищують
половину частоти дискретизації (частоту Найквіста).
Варто зазначити, що теорема Котельникова описує ідеальний випадок
для ідеально чистого синусоїдального сигналу. На практиці інженери-
розробники радіоелектронної апаратури найчастіше досліджують не
синусоїди, а складні імпульсні сигнали (наприклад, цифрові шини,
прямокутні меандри ШІМ-контролерів). Згідно з розкладанням у ряд Фур'є,
прямокутний імпульс містить нескінченну кількість високочастотних
гармонік, які формують його круті фронти. Тому для коректного
відображення крутих фронтів прямокутних імпульсів реальна частота
дискретизації сучасного цифрового осцилографа повинна перевищувати
максимальну частоту досліджуваного сигналу не у 2 рази, а щонайменше у
5–10 разів. Наприклад, для якісного дослідження цифрової шини з тактовою
частотою 10 МГц, осцилограф повинен мати частоту дискретизації від 50 до
100 мегасемплів на секунду (MSa/s).
Другим етапом оцифрування є квантування - перетворення виміряного
безперервного значення напруги у найближче дискретне ціле число
(двійковий код). Цей процес визначається роздільною здатністю АЦП, яка
вимірюється в бітах (N). Роздільна здатність визначає загальну кількість
можливих рівнів напруги, які здатен розрізнити прилад, що розраховується
за формулою 2N. Наприклад, 8-бітний АЦП розрізняє 256 рівнів напруги, а
12-бітний — вже 4096 рівнів.
Оскільки реальна напруга сигналу майже ніколи не збігається ідеально
з розрахунковим рівнем квантування, АЦП завжди здійснює округлення до
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 9
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
найближчого рівня. Це генерує похибку, яка називається шумом
квантування. Теоретичне відношення сигнал/шум (SNR), що визначає
динамічний діапазон ідеального АЦП, лінійно залежить від його розрядності
і розраховується за класичною формулою [2]:
SNR = 6,02 x N + 1,76(дБ).
Для більшості високошвидкісних цифрових осцилографів
індустріальним стандартом є використання 8-бітних АЦП. Незважаючи на
відносно високий крок квантування (близько 0,4% від повної шкали), 8-бітна
архітектура дозволяє досягати великих частот дискретизації, що є
пріоритетним при аналізі форми швидких фронтів. Більш розрядні АЦП (12,
14 або 16 біт) використовуються лише у спеціалізованих прецизійних
осцилографах для аналізу мікровольтових шумів живлення, проте їхня
частота дискретизації зазвичай є значно нижчою.
Ключовою відмінністю цифрової вимірювальної системи від
аналогової є наявність оперативної пам'яті для зберігання вибірок. Параметр
глибини пам'яті визначає максимальну кількість точок, яку прилад може
зберегти за один цикл захоплення.
Якщо глибина пам'яті є недостатньою, то при спробі захопити тривалий
часовий проміжок осцилограф буде змушений штучно знизити частоту
дискретизації fs, що автоматично погіршить деталізацію сигналу та може
призвести до описаного вище явища аліасингу. Саме тому в сучасних
віртуальних осцилографах впроваджуються методи апаратного скидання
даних через DMA для швидкого формування буферів великого обсягу.
Наявність цифрової пам'яті дозволила реалізувати революційну
функцію передісторії сигналу. На відміну від аналогових приладів, які
починають малювати графік лише після перевищення сигналом порогової
напруги (тригера), цифровий осцилограф оцифровує дані безперервно у
кільцевий буфер. Коли відбувається подія тригера, мікроконтролер просто
фіксує своє положення в пам'яті, дозволяючи користувачеві побачити ті
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 10
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
фізичні процеси, які передували та безпосередньо призвели до виникнення
імпульсу чи збою в електронній схемі.
Для забезпечення стабільного відображення періодичних сигналів на
екрані приладу використовується система синхронізації (тригер). Без неї
осцилограма виглядала б як хаотичний набір ліній, що біжать по екрану,
оскільки кожен новий цикл оцифрування починався б у довільний момент
часу. Завдання тригера полягає у запуску (або зупинці) процесу захоплення
даних чітко в той момент, коли вхідний сигнал досягає заданого
користувачем рівня напруги та напрямку зміни (позитивного або негативного
фронту). У класичних приладах синхронізація реалізувалася апаратно за
допомогою аналогових компараторів. У сучасних цифрових системах дедалі
частіше застосовується програмний тригер — алгоритм, який безперервно
сканує потік оцифрованих даних в оперативній пам'яті та знаходить точку
переходу математичним шляхом. Це дозволяє реалізувати складні умови
синхронізації, такі як запуск по ширині імпульсу або по виявленню логічного
патерну в цифровій шині.
Усі розглянуті вище етапи аналого-цифрового перетворення,
збереження та синхронізації вимагають значних апаратних ресурсів.
Традиційно вони зосереджувалися в єдиному масивному корпусі
стаціонарного осцилографа. Однак сучасний підхід до проєктування
вимірювальних систем передбачає архітектурний розподіл функцій. Відбувся
перехід до концепції віртуальних приладів, де апаратний блок (підключений
через USB) відповідає виключно за швидкісне оцифрування та первинну
буферизацію сигналу, тоді як усі ресурсомісткі завдання — математична
обробка, фільтрація, спектральний аналіз та візуалізація — перекладаються
на потужний центральний процесор персонального комп'ютера. Такий підхід
дозволяє кардинально зменшити габарити та вартість вимірювального
комплексу, зберігаючи при цьому високі метрологічні характеристики.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 11
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
1.2 Огляд комерційних стаціонарних та USB осцилографів
Історично першим і найбільш поширеним інструментом для аналізу
електричних сигналів є класичний стаціонарний цифровий осцилограф. Такі
прилади є повністю автономними вимірювальними комплексами, які
поєднують у єдиному масивному корпусі блок узгодження сигналів,
високошвидкісні аналого-цифрові перетворювачі, потужні обчислювальні
процесори (або ПЛІС) для обробки даних у реальному часі, а також власний
дисплей і фізичну панель керування. Незважаючи на еталонну надійність,
високу частоту дискретизації та зручність використання, класичні
осцилографи мають суттєві недоліки: високу вартість, значні габарити та
прив'язку до робочого місця (лабораторного столу), що обмежує їх
використання у польових умовах або компактних аматорських
лабораторіях.
Типовим представником сучасного класичного цифрового
стаціонарного осцилографа є популярна базова модель Rigol DS1054Z або
прилади промислового стандарту Tektronix серії TBS1000 (рисунок 1.1). Такі
осцилографи оснащені власною операційною системою, вбудованим
кольоровим дисплеєм діагоналлю від 7 дюймів, масивним блоком живлення
від мережі змінного струму та складною фізичною панеллю керування з
десятками кнопок і поворотних енкодерів. Незважаючи на відмінні
метрологічні характеристики, вага таких приладів становить близько 3
кілограмів, що робить їх виключно настільними лабораторними рішеннями.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
12
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Рисунок 1.1 – Осцилограф Rigol DS1054Z
Також до цього ж класу належать історичні аналогові електронно-
променеві осцилографи (наприклад, поширені у навчальних лабораторіях
моделі С1-94 або С1-112). Хоча вони забезпечують миттєве відображення
сигналу на фосфорному екрані без затримок на математичне оцифрування,
їхні значні габарити, високе енергоспоживання та повна відсутність цифрової
пам'яті для збереження осцилограм роблять таку архітектуру морально
застарілою.
Розвиток мікропроцесорної техніки та швидкісних інтерфейсів
передачі даних призвів до появи окремого класу вимірювальних приладів –
віртуальних USB-осцилографів. Їхня головна відмінність від класичних
стаціонарних приладів полягає у відсутності вбудованого дисплея та
масивного математичного співпроцесора. Прилад являє собою компактний
модуль, який лише оцифровує сигнал і передає його на персональний
комп'ютер для подальшої обробки та візуалізації на великому моніторі.
Професійні комерційні рішення використовують надзвичайно складні
архітектури на базі програмованих логічних інтегральних схем (FPGA) та
мають глибокі апаратні буфери пам'яті.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 13
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Типовими та найбільш відомими представниками професійного класу
віртуальних приладів є лінійка PicoScope (рисунок 1.2) від британської
компанії Pico Technology (наприклад, базова серія PicoScope 2000). Вони
встановлюють індустріальний стандарт для USB-осцилографів, пропонуючи
частоти дискретизації від 100 МГц до 1 ГГц, глибоку апаратну пам'ять та
потужне аналітичне програмне забезпечення. Проте їхня висока вартість, яка
стартує від кількох сотень і сягає десятків тисяч доларів для старших
моделей, робить їх недоступними для масового аматорського використання.
Рисунок 1.2 – Осцилограф PicoScope 2000
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
14
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
1. 3 Аматорські та відкриті проекти осцилографів
У спробах створити доступний вимірювальний інструмент розроблено
багато схем побудови саморобних та відкритих цифрових осцилографів.
Історично найпростішим підходом було використання вбудованої звукової
карти персонального комп'ютера, де аналого-цифровий перетворювач
аудіотракту виконував роль вимірювального пристрою. Хоча такий метод не
потребував майже жодних апаратних витрат, крім вхідного дільника напруги,
він мав критичні обмеження: вузька смуга пропускання (до 20 кГц), наявність
внутрішніх розділових конденсаторів (що унеможливлювало вимірювання
напруги постійного струму) та високий ризик пошкодження материнської
плати комп'ютера у разі перевищення вхідної напруги.
З розвитком доступних мікроконтролерних платформ акцент змістився
у бік автономних пристроїв. Найпростішими та наймасовішими стали
осцилографи на базі 8-бітних мікроконтролерів сімейства AVR, які масово
використовуються в екосистемі Arduino (наприклад, мікросхеми
ATmega328). Така архітектура використовує виключно внутрішній
вбудований АЦП послідовного наближення. Її головною перевагою є
надзвичайна простота схеми, низький поріг входження для розробників та
мінімальна вартість реалізації. Однак максимальна частота дискретизації
вбудованого АЦП цих кристалів при прийнятній точності не перевищує 100–
200 кГц. Згідно з теоремою Котельникова-Найквіста, такі прилади здатні
адекватно відображати лише низькочастотні сигнали з частотою до 50 кГц,
що робить їх придатними виключно для дослідження аудіодіапазону та
повільних фізичних процесів.
Значно потужнішою альтернативою стали аматорські проєкти на базі
32-бітних мікроконтролерів із ядром ARM Cortex-M, зокрема сімейства
STM32 (наприклад, популярні чипи STM32F103 або STM32F401). Типовим
та найбільш відомим комерційно успішним прикладом такого відкритого
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 15
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
проєкту є набір для самостійного збирання DSO138. Завдяки вищій тактовій
частоті процесорного ядра, наявності швидких вбудованих АЦП та підтримці
технології прямого доступу до пам'яті (DMA), такі пристрої здатні досягати
частоти дискретизації від 2 до 5 мегасемплів на секунду (MSa/s). Це стало
суттєвим кроком уперед, що дозволило аналізувати сигнали частотою до
200–500 кГц. Проте такої смуги пропускання все ще критично недостатньо
для повноцінного аналізу та налагодження сучасних цифрових схем, оскільки
навіть базові цифрові інтерфейси (такі як I2C, SPI або UART) працюють на
тактових частотах від 1 до 10 МГц, вимагаючи для коректного відображення
фронтів частоти дискретизації щонайменше 20–50 MSa/s.
Для досягнення високих частот дискретизації (від 50 MSa/s і вище)
розробники відкритого апаратного забезпечення традиційно змушені
переходити до використання зовнішніх високошвидкісних конвеєрних
аналого-цифрових перетворювачів у поєднанні з програмованими логічними
інтегральними схемами (ПЛІС, FPGA). Хоча зв'язка ПЛІС та зовнішнього
АЦП дозволяє досягти індустріальних стандартів швидкодії, такий підхід
повністю втрачає головну перевагу аматорських приладів — доступність та
простоту конструювання. Розробка пристроїв на базі ПЛІС вимагає
застосування складних багатошарових друкованих плат із жорстким
контролем хвильового опору доріжок, наявності дорогих мікросхем
статичної пам'яті та специфічних інструментів синтезу логіки. Це робить їхнє
створення та серійне виробництво економічно недоцільним для бюджетного
сегмента, що формує гостру науково-технічну потребу у пошуку нових,
компромісних мікроконтролерних архітектур, здатних ефективно та
апаратно працювати з високошвидкісними потоками даних без залучення
ПЛІС.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. Арк. 16
№ докум. Підпис Дата
1.4 Обґрунтування технічного завдання
Згідно технічного завдання в даній дипломній роботі необхідно
розробити портативний USB-осцилограф із високою частотою дискретизації
та можливістю швидкісної передачі вимірювальних даних на персональний
комп'ютер.
Метою розробки є створення надійного, точного та доступного
вимірювального приладу, який забезпечить зручність аналізу
швидкоплинних аналогових і цифрових сигналів та можливість гнучкої
програмної візуалізації отриманих масивів даних.
При виготовленні будь-якого вимірювального приладу перш за все
враховуються його технічні та експлуатаційні характеристики, а також якісні
показники роботи. Для осцилографа це включає такі аспекти, як частота
дискретизації (швидкість обробки даних), смуга пропускання аналогового
тракту, рівень власних шумів та надійність синхронізації. Крім того,
враховуються техніко-економічні вимоги, які орієнтовані на оптимізацію
витрат на виробництво та забезпечення конкурентоспроможної ціни приладу
порівняно з комерційними стаціонарними аналогами.
Даний пристрій для захоплення даних на частоті 50 МГц можна було б
побудувати на базі складних програмованих логічних інтегральних схем
(ПЛІС, FPGA) у зв'язці з швидкою зовнішньою пам'яттю (SRAM). Однак,
такий пристрій мав би складну багатошарову топологію друкованої плати,
великі масо габаритні розміри, високе енергоспоживання, а головне —
використання ПЛІС недоцільно з економічної точки зору, оскільки вони та
засоби їх розробки коштують в декілька разів більше, ніж сучасні
мікроконтролери.
З іншого боку, використання стандартних мікроконтролерів
(наприклад, сімейств AVR або базових STM32) не дозволяє досягти частоти
дискретизації вище 2–5 МГц через архітектурні обмеження процесорного
ядра. Тому для того, щоб зменшити кількість елементної бази до мінімуму,
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 17
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
але при цьому забезпечити надвисоку швидкість роботи, доцільно
використати сучасну архітектуру RP2040. Наявність у цьому
мікроконтролері апаратних автоматів програмованого вводу-виводу (PIO) та
каналів прямого доступу до пам'яті (DMA) дозволяє апаратно зчитувати дані
з зовнішнього АЦП на частоті 50 МГц, взагалі не навантажуючи центральний
процесор.
Монтаж високочастотної частини приладу (АЦП, генератора та
буфера) доцільно виконати на суцільному фольгованому полігоні заземлення
(«манхеттенський» стиль) або на спеціально спроєктованій друкованій платі
з суцільним шаром "землі", що є критично необхідним для забезпечення
цілісності сигналів на частотах у десятки мегагерц та зменшення паразитних
індуктивностей.
Розроблюваний USB-осцилограф має наступні розрахункові технічні
характеристики:
o Напруга живлення: 5 В (від порту USB).
o Споживаний струм: не більше 0,3 А.
o Частота дискретизації: 50 МГц (50 MSa/s).
o Роздільна здатність АЦП: 8 біт.
o Вхідний опір аналогового тракту: 1 МОм
o Інтерфейс передачі даних та керування: USB 2.0 (Full/High-Speed).
o Тип відображення даних: програмний графічний інтерфейс на екрані
ПК.
Основні компоненти апаратної системи:
o Мікроконтролер: модуль RP2040 це основний обчислювальний
елемент, що виконує апаратне захоплення паралельної шини даних
через PIO, пакування в пам'ять через DMA та відправку пакетів через
USB.
o Аналого-цифровий перетворювач AD9283: зовнішній
високошвидкісний 8-бітний АЦП конвеєрного типу.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. 18
Підпис Дата
o Система тактування: HCMOS-генератор на 50 МГц у поєднанні зі
спеціалізованим тактовим розгалужувачем CDCLVC1102.
o Аналоговий вхідний тракт: побудований на базі високочастотного
операційного підсилювача OPA2354 для масштабування вхідного
сигналу та узгодження імпедансів.
o Система роздільного живлення: використання лінійних малошумних
стабілізаторів напруги LDO типу LP5907 для ізоляції чутливого
аналогового живлення АЦП від цифрових шумів мікроконтролера.
o Програмне забезпечення ПК : програма на базі Python для прийому
USB-пакетів, програмної синхронізації (тригеру) та відмальовки
осцилограм.
1.5 Висновки
У першому розділі розглянуто принципи побудови та функціонування
цифрових вимірювальних систем. Перехід від аналогових осцилографів до
цифрових дозволив зберігати передісторію сигналів, фіксувати неперіодичні
імпульси та автоматизувати їх математичну обробку. Проте цифрова обробка
вимагає чіткого дотримання теореми Котельникова-Найквіста для запобігання
явищу аліасингу. Для точного аналізу сучасних імпульсних сигналів та
цифрових шин частота дискретизації повинна в кілька разів перевищувати
частоту досліджуваного процесу. Крім того, на точність вимірювань суттєво
впливають роздільна здатність аналого-цифрового перетворювача , рівень
шуму квантування та стабільність тактового генератора.
Розвиток інтерфейсів передачі даних сприяв поширенню віртуальних USB-
осцилографів. У таких системах апаратний модуль виконує лише узгодження
та оцифрування сигналу, а ресурсомістка математична обробка (зокрема
спектральний аналіз) і візуалізація здійснюються силами персонального
комп'ютера. Це дозволяє суттєво зменшити габарити вимірювального
комплексу.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. 19
Арк. № докум. Підпис Дата
Огляд існуючих технічних рішень показав, що комерційні USB-
осцилографи забезпечують високі метрологічні характеристики, але мають
значну вартість. З іншого боку, доступні аматорські та відкриті проєкти на базі
мікроконтролерів AVR або STM32 обмежені частотою дискретизації на рівні
2–5 МГц, чого недостатньо для налагодження сучасних цифрових інтерфейсів.
Використання ж програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС) для
досягнення високої швидкодії робить розробку надто складною та економічно
недоцільною для масового аматорського чи освітнього сегмента.
З огляду на виявлені недоліки існуючих рішень, було обґрунтовано
технічне завдання на розробку портативного USB-осцилографа з частотою
дискретизації 50 MSa/s, 8-бітною роздільною здатністю та вхідним опором 1
МОм. Оптимальним апаратним рішенням для реалізації цього завдання обрано
використання мікроконтролера RP2040. Завдяки інтегрованим автоматам
програмованого введення-виведення (PIO) та контролеру прямого доступу до
пам'яті (DMA), ця архітектура здатна забезпечити високошвидкісне
зчитування даних із зовнішнього АЦП без навантаження на обчислювальні
ядра процесора. Такий підхід дозволяє розробити компактний і доступний
прилад, який технічно відповідає сучасним вимогам до діагностики
електронної апаратури.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
20
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
2 РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ ТА ПРОГРАМНОГО
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ USB-ОСЦИЛОГРАФА
Розробка структурної схеми є фундаментальним етапом проєктування
будь-якого сучасного вимірювального пристрою, оскільки вона дозволяє
абстрагуватися від конкретних електронних компонентів і зосередитися на
визначенні основних функціональних вузлів системи, шляхах проходження
сигналів та логіці взаємодії підсистем. Архітектура спроектованого
цифрового USB-осцилографа (Рисунок 2.1) побудована за суворим
модульним принципом.
Рисунок 2.1 – Структурна схема USB осцилографа
Фізично та логічно весь вимірювальний комплекс поділяється на три
ключові підсистеми (домени): ізольовану аналогову частину (AP – Analog
Part), високошвидкісний мікроконтролерний блок обробки та маршрутизації
даних (MCU RP2040) та клієнтське програмне забезпечення на
персональному комп'ютері (PC). Такий концептуальний розподіл дозволяє
гарантувати цілісність аналогового сигналу на етапі захоплення та
максимально ефективно розподілити обчислювальні ресурси, делегувавши
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. 21
Арк. № докум. Підпис Дата
складну математичну обробку потужному центральному процесору
комп'ютера.
Першим бар'єром на шляху досліджуваного електричного сигналу є
аналогова підсистема (AP), яка відповідає за безпечне приймання,
масштабування та оцифрування фізичної величини. Вхідний сигнал, що
надходить від досліджуваного пристрою через вимірювальний щуп, спочатку
проходить через вхідний дільник напруги (Divider). Цей вузол виконує
критично важливу функцію первинного узгодження імпедансів,
забезпечуючи стандартизований вхідний опір приладу на рівні 1 МОм. Крім
того, дільник забезпечує послаблення амплітуди високовольтних сигналів до
рівнів, які є безпечними для подальшої обробки низьковольтною
електронікою. Далі масштабований сигнал надходить на буферний каскад,
побудований на високошвидкісному операційному підсилювачі (OA). Його
головне завдання полягає у забезпеченні високого вхідного опору та
наднизького вихідного опору, що дозволяє повністю ізолювати джерело
досліджуваного сигналу від динамічних ємнісних навантажень внутрішніх
електронних кіл осцилографа, запобігаючи спотворенню форми вимірюваної
напруги.
Після активної буферизації аналоговий сигнал проходить через вузол
постійного зміщення рівня (Offset). Необхідність цього блоку зумовлена тим,
що класичний вимірювальний сигнал є двополярним (має додатні та від'ємні
напівхвилі відносно нуля), тоді як сучасні високошвидкісні перетворювачі
живляться від однополярного джерела і здатні оцифровувати лише додатні
напруги. Вузол зміщення виконує математичну операцію додавання
константи, "піднімаючи" весь сигнал у додатну зону та центруючи його
відносно робочого вікна наступного каскаду. Останнім і найважливішим
елементом аналогового тракту є безпосередньо аналого-цифровий
перетворювач (ADC), який зі швидкістю 50 мільйонів разів на секунду
вимірює миттєве значення підготовленої напруги та генерує відповідний
паралельний цифровий код. Оскільки точність роботи АЦП критично
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 22
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
залежить від стабільності опорної напруги, живлення всієї аналогової
підсистеми здійснюється від окремого спеціалізованого лінійного
стабілізатора з низьким падінням напруги (LDO), який ефективно пригнічує
високочастотні завади.
Оцифровані дані у вигляді паралельної шини надходять до наступного
логічного домену — мікроконтролерної підсистеми на базі архітектури
RP2040. Цей блок відповідає за темпове апаратне захоплення масивів даних
та їхню подальшу передачу. Головною інженерною особливістю застосованої
реалізації є ефективний асиметричний розподіл завдань між двома фізичними
обчислювальними ядрами кристала. Нульове ядро (CORE0) жорстко
прив'язане до управління апаратними ресурсами реального часу. Воно
ініціалізує автомати програмованого введення-виведення (PIO), які на
надвисокій швидкості, синхронно з тактовим генератором АЦП, зчитують
паралельний код. Щоб уникнути переповнення буферів і не витрачати
процесорний час, зчитані байти перехоплюються контролером прямого
доступу до пам'яті (DMA), який безперервно та автономно наповнює
кільцевий масив у загальній статичній оперативній пам'яті (RAM).
Паралельно з цим процесом нульове ядро виконує сканування пам'яті для
реалізації первинної апаратної синхронізації (Trigring), фіксуючи момент
переходу сигналу через заданий поріг.
У той час як нульове ядро зайняте виключно збором даних та пошуком
тригера, перше обчислювальне ядро (CORE1) виконує роль комунікаційного
співпроцесора. Його завдання полягає в обслуговуванні підготовлених та
відцентрованих по тригеру кадрів осцилограми, які зберігаються в
оперативній пам'яті. Перше ядро зчитує ці кадри, виконує їхнє службове
упакування та керує передачею через вбудований USB-контролер (USB) на
комп'ютер. Такий підхід гарантує, що переривання, які генеруються шиною
USB, жодним чином не вплинуть на стабільність частоти дискретизації.
Енергозабезпечення мікроконтролера та всієї цифрової частини здійснюється
безпосередньо від стандартної шини живлення комп'ютера (USB 5V).
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 23
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Фінальним етапом обробки та візуалізації є клієнтське програмне
забезпечення на персональному комп'ютері (PC), реалізоване на базі
кросплатформного графічного фреймворку PySide. Дані, що безперервно
надходять через USB-інтерфейс, приймаються фоновим комунікаційним
модулем Pyserial. Оскільки операційна система комп'ютера не є системою
жорсткого реального часу, сирий потік байтів тимчасово накопичується у
проміжному програмному буфері (Buffer), що повністю унеможливлює
втрату пакетів при раптових пікових навантаженнях на процесор. Накопичені
порції даних передаються до десеріалізатора (Deserializer), який виконує
розпакування бінарних пакетів, перевіряє їхню структурну цілісність та
конвертує сирі 8-бітні значення АЦП у стандартизовані одновимірні числові
масиви.
Центральним обчислювальним вузлом програмної оболонки є блок
цифрової обробки сигналів та вторинного програмного тригера (SW trig,
DSP). Цей модуль спирається на високооптимізовані наукові бібліотеки SciPy
та NumPy. Він виконує математичне масштабування кодів у реальні одиниці
вимірювання (вольти), застосовує цифрові фільтри для згладжування шумів
та здійснює остаточне прецизійне фазове вирівнювання кадру, щоб
забезпечити абсолютно статичне зображення осцилограми на моніторі. Після
цього етапу потік математично підготовлених даних розгалужується на два
незалежні напрямки візуалізації. Перший напрямок передає числові масиви
до спеціалізованої графічної бібліотеки PyQtGraph, яка з використанням
апаратного прискорення відеокарти малює класичну форму сигналу у часовій
області (Graph). Другий напрямок виконує складну математичну операцію
швидкого перетворення Фур'є (Fast Fourier transform). Цей алгоритм
переводить сигнал із часової області у частотну, обчислюючи його
гармонічний склад, після чого виводить амплітудно-частотну
характеристику на графік спектра (Spectre). Наявність обох доменів
візуалізації перетворює спроєктований пристрій із простого візуалізатора
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 24
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
форми напруги на потужний аналітичний комплекс для дослідження
електронних систем.
2.1 Вибір та опис основних елементів схеми осцилографа
При проектуванні високочастотних вимірювальних пристроїв вибір
елементної бази є критичним етапом, що безпосередньо визначає
метрологічні характеристики, стабільність роботи та рівень власних шумів
приладу. Враховуючи необхідність забезпечення частоти дискретизації 50
МГц та специфіку виконання макетної плати методом «манхеттенського»
монтажу на суцільному мідному полігоні заземлення, компоненти
підбиралися з урахуванням їхніх швидкісних характеристик, надійності
корпусів та сумісності логічних рівнів.
В якості ядра системи керування та обробки даних застосовано
мікроконтролер RP2040 (Рисунок 2.2) від компанії Raspberry Pi Foundation.
Для практичної реалізації пристрою обрано готову розробницьку плату
Raspberry Pi Pico. Архітектура даного мікроконтролера поєднує високу
продуктивність двоядерного процесора ARM Cortex-M0+ із базовою
тактовою частотою 133 МГц та гнучку систему введення-виведення[4].
Рисунок 2.2 – Зовнішній вигляд розробницької плати Raspberry Pi Pico
Обсяг внутрішньої оперативної пам'яті становить 264 КБ.. Оскільки
мікросхема не містить вбудованої енергонезалежної пам'яті на кристалі,
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
25
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
виконання програмного коду здійснюється із зовнішньої Flash-мікросхеми
обсягом 2 МБ, яка інтегрована безпосередньо на платі модуля[5].
Вибір саме цієї архітектури (Рисунок 2.3) для завдання обґрунтований
наявністю унікальної підсистеми програмованого введення-виведення PIO .
Периферія містить два блоки PIO, які загалом пропонують вісім незалежних
апаратних автоматів. Вони дозволяють здійснювати паралельне зчитування
8-бітної шини даних з аналого-цифрового перетворювача на високій частоті
тактового генератора абсолютно незалежно від завантаженості центрального
процесора. Отримані дані миттєво переносяться у фоновому режимі з
буферів PIO безпосередньо в оперативну пам'ять за допомогою апаратного
контролера DMA. Завдяки цьому формується безперервний кільцевий буфер
даних без жодних затримок на програмну обробку переривань.
Рисунок 2.3 – Структурна схема мікроконтролера RP2040
Raspberry Pi Pico оснащена вбудованим імпульсним перетворювачем
напруги на базі мікросхеми RT6150. Цей вузол забезпечує стабільне
перетворення та живлення цифрового ядра мікроконтролера напругою 1,1 В,
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. 26
Арк. № докум. Підпис Дата
а також периферії напругою 3,3 В. Вхідна напруга може перебувати в
діапазоні від 1,8 до 5,5 В і штатно подається через вбудований інтерфейс
USB. Завдяки високій інтеграції компонентів, модуль являє собою повністю
функціонально закінчений обчислювальний блок. Він містить власний
високостабільний кварцовий резонатор на 12 МГц для тактування системи та
апаратний контролер USB 1.1, що забезпечує надійний зв'язок
вимірювального приладу з персональним комп'ютером.
Технічні характеристики RP2040 Pico:
Мікроконтролер: RP2040 (власна розробка Raspberry Pi Foundation)
Процесорне ядро: ARM Cortex-M0+ тактовою частотою 133 МГц
Оперативна пам'ять: (SRAM): 264 КБ
Енергонезалежна пам'ять: (Flash): 2 МБ
Вхідна напруга живлення: від 1,8 В до 5,5 В
Напруга логічних рівнів (GPIO): 3,3 В
Кількість ліній введення-виведення (GPIO): 26
Стандартні цифрові інтерфейси: 2 × UART, 2 × SPI, 2 × I2C
Програмоване введення-виведення (PIO): 2 апаратні блоки
Інтерфейс зв'язку з ПК: вбудований контролер USB 1.1
Додаткова периферія: вбудований датчик температури, апаратний
обчислювач цілочисельного ділення, контролер прямого доступу до пам'яті
(DMA)
Габаритні розміри плати: 51 мм × 21 мм
В якості основного вузла перетворення досліджуваного аналогового
сигналу в цифровий код застосовано мікросхему AD9283 від компанії Analog
Devices. Це високошвидкісний монолітний 8-бітний аналого-цифровий
перетворювач (АЦП), здатний працювати з частотою дискретизації до 50
мегасемплів за секунду .
Вибір зовнішнього спеціалізованого АЦП, замість використання
вбудованого модуля мікроконтролера RP2040, є критично важливим
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. 27
Арк. № докум. Підпис Дата
архітектурним рішенням для цифрового осцилографа. Вбудований АЦП
мікроконтролера має максимальну частоту дискретизації лише 500 кГц, що
дозволяє досліджувати сигнали частотою не більше 50–100 кГц. Натомість
застосування мікросхеми AD9283 з частотою 50 МГц[6], згідно з теоремою
Котельникова-Найквіста, теоретично дозволяє оцифровувати сигнали зі
спектром до 25 МГц. На практиці, для забезпечення достатньої кількості
точок на період для візуального аналізу форми сигналу (від 5 до 10 точок),
такий АЦП гарантує комфортне дослідження аналогових сигналів частотою
до 10 МГц та цифрових шин до 5 МГц.
Мікросхема AD9283 (Рисунок 2.4) містить на кристалі вбудовану
широкосмугову схему вибірки-зберігання та власне джерело опорної
напруги. Архітектура АЦП (Рисунок 2.5) побудована за багатоступеневою
конвеєрною схемою , що забезпечує високу швидкість роботи при низькому
рівні споживання енергії. Передача перетворених даних здійснюється через
паралельний 8-бітний інтерфейс.
Для мінімізації впливу цифрових шумів на результати вимірювання,
конструкція АЦП передбачає використання роздільного живлення
аналогової та цифрової частин мікросхеми. Це дозволяє живити цифрові
вихідні буфери безпосередньо від шини 3,3 В мікроконтролера, тоді як
живлення чутливого аналогового ядра та вбудованого джерела опорної
напруги здійснюється від окремого малошумного лінійного LDO-
стабілізатора.
Рисунок 2.4 – Структурна схема аналого-цифрового перетворювача
AD9283
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. 28
Підпис Дата
Рисунок 2.5 – Розташування виводів на корпусі SSOP-20
Основні технічні характеристики AD9283:
Розрядність: 8 біт
Максимальна частота дискретизації: 50 MSPS
Смуга пропускання аналогового входу: 475 МГц
Вхідний діапазон напруг: 1 В
Джерело опорної напруги: вбудоване, номінал 1,25 В
Напруга живлення : від 2,7 В до 3,6 В
Споживана потужність: 90 мВт при частоті 50 MSPS та напрузі 3 В
Цифровий інтерфейс: паралельний 8-бітний вихід, сумісний з 3-
вольтовою CMOS логікою
Тип корпусу: SSOP-20
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 29
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Таблиця 2.1 – Призначення виводів AD9283
Номер виводу Назва Опис та призначення в системі
1 PWRDWN Вибір режиму енергозбереження.
Вихід внутрішнього джерела
2 VREF OUT
опорної напруги (1,25 В).
3 VREF IN Вхід опорної напруги
4, 9, 16 GND Загальний провід (земля).
Вхід живлення аналогової
5, 8 VD
частини мікросхеми (3 В).
___
6 Інверсний аналоговий вхід АЦП.
A_IN
Прямий (неінвертуючий)
7 A_IN
аналоговий вхід АЦП.
10 ENCODE Вхід тактового генератора.
D7–D4, D3– Паралельна 8-бітна шина
11–14, 17–20
D0 цифрових виходів АЦП
Вхід живлення цифрових
15 VDD
вихідних буферів мікросхеми
Однією з найважливіших проблем при проєктуванні пристроїв на
частотах понад 10-20 МГц є забезпечення цілісності тактового сигналу.
Традиційне розгалуження дроту від генератора до АЦП та мікроконтролера
на частоті 50 МГц призводить до виникнення відбитих хвиль, накопичення
фазового джитеру та спотворення фронтів імпульсу.
Джерело еталонної частоти: Використовується активний кварцовий
генератор серії ASV (Рисунок 2.6) з робочою частотою 50 МГц[11], який
генерує стабільні прямокутні імпульси з розмахом від 0 В до 3.3 В.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 30
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Рисунок 2.6 – зовнішній вигляд ASV-50.000MHZ-E-T
Розподіл сигналу: Для розгалуження застосовується спеціалізований
тактовий буфер CDCLVC1102PW (Рисунок 2.7) від Texas Instruments. Цей
мікрочип приймає єдиний сигнал від генератора і видає дві синхронізовані
копії на АЦП та мікроконтролер. Гарантований перекіс фаз між виходами
буфера становить менше ніж 50 пікосекунд[10]. Це гарантує, що АЦП
здійснює вибірку аналогового сигналу, а PIO мікроконтролера зчитує ці дані
абсолютно одночасно. Буфер також слугує гальванічною розв'язкою, яка
поглинає зворотні відбиття від пінів процесора.
Рисунок 2.7 – Структурна схема буферу CDCLVC1102PW
Аналоговий вхідний тракт є важливим вузлом цифрового осцилографа,
оскільки він відповідає за узгодження високого опору вимірювального щупа
з низьким вхідним опором аналого-цифрового перетворювача, а також за
масштабування та зміщення рівня досліджуваного сигналу. В якості
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 31
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
активного елемента тракту обрано здвоєний високошвидкісний операційний
підсилювач OPA2354 (Рисунок 2.8) від компанії Texas Instruments.
Ця мікросхема побудована за CMOS-технологією, має широку смугу
пропускання та високу швидкість наростання вихідної напруги. Такі
параметри із значним запасом перекривають частоту дискретизації АЦП у 50
МГц, гарантуючи відсутність амплітудних та фазових спотворень у робочій
смузі частот осцилографа. Використання двох каналів підсилювача в одному
корпусі дозволяє реалізувати таку топологію: перший каскад працює як
буферний повторювач напруги з надвисоким вхідним імпедансом, а другий
виконує роль інвертуючих суматора і масштабатора, який приводить вхідний
сигнал до необхідного діапазону вхідної напруги АЦП.
Рисунок 2.8 – Структурна схема OPA2354
Для повноцінного функціонування осцилографа важливо забезпечити
можливість вимірювання як постійних, так і змінних сигналів, що мають
від'ємну полярність відносно землі. Живлення операційного підсилювача
виключно додатною напругою призвело б до неможливості опрацювання
від'ємних напівхвиль без застосування складних схем штучного зміщення на
самому вході, що суттєво обмежує точність приладу в режимі DC. Для
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
32
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
вирішення цієї проблеми у схемі застосовано генератор від'ємної напруги на
базі мікросхеми LM2776 (Рисунок 2.9). Це інвертор напруги на комутованих
конденсаторах, який з високим коефіцієнтом корисної дії перетворює вхідні
+5 В від шини живлення на стабільні -5 В без використання громіздких
індуктивностей [8].
Рисунок 2.9 – Типова схема підключення LM2776
Завдяки використанню мікросхеми LM2776 операційний підсилювач
OPA2354 отримує повноцінне симетричне двополярне живлення ±5 В. Це
рішення дозволяє першому каскаду вхідного тракту працювати з сигналами
нижче потенціалу землі без ризику обрізання амплітуди. Після буферизації
сигнал надходить на другий каскад, який стискає його розмах і додає
розраховане постійне зміщення. Таким чином, біполярний сигнал із
вимірювального щупа точно трансформується в уніполярний діапазон
додатних напруг від 0 до 1 В, який є робочим для перетворювача AD9283.
Основні технічні характеристики операційного підсилювача
OPA2354:
Кількість каналів: 2
Смуга пропускання: 250 МГц
Швидкість наростання вихідної напруги : 150 В/мкс
Струм споживання: 4,9 мА на канал
Тип корпусу: VSSOP-8 (мініатюрний для поверхневого монтажу)
Основні технічні характеристики інвертора напруги LM2776:
Тип перетворювача: інвертор напруги на комутованих конденсаторах
Діапазон вхідної напруги: від 2,7 В до 5,5 В
Вихідна напруга: інвертована вхідна (від -2,7 В до -5,5 В)
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
33
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Максимальний вихідний струм: 200 мА (із значним запасом покриває
потреби операційного підсилювача)
Робоча частота комутації: 2 МГц
Тип корпусу: SOT-23-6
Оскільки схема поєднує як цифрові високочастотні вузли
(мікроконтролер, буфери), так і чутливі аналогові компоненти (АЦП,
операційний підсилювач), питання організації живлення є критичним для
забезпечення високого співвідношення сигнал/шум (SNR).
Живлення здійснюється від шини USB (5 В). Для пониження напруги
до робочих 3.3 та 2.5 В застосовані мікропотужні лінійні стабілізатори (LDO)
серії LP5907 (Рисунок 2.10) . Дані мікросхеми відрізняються наднизьким
рівнем власних шумів (менше 6,5 мкВ) та високим коефіцієнтом придушення
пульсацій (PSRR) [9].
Рисунок 2.10 – Структурна схема LP5907
У схемі реалізовано топологію роздільного живлення:
Перший стабілізатор LP5907 забезпечує живлення АЦП, генератора
ASV, тактового буфера.
Другий стабілізатор LP5907 утворює чисту аналогову лінію живлення
для операційного підсилювача OPA2354. Це технічне рішення надійно ізолює
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. 34
Арк. № докум. Підпис Дата
чутливий вхідний тракт від «цифрового сміття» та різких імпульсних
навантажень, які виникають під час роботи 50-мегагерцової шини даних.
2.2 Розробка програмного забезпечення
Програмне забезпечення цифрового USB-осцилографа поділяється на
дві незалежні частини: вбудоване програмне забезпечення (прошивку)
мікроконтролера RP2040 та клієнтський додаток для персонального
комп'ютера, який відповідає за візуалізацію осцилограм та взаємодію з
користувачем.
Для програмування мікроконтролера RP2040 було обрано мову
MicroPython, а як інтегроване середовище розробки (IDE) — Thonny. Такий
вибір стеку технологій обґрунтовується низкою вагомих переваг для задач
швидкого прототипування та розробки вимірювальних приладів. Зокрема,
середовище Thonny надає вбудовану підтримку інтерактивної оболонки
(Read-Eval-Print Loop) для платформи Raspberry Pi Pico, що дозволяє
виконувати команди, тестувати роботу окремих вузлів та налагоджувати код
у режимі реального часу без необхідності тривалої компіляції та
перепрошивки пристрою. Крім того, наявність вбудованого файлового
менеджера дозволяє прозоро працювати з внутрішньою Flash-пам'яттю
мікроконтролера.
Незважаючи на те, що MicroPython є інтерпретованою мовою,
офіційний порт для RP2040 містить спеціалізований модуль «rp2», який
дозволяє інтегрувати низькорівневий асемблерний код для програмованих
автоматів введення-виведення (PIO) безпосередньо у скрипт на Python.
Додатковою перевагою є прямий доступ до апаратних регістрів
мікроконтролера за допомогою методу «machine.mem32» [12], що дає змогу
налаштувати контролер прямого доступу до пам'яті (DMA) для
високошвидкісного перенесення даних, повністю розвантаживши
центральний процесор від рутинних операцій. Таким чином, використання
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. Арк. 35
№ докум. Підпис Дата
Thonny та MicroPython забезпечує високу швидкість розробки завдяки
синтаксису Python для логіки вищого рівня, зберігаючи при цьому
максимальну апаратну швидкодію.
Для розробки десктопного додатку осцилографа також обрано мову
програмування Python, що спрощує загальну підтримку кодової бази проєкту.
Графічний інтерфейс користувача реалізовано за допомогою бібліотеки
PySide, яка забезпечує створення сучасного та кросплатформного додатку.
Для швидкого та беззатримкового відмальовування осцилограм, що містять
десятки тисяч точок, застосовано спеціалізовану бібліотеку PyQtGraph з
апаратним прискоренням. Надійний асинхронний прийом потоку байтів
через віртуальний USB COM-порт забезпечується модулем PySerial
.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 36
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
2.3 Розробка прошивки мікроконтролера та алгоритму
захоплення даних
Головним технічним викликом при розробці прошивки є організація
безперервного прийому паралельного 8-бітного коду з виходів АЦП AD9283
на частоті 50 МГц. Оскільки інтерпретатор MicroPython фізично не здатний
зчитувати GPIO-порти на такій швидкості, розроблено алгоритм гібридного
апаратного захоплення даних без участі центрального процесора.
Процес розпочинається з конфігурації незалежних співпроцесорів PIO.
За допомогою декоратора «@rp2.asm_pio» у середовищі Thonny написано
мікропрограму мовою асемблера PIO, яка налаштовується на очікування
тактового імпульсу від апаратного буфера CDCLVC1102. За командою
зчитування портів автомат PIO миттєво, за один машинний такт, фіксує стан
восьми пінів GPIO, до яких підключені шини даних АЦП, і автоматично
проштовхує зчитаний байт у вхідний апаратний буфер FIFO.
Щоб оперативно забирати дані з буфера PIO до його переповнення,
використовується контролер прямого доступу до пам'яті (DMA). Його
налаштування виконується шляхом прямого запису в конфігураційні регістри
RP2040. Адресою джерела призначається регістр читання RX FIFO
відповідного автомата PIO, а адресою призначення — вказівник на
попередньо виділений масив типу «bytearray» в оперативній пам'яті
мікроконтролера. Контролер DMA налаштовується на автоматичне
пересилання даних за апаратним тригером від PIO, працюючи повністю
автономно та записуючи масив на швидкості 50 МБ/с, тоді як інтерпретатор
MicroPython знаходиться в режимі очікування.
Хоча безпосереднє захоплення даних виконується апаратно, подальша
обробка масиву та його передача через інтерфейс USB покладається на
інтерпретатор MicroPython, що вимагає значних обчислювальних ресурсів.
Для мінімізації програмних затримок та підвищення частоти оновлення
кадрів осцилограми на екрані ПК, у прошивці застосовано апаратний розгін
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 37
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
(оверклокінг) центрального процесора. Штатна тактова частота
мікроконтролера RP2040 становить 125 МГц, проте його напівпровідникова
архітектура дозволяє стабільну роботу на підвищених частотах. За
допомогою вбудованого системного методу робочу частоту двох ядер Cortex-
M0+ було програмно збільшено до 200 МГц. Такий режим є повністю
безпечним, не вимагає підвищення напруги живлення ядра чи додаткового
охолодження, але дозволяє майже вдвічі пришвидшити виконання циклів
обробки масивів та операцій з пам'яттю.
Логіка високого рівня, що виконується на розігнаному процесорі,
відповідає за пошук моменту синхронізації, тобто програмного тригера.
Після заповнення кільцевого буфера сирими даними, скрипт перевіряє
отриманий масив у пошуках переходу сигналу через заданий користувачем
поріг, фіксуючи, наприклад, позитивний фронт імпульсу. Знайдена позиція
стає нульовою точкою для відображення кадру на екрані комп'ютера.
На фінальному етапі сформований кадр осцилограми передається на
комп'ютер. Для цього у MicroPython використовується прямий запис у
стандартний потік виведення «sys.stdout.buffer.write()», що дозволяє
відправляти сирі бінарні дані через віртуальний послідовний порт на
максимально можливій швидкості без додаткових витрат часу на
конвертацію масиву у текстовий формат.
Автомати PIO (Programmable Input/Output) є унікальною апаратною
особливістю мікроконтролера RP2040, що дозволяє створювати власні
високошвидкісні цифрові інтерфейси без залучення ресурсів центрального
процесора. Для зчитування даних з аналого-цифрового перетворювача на
частоті 50 МГц традиційний метод опитування портів або використання
переривань є абсолютно неефективним через неминучі програмні затримки
та джитер виконання інструкцій. Тому в розробленій завадостійкій системі
на суцільному полігоні землі процес зчитування делеговано автомату PIO.
Мікропрограма, написана спеціалізованим асемблером PIO за допомогою
вбудованого декоратора середовища розробки, налаштовується на синхронну
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 38
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
роботу з тактовим генератором АЦП. Автомат програмно очікує позитивного
фронту тактового сигналу, після чого рівно за один машинний такт зчитує
стан восьми ліній вводу-виводу, до яких підключена шина даних
перетворювача. Зчитаний байт миттєво розміщується у вбудованому
апаратному буфері FIFO, що гарантує детермінованість процесу та нульову
втрату вибірок навіть на критично високих частотах дискретизації.
Практична реалізація цього алгоритму в прошивці має такий вигляд:
@rp2.asm_pio(
in_shiftdir=rp2.PIO.SHIFT_RIGHT,
autopush=True,
push_thresh=8,
fifo_join=rp2.PIO.JOIN_RX )
def adc_capture():
wrap_target()
wait(1, pin, 0) # Очікування позитивного фронту на піні тактування CLK
in_(pins, 8) # Паралельне зчитування 8 біт даних з шини АЦП
wait(0, pin, 0) # Очікування спаду тактового сигналу для запобігання
повторам
wrap()
Оскільки внутрішній буфер FIFO автомата PIO має глибину лише
чотири слова, він миттєво переповнився б при частоті надходження даних 50
Мегабайтів на секунду. Для вирішення цієї проблеми застосовано контролер
прямого доступу до пам'яті (DMA), який переносить дані з регістрів PIO до
основної оперативної пам'яті (SRAM) мікроконтролера. Цей процес
налаштовується шляхом прямої низькорівневої модифікації системних
регістрів через спеціалізовані методи роботи з тридцятидвохбітною
пам'яттю. Кожна поява нового байта у FIFO автомата PIO генерує апаратний
запит, який автоматично запускає транзакцію DMA. Дані циклічно
записуються у попередньо виділений масив типу «bytearray», утворюючи
структуру кільцевого буфера. Розмір цього буфера визначається з
урахуванням загального обсягу доступної оперативної пам'яті
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
39
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
мікроконтролера та необхідності збереження передісторії сигналу для
коректної роботи тригера. Завдяки використанню багатошинної матриці
мікроконтролера RP2040, контролер DMA виконує запис у пам'ять
паралельно з роботою ядер процесора, абсолютно не знижуючи їхньої
обчислювальної продуктивності. Програмний код ініціалізації та
конфігурування каналу DMA має такий вигляд:
def start_dma_transfer(buffer_addr, buffer_size, pio_fifo_addr): # Запис адрес
джерела та приймача в регістри контролера DMA
machine.mem32[0x50000000] = pio_fifo_addr # Регістр читання
DMA_CH0_READ_ADDR
machine.mem32[0x50000004] = buffer_addr # Регістр запису
DMA_CH0_WRITE_ADDR
machine.mem32[0x50000008] = buffer_size # Кількість транзакцій
DMA_CH0_TRANS_COUNT
# Формування конфігураційного слова для активації каналу
# Включає дозвіл роботи, інкремент адреси запису та вибір тригера PIO0_RX0
ctrl_word = (1 << 0) | (0 << 2) | (0 << 4) | (1 << 5) | (0x04 << 15)
machine.mem32[0x5000000C] = ctrl_word # Запуск DMA через регістр
CTRL_TRIG
Після успішного апаратного захоплення даних та знаходження
моменту синхронізації, сформований масив необхідно передати на
персональний комп'ютер для подальшої обробки та візуалізації.
Враховуючи використання високорівневої мови програмування
мікроконтролера, зв'язок реалізується через інтегрований програмний стек
USB CDC, який на стороні хоста розпізнається як стандартний віртуальний
послідовний порт. Оскільки апаратний контролер USB у мікроконтролері
RP2040 підтримує лише стандарт Full Speed із максимальною теоретичною
пропускною здатністю 12 Мбіт/с 13], передача безперервного потоку
високочастотних даних є фізично неможливою. З огляду на це, передача
здійснюється виключно у блочному режимі. Мікроконтролер відправляє
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 40
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
лише відфільтровані та синхронізовані кадри осцилограми у вигляді сирого
бінарного потоку, використовуючи низькорівневий запис у системний
буфер виводу. Такий підхід дозволяє уникнути суттєвих накладних витрат
процесорного часу на конвертацію числових масивів у текстовий формат
ASCII та максимально ефективно використати доступну смугу пропускання
інтерфейсу USB. Програмна реалізація блочного виведення кадру зрізу
пам'яті здійснюється за допомогою такої конструкції:
def send_frame_to_pc(adc_buffer, trigger_index, frame_size):
# Визначення меж корисного кадру в кільцевому буфері пам'яті
end_index = trigger_index + frame_size
# Пряме виведення сирого бінарного зрізу масиву в USB-порт без конвертації в
текст
sys.stdout.buffer.write(adc_buffer[trigger_index:end_index])
sys.stdout.buffer.flush()
2.4 Розробка клієнтського програмного забезпечення
Клієнтське програмне забезпечення для персонального комп'ютера
розроблено мовою Python, що дозволяє створити єдиний кросплатформний
додаток, сумісний з операційними системами Windows, macOS та Linux.
Архітектура програми базується на багатопоточній моделі виконання, що є
критично важливим для вимірювальних приладів реального часу. Суворе
розділення логіки обробки даних та графічного інтерфейсу користувача у
різні системні потоки запобігає зависанню програми (блокуванню головного
циклу подій) під час інтенсивного обміну даними через порт USB.
Графічна оболонка побудована з використанням фреймворку PySide,
який є офіційною прив'язкою мови Python до потужної екосистеми C++
бібліотек Qt [15]. Використання PySide забезпечує зручну інтеграцію
нативних елементів управління, високу продуктивність та підтримку
сучасних парадигм подієво-орієнтованого програмування. Для
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. Арк. 41
№ докум. Підпис Дата
відмальовування безпосередньо самих осцилограм застосовано
спеціалізовану бібліотеку PyQtGraph. На відміну від стандартних
аналітичних інструментів загального призначення (наприклад, Matplotlib), ця
бібліотека використовує апаратне прискорення через графічний API
OpenGL[14]. Це дозволяє плавно масштабувати графіки та оновлювати сітку
екрана з високою кадровою частотою навіть при відображенні десятків тисяч
точок без перенавантаження центрального процесора комп'ютера.
Окрім візуалізації форми сигналу у часовій області, програмне
забезпечення включає модуль цифрової обробки сигналів (DSP). За
допомогою наукових бібліотек NumPy та SciPy реалізовано алгоритм
швидкого перетворення Фур'є (FFT). Це перетворює осцилограф на
аналізатор спектра, дозволяючи користувачеві в режимі реального часу
досліджувати гармонічний склад сигналу, виявляти високочастотні завади та
аналізувати амплітудно-частотні характеристики досліджуваних
електронних кіл.
Організація стабільного прийому даних вимагає надійної комунікації
між комп'ютером та мікроконтролером. Взаємодія з віртуальним
послідовним портом винесена в окремий фоновий потік (Worker Thread),
який безперервно зчитує системний буфер операційної системи за
допомогою бібліотеки PySerial. Оскільки високочастотні дані від
мікроконтролера надходять блоками у вигляді сирого бінарного потоку,
програма виконує їхню десеріалізацію. Цей процес полягає в розпакуванні
байтів, перевірці цілісності отриманого кадру та конвертації сирих 8-бітних
значень аналого-цифрового перетворювача у базові масиви числових
значень.
Незважаючи на те, що первинний пошук тригера та виокремлення
корисного кадру здійснюється апаратно-програмними засобами
мікроконтролера, клієнтське програмне забезпечення ПК виконує важливу
роль у підготовці даних до візуалізації. Програмний алгоритм застосовує
калібрувальні коефіцієнти масштабування вхідного аналогового тракту,
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. 42
Арк. № докум. Підпис Дата
перераховуючи коди напруги (від 0 до 255) у реальні фізичні величини.
Оброблений, відмасштабований та згладжений масив передається головного
вікна програми для негайної візуалізації на сітці осцилографа.
2.5 Висновки
У даному розділі повністю розроблено та обґрунтовано апаратно-
програмну архітектуру цифрового USB-осцилографа. Проектування здійснено
за суворим модульним принципом із логічним розподілом системи на три
незалежні домени: аналоговий вхідний тракт, мікроконтролерний блок
захоплення даних та клієнтське програмне забезпечення персонального
комп'ютера. Такий підхід дозволив максимально оптимізувати обчислювальні
ресурси та гарантувати високу швидкість обробки вимірювальних сигналів без
взаємного блокування процесів.
Апаратна реалізація аналогової частини базується на застосуванні
високошвидкісного здвоєного операційного підсилювача OPA2354 та
спеціалізованого інвертора напруги на комутованих конденсаторах LM2776.
Це рішення забезпечило коректне узгодження вхідних імпедансів на рівні 1
МОм та точне масштабування біполярних сигналів для їх подальшої передачі
на АЦП. Використання зовнішнього 8-бітного перетворювача конвеєрного
типу AD9283 у поєднанні з прецизійним активним тактовим генератором на
50 МГц та буфером-розгалужувачем CDCLVC1102 дозволило досягти
еталонної частоти дискретизації 50 MSa/s. При цьому топологія роздільного
живлення аналогового та цифрового трактів за допомогою мікропотужних
стабілізаторів напруги LP5907 гарантувала високу завадостійкість та
мінімальний рівень власних шумів системи.
Ключовим рішенням проєкту стала розробка гібридного алгоритму
захоплення даних на базі мікроконтролерної архітектури RP2040. Завдяки
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. 43
Арк. № докум. Підпис Дата
залученню апаратних автоматів програмованого введення-виведення (PIO)
реалізовано паралельне зчитування шини АЦП рівно за один машинний такт.
Інтеграція контролера прямого доступу до пам'яті (DMA) дозволила
безперервно формувати кільцевий буфер в оперативній пам'яті (SRAM) зі
швидкістю 50 МБ/с абсолютно без участі центрального процесора. Крім того,
програмний розгін обчислювальних ядер Cortex-M0+ до 200 МГц забезпечив
беззатримкову роботу алгоритмів програмного тригера та стабільну блочну
передачу відфільтрованих кадрів на хост-пристрій через інтегрований
інтерфейс USB.
Клієнтське програмне забезпечення для персонального комп'ютера,
розроблене мовою Python, успішно інтегрувало функції десеріалізації,
математичного масштабування та візуалізації масивів. Використання
багатопотокової архітектури у поєднанні з кросплатформним графічним
фреймворком PySide та бібліотекою апаратного прискорення PyQtGraph
гарантує плавне відображення осцилограм у режимі реального часу навіть при
значних обсягах даних. Водночас імплементація алгоритмів швидкого
перетворення Фур'є (ШПФ) за допомогою спеціалізованих наукових бібліотек
SciPy суттєво розширила функціонал пристрою, перетворивши базовий
осцилограф на повноцінний аналізатор спектра.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис 44
Дата
3 РОЗРОБКА СХЕМИ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРИНЦИПОВОЇ
ОСЦИЛОГРАФА
3.1 Опис роботи схеми електричної принципової
Робота принципової електричної схеми (Рисунок 3.1) розробленого
цифрового USB-осцилографа базується на послідовному проходженні
досліджуваного сигналу через етапи узгодження, високошвидкісного
аналого-цифрового перетворення та апаратної цифрової обробки.
Функціонально схему можна розділити на чотири основні блоки: підсистему
живлення, аналоговий вхідний тракт, систему тактування та оцифрування, а
також блок мікроконтролерного керування.
Основним джерелом енергії для приладу є напруга +5 В, яка надходить
від персонального комп'ютера через USB-роз'єм розробницької плати
Raspberry Pi Pico (контакт VBUS). Для запобігання проникненню
високочастотних завад від цифрової частини у чутливий вимірювальний
тракт, живлення аналогових компонентів відокремлено. Напруга +5 В
подається на вхід малошумного лінійного стабілізатора напруги (LDO) серії
LP5907, який формує чисту, стабілізовану напругу +3,3 В для живлення
аналогового ядра АЦП та буфера тактових імпульсів.
Для забезпечення коректної роботи вхідного операційного
підсилювача з біполярними сигналами (які мають від'ємну напівхвилю)
застосовано інвертор напруги на комутованих конденсаторах LM2776. Він
перетворює додатну напругу на симетричну від'ємну, формуючи повноцінне
двополярне живлення для операційного підсилювача, що виключає ризик
обрізання вхідного сигналу.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
45
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Рисунок 3.1 – Схема електрична принципова
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
46
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Підсистема живлення :
Досліджуваний сигнал надходить через вхідний BNC-роз'єм (або
штирьовий конектор) на перший каскад здвоєного високошвидкісного
операційного підсилювача OPA2354. Перший каскад включений за
класичною схемою неінвертуючого повторювача напруги (буфера). Його
головна функція — забезпечити високий вхідний опір приладу (задається
вхідним резистором номіналом 1 МОм на землю) та ізолювати джерело
сигналу від впливу наступних кіл схеми.
Після буферизації сигнал передається на другий каскад OPA2354, який
реалізований за схемою інвертуючого суматора. Завдяки резистивній обв'язці
цей каскад одночасно виконує дві функції: по-перше, масштабує амплітуду
сигналу до необхідного рівня; по-друге, додає до нього розраховане постійне
зміщення за рахунок резистора, підключеного до від'ємної шини живлення.
В результаті симетричний змінний сигнал "піднімається" над нулем і
повністю вписується в робочий діапазон додатних напруг аналого-цифрового
перетворювача.
Підготовлений аналоговий сигнал надходить на прямий вхід (AIN) 8-
бітного аналого-цифрового перетворювача AD9283. Внутрішнє джерело
опорної напруги АЦП активоване шляхом з'єднання відповідних виводів
(VREFOUT та VREFIN).
Для забезпечення суворої синхронізації процесу вибірки в схемі
застосовано активний кварцовий генератор на 50 МГц. Оскільки цей
тактовий сигнал необхідний одночасно для АЦП та мікроконтролера,
використовується спеціалізований буфер розгалуження тактових імпульсів
CDCLVC1102. Він приймає вихідний сигнал з генератора і формує дві
ідентичні копії без спотворення фронтів імпульсу: перша копія надходить на
вхід тактування АЦП (ENCODE), а друга — на вхід загального призначення
(GPIO) мікроконтролера.
На кожному такті синхронізації (50 мільйонів разів на секунду) АЦП
видає результат перетворення у вигляді паралельного 8-бітного коду на
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. 47
Арк. № докум. Підпис Дата
виводи D0–D7. Ці лінії підключені до восьми послідовних портів введення-
виведення (GPIO) мікроконтролера RP2040.
Читання шини даних здійснюється не силами центрального процесора,
а апаратними автоматами програмованого введення-виведення (PIO), які
тактуються безпосередньо від зовнішнього генератора. Отримані байти
перехоплюються контролером прямого доступу до пам'яті (DMA) і
автоматично складаються у масив оперативної пам'яті SRAM, формуючи
кільцевий буфер. Центральний процесор RP2040 аналізує цей буфер та
передає готові пакети даних через інтегрований USB-інтерфейс на
персональний комп'ютер для виведення осцилограми на екран.
Для забезпечення цілісності сигналів та стабільності роботи системи на
високих частотах, біля кожного виводу живлення всіх активних мікросхем
(АЦП, ОП, LDO, буфер та генератор) передбачені керамічні блокувальні
конденсатори номіналом 0,1 мкФ, що розташовуються впритул до
відповідних контактів і підключаються до суцільного полігону землі
найкоротшим шляхом.
3.2 Розрахунок елементів схеми електричної принципової
Проведемо розрахунок основних елементів схеми електричної
принципової розробленого USB-осцилографа. Для забезпечення надійної
роботи приладу перш за все необхідно розрахувати бюджет живлення
системи та номінали компонентів аналогового вхідного тракту.
Розрахунок струму споживання:
Пристрій живиться безпосередньо від порту USB персонального
комп'ютера. Згідно зі специфікацією USB 1.0, максимальний струм, який
може віддати один порт без додаткового узгодження, становить 500 мА.
Для перевірки відповідності розробленої схемотехніки цим вимогам
проведено розрахунок максимального сумарного струму споживання
приладу Iмах у найнесприятливішому (динамічному) режимі роботи. Вихідні
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. Арк. 48
№ докум. Підпис Дата
дані щодо максимальних струмів споживання окремих інтегральних
мікросхем та активних компонентів отримані з офіційної технічної
документації виробників і зведені в таблицю 3.1:
Таблиця 3.1 - Напруги живлення та струми споживання компонентів
Максимальний
Напруга
струм
Найменування компонента живлення,
споживання,
В
мА
5,0
Модуль Raspberry Pi Pico 40,0
(VBUS)
Аналого-цифровий перетворювач AD9283 3,3 30,0
Активний тактовий генератор 3,3 15,0
Буфер розгалуження тактових сигналів 3,3 10,0
Операційний підсилювач OPA2354 ±2,5 10,0
Інвертор напруги LM2776 (струм спокою) 5,0 1,5
LDO-стабілізатор LP5907 (струм спокою) 5,0 0,012
Розрахунок цифрової гілки живлення (3,3 В):
Цифровий LDO-стабілізатор LP5907-3.3 забезпечує живленням АЦП та
систему тактування. Сумарний струм навантаження на цей стабілізатор I3V3
становить:
I3V3 = I_ADC + I_BUF + ICLC,
I3V3 = 30 + 15 + 10 = 55мА.
Вхідний струм, який LDO споживає від шини 5 В, включає струм
навантаження та власний струм спокою кристала ILDO:
ILDO1_in: = I3V3 + ILDO = 55 + 0,012 = 55,012.
Розрахунок аналогової гілки живлення (2,5 В):
Аналоговий LDO-стабілізатор LP5907-2.5 живить позитивне плече
операційного підсилювача (5 мА) та вхід інвертора напруги LM2776.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис 49
Дата
Інвертор напруги LM2776 формує мінусове живлення -2,5 В для
від'ємного плеча операційного підсилювача IOA = 5 мА. З урахуванням
коефіцієнта корисної дії інвертора 90% та його власного струму спокою
IINV = 1,5 мА, струм, який він споживає від шини 2,5 В, дорівнює:
IINV_in = IINV + IOA = 1,5 + 5/0,9 = 7,06 мА.
Тоді загальне навантаження на аналоговий LDO I2V5 складе:
I2V5 = IOA + IINV_in = 5 + 7,06 = 12,06 мА.
Вхідний струм, який LDO споживає від шини 5 В:
ILDO2_in = I2V5+ ILDO,
ILDO2_in = 12,06 + 0,012 = 12,07 мА.
Загальний струм, що споживається осцилографом від роз'єму USB
комп'ютера, є сумою струму мікроконтролера та вхідних струмів обох LDO-
стабілізаторів:
I = IRP2040 + ILDO1_in + ILDO2_in,
I = 40 + 55,01 + 12,07 = 107,08 мА .
З урахуванням можливих динамічних сплесків та інженерного запасу,
розрахунковий максимальний струм споживання приймаємо рівним 115 мА.
Отримане значення максимального струму споживання становить 115
мА, що має майже п'ятикратний запас до ліміту порту USB (500 мА). Крім
того, обрані нами LDO-стабілізатори LP5907 розраховані на максимальний
вихідний струм 250 мА кожен. Оскільки навантаження розділене на два
стабілізатори , вони працюватимуть у полегшеному тепловому режимі, що
гарантує відсутність перегріву.
Для коректного вимірювання електричних сигналів без внесення
спотворень у роботу досліджуваної схеми, вимірювальний прилад повинен
мати високий вхідний опір. Згідно з міжнародними стандартами метрології,
базовий вхідний опір переважної більшості осцилографів становить 1 МОм.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. 50
Арк. № докум. Підпис Дата
У розробленій схемі цифрового USB-осцилографа цей стандартний
імпеданс задається прецизійним резистором R1 номіналом 1 МОм, який
підключений між неінвертуючим входом першого каскаду операційного
підсилювача OPA2354 та землею. Оскільки вхідний струм самого CMOS-
підсилювача OPA2354 є мізерно малим (типово близько 3 пА), саме резистор
R1 визначає загальний активний опір приладу постійному струму.
Базовий діапазон вимірюваних напруг аналогового тракту, визначений
напругою живлення та опорною напругою АЦП, становить ±0,5 В. Для
дослідження сигналів більшої амплітуди використовується зовнішній
стандартний осцилографічний щуп із вбудованим частотно-компенсованим
дільником напруги (режим 10X).
Коли стандартний осцилографічний щуп перемикається в режим
"10X", у коло послідовно із входом приладу підключається внутрішній
резистор щупа Rprobe.
Згідно зі специфікаціями, опір цього резистора дорівнює 9 МОм. Разом
із вхідним резистором осцилографа утворюється класичний резистивний
дільник напруги.
Загальний активний опір системи "щуп + осцилограф":
R = Rprobe + R1,
R = 9 МОм + 1 МОм = 10 МОм.
Коефіцієнт ділення напруги (K) розраховується як відношення опору
приладу до загального опору кола:
K = R1 / (Rprobe + R1),
K = 1 / (9 + 1) = 0,1.
Таким чином, якщо на наконечник щупа подати сигнал амплітудою ±5
В, на вхідний роз'єм осцилографа (і, відповідно, на буфер OPA2354) надійде
сигнал амплітудою:
Vin = 5 В * 0,1 = ±0,5 В
Це значення ідеально вписується в робочий діапазон спроєктованого
аналогового тракту, дозволяючи АЦП оцифрувати сигнал без кліппінгу.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 51
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Компенсація паразитних ємностей та АЧХ :
На високих частотах виключно резистивний дільник перестає
працювати коректно через наявність паразитних реактивних компонентів.
Вхід осцилографа має власну ємність (Cscope), яка складається з:
1. Вхідної ємності мікросхеми OPA2354 (близько 2 пФ).
2. Паразитної ємності роз'єму BNC або та мідних доріжок
друкованої плати (3...5 пФ).
3. Власної ємності коаксіального кабелю щупа.
Сумарна вхідна ємність зазвичай становить від 15 до 25 пФ. Вона
утворює з резистором щупа (9 МОм) фільтр низьких частот, який сильно
згладжує фронти швидких імпульсів.
Для вирівнювання амплітудно-частотної характеристики в усій смузі
пропускання, у корпусі осцилографічного щупа паралельно резистору 9 МОм
встановлено підлаштовний конденсатор (Cprobe). Щоб коефіцієнт ділення
залишався рівним 1:10 для будь-якої частоти змінного струму, сталі часу
щупа та осцилографа повинні бути однаковими:
Tprobe = Tscope,
Rprobe х Cprobe = R1 х Cscope.
Виразимо необхідну ємність щупа для ідеальної компенсації:
Cprobe = Cscope х (R1 / Rprobe).
Оскільки відношення опорів дорівнює 1/9, ємність підлаштовного
конденсатора у щупі має бути в 9 разів меншою за загальну паразитну ємність
входу осцилографа
Cprobe = Cscope / 9.
Оскільки паразитна ємність є унікальною для кожного екземпляра
розробленої плати і залежить від топології трасування та параметрів
текстоліту, осцилографічний щуп потребує індивідуального калібрування
перед початком експлуатації.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. 52
Підпис Дата
Процедура калібрування полягає у подачі на вхід щупа еталонного
тестового сигналу прямокутної форми (меандру) з частотою 1 кГц.
Користувач за допомогою неметалевої викрутки регулює гвинт
підлаштовного конденсатора на корпусі щупа, спостерігаючи за формою
сигналу на екрані ПК: – У разі недокомпенсації (ємність замала) фронти
імпульсів заокруглюються, втрачаючи високочастотні складові. – У разі
перекомпенсації (ємність завелика) на фронтах виникають гострі амплітудні
викиди. – Метою налаштування є досягнення ідеально плоских вершин та
прямих кутів прямокутного сигналу, що свідчить про повне узгодження
частотних характеристик щупа та цифрового осцилографа.
Розрахунок активних компонентів аналогового тракту:
Для забезпечення високої точності оцифрування сигналів у смузі
частот до десятків мегагерц, вхідний аналоговий тракт повинен базуватися на
спеціалізованому швидкісному операційному підсилювачі (ОП). До
інтегральної мікросхеми висуваються такі жорсткі технічні вимоги:
Розрахунок першого каскаду (вхідного буфера):
Перший каскад аналогового тракту (U1.1) призначений для ізоляції
входу приладу від динамічного навантаження наступних кіл та забезпечення
надвисокого вхідного опору. Він реалізований за схемою неінвертуючого
повторювача напруги (буфера) зі стовідсотковим від'ємним зворотним
зв'язком. Вихід каскаду з'єднаний безпосередньо з його інвертуючим входом.
Вхідний активний опір каскаду постійному струму (Rin_dc) визначається
номіналом резистора R1, підключеного до землі:
Rin_dc = R1 = 1 МОм.
Оскільки вхідний струм зміщення CMOS-каскадів мікросхеми
OPA2354 становить лише 3 пА, падіння напруги на вхідному резисторі від
протікання цього струму є нехтовно малим:
V = I * R1,
V = 3 х 10-12 * х * 106 = 3 мкВ.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. Арк. 53
№ докум. Підпис Дата
Це значення лежить глибоко за межами чутливості 8-бітного АЦП,
тому воно не створює похибки зміщення нуля.
Коефіцієнт підсилення повторювача (K1) дорівнює:
K1 = 1.
Завдяки стовідсотковому зворотному зв'язку вихідний опір
повторювача прагне до нуля, що дозволяє йому ефективно керувати відносно
низькомним входом другого каскаду.
Розрахунок другого каскаду (інвертуючого суматора):
Другий каскад аналогового тракту (U1.2) виконує математичну
операцію масштабування сигналу та зсуву його рівня по осі напруг [1].
Оскільки аналого-цифровий перетворювач AD9283 має робочий діапазон
вхідних напруг від 0,5 В до 1,5 В (із центром Vcm = 1,0 В), симетричний
вхідний сигнал після буфера (Vbuf = ±0,5 В) необхідно "підняти" у додатну
зону, сумістивши його віртуальний нуль із середньою точкою шкали АЦП.
Каскад реалізовано за схемою інвертуючого суматора. Неінвертуючий
вхід підсилювача жорстко заземлений. Складемо рівняння балансу струмів
для вузла інвертуючого входу за першим законом Кірхгофа:
IR2 + IR4 + IR3 = 0
Виразимо струми через потенціали вузлів, враховуючи, що потенціал
інвертуючого входу дорівнює нулю (віртуальна земля):
Vbuf / R2 + Vbias / R4 + Vout / R3 = 0
Виразимо вихідну напругу каскаду (Vout), яка безпосередньо подається
на АЦП: Vout = - ( Vbuf х (R3 / R2) + Vbias * (R3 / R4) )
Отримане рівняння є базовим для розрахунку номіналів резисторів.
Розрахунок коефіцієнта підсилення за змінним струмом:
Розмах шкали АЦП становить 1 В (від 0,5 В до 1,5 В). Розмах сигналу
після буфера також становить 1 В (від -0,5 В до +0,5 В). Отже, масштабний
коефіцієнт (K2) повинен дорівнювати одиниці: K2 = R3 / R2 = 1
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 54
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Для забезпечення високої швидкодії приймаємо номінал вхідного
резистора R2 = 10 кОм. Тоді резистор зворотного зв'язку R3 дорівнює теж 10
кОм
Розрахунок резистора постійного зміщення (R4): Джерелом опорної
напруги зміщення Vbias виступає стабільна негативна шина живлення від
інвертора:
Vbias = -2,5 В
При нульовій напрузі на вході осцилографа (Vin = 0 В), на виході має
бути сформована напруга середньої шкали АЦП, тобто Vout = +1,0 В.
Підставимо ці умови у базове рівняння:
1,0 = - ( 0 х (10 / 10) + (-2,5) х (10 / R4) ) 1,0 = - ( 0 - 25 / R4 ) 1,0 = 25 /
R4
Звідси знаходимо точне значення опору резистора:
R4: R4 = 25 / 1,0 R4 = 25 000 Ом = 25 кОм
Перевірка граничних значень
Випадок А - максимальний додатний сигнал Vin = +0,5 В :
Vout = - ( 0,5 * (10 / 10) + (-2,5) * (10 / 25) )
Vout = - ( 0,5 - 1,0 ) = +0,5 В
(сигнал досяг нижньої межі АЦП).
Випадок Б (максимальний від'ємний сигнал Vin = -0,5 В):
Vout = - ( -0,5 * (10 / 10) + (-2,5) * (10 / 25) )
Vout = - ( -0,5 - 1,0 ) = +1,5 В
(сигнал досяг верхньої межі АЦП).
Висновки: Розраховані номінали (R2 = 10 кОм, R3 = 10 кОм, R4 = 25
кОм) узгоджують біполярний сигнал із робочим вікном мікросхеми
AD9283.
Для підтвердження здатності аналогового тракту працювати на
високих частотах без спотворення геометрії сигналу проведемо перевірку
розрахованого каскаду за швидкістю наростання вихідної напруги.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 55
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Максимальну частоту смуги пропускання приймемо рівною частоті
Найквіста Fmax = 25 МГц з піковою амплітудою змінного струму Vp = 0,5 В
визначається за формулою:
SRreq = 2 х π х Fmax х Vp,
SRreq = 2 х 3,14159 х 25 х 106 х 0,5 = 78 539 816 В/с = 78,5 В/мкс.
Обраний операційний підсилювач OPA2354 має паспортну швидкість
наростання напруги 150 В/мкс [7]: 150 В/мкс > 78,5 В/мкс. Оскільки
паспортна швидкість майже вдвічі перевищує розрахункову, каскад
працюватиме без динамічних спотворень.
Окремим критичним інженерним аспектом є забезпечення стійкості ОП
при роботі на ємнісне навантаження. Вхідна ємність АЦП AD9283 разом із
паразитною ємністю монтажу утворює навантаження Cload ≈ 10 пФ. Пряме
підключення такої ємності до виходу швидкісного ОП створює додатковий
полюс у функції передачі, що призводить до виникнення високочастотного
"дзвону" або самозбудження.
Для ізоляції виходу ОП від ємності навантаження послідовно між
виходом другого каскаду та входом АЦП встановлюється демпфуючий
резистор R5 номіналом 33 Ом. Цей резистор разом із вхідною ємністю
утворює RC-фільтр низьких частот із частотою зрізу Fcut:
Fcut = 1 / (2 x π x R5 x Cload),
F -12
cut = 1 / (2 x 3,14159 x 33 x 10 x 10 ),
Fcut = 1 / (2,0734 x 10-9) = 482 291 976 Гц = 482,3 МГц.
Частота зрізу цього захисного фільтра (482,3 МГц) лежить далеко за
межами робочої смуги частот приладу (25 МГц), тому він не послаблює
корисний сигнал, але ефективно демпфує високочастотні викиди.
3.3 Висновки
У цьому розділі проведено повний цикл розробки та математичного
обґрунтування електричної принципової схеми портативного цифрового USB-
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. 56
Арк. № докум. Підпис Дата
осцилографа. Перехід від загальної структурної схеми до конкретної
елементної бази підтвердив технічну життєздатність проєкту та дозволив
точно розрахувати параметри всіх критичних вузлів приладу.
Проведений розрахунок енергетичного бюджету системи довів високу
енергоефективність розробленої архітектури. Встановлено, що максимальний
сумарний струм споживання приладу в динамічному режимі становить
близько 115 мА. Це значення має майже п'ятикратний запас відносно
стандартного обмеження порту USB (500 мА), що гарантує стабільну роботу
осцилографа з будь-якими комп'ютерами та ноутбуками без необхідності
використання зовнішніх блоків живлення. Застосування топології роздільного
живлення на базі мікропотужних LDO-стабілізаторів LP5907 та інвертора
напруги на комутованих конденсаторах LM2776 дозволило не лише
забезпечити чутливий аналоговий тракт стабільною симетричною напругою
(±2,5 В) для роботи з біполярними сигналами, але й надійно ізолювати його
від високочастотних цифрових завад мікроконтролера.
Особливу увагу приділено проєктуванню та математичному
моделюванню аналогового вхідного тракту на базі здвоєного операційного
підсилювача OPA2354. Розраховано номінали резистивного дільника, які
забезпечують еталонний вхідний опір приладу на рівні 1 МОм. Це дозволяє
використовувати стандартні промислові осцилографічні щупи (1:10) із
можливістю точної частотної компенсації паразитних ємностей. Визначені в
ході розрахунків номінали резисторів другого каскаду (масштабатора-
суматора) узгоджують амплітуду двополярного вхідного сигналу з
однополярним робочим вікном аналого-цифрового перетворювача AD9283.
Вирішено проблему забезпечення фазової та амплітудної стабільності
тракту на високих частотах. Перевірка динамічних характеристик
операційного підсилювача підтвердила, що його швидкість наростання
вихідної напруги (150 В/мкс) має двократний запас відносно вимог частоти
Найквіста (25 МГц), що повністю виключає ризик виникнення динамічних
спотворень на крутих фронтах імпульсів. Для запобігання високочастотному
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 57
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
самозбудженню підсилювача при роботі на ємнісне навантаження входу АЦП
(10 пФ) обґрунтовано використання демпфуючого резистора номіналом 33
Ом. Цей елемент формує захисний RC-фільтр із частотою зрізу понад 482
МГц, який не обмежує корисну смугу пропускання осцилографа, але
ефективно гасить паразитні резонанси та «дзвін» сигналу.
Забезпечення цілісності цифрових та тактових сигналів реалізовано
шляхом використання високостабільного активного генератора на 50 МГц та
спеціалізованого буфера розгалуження CDCLVC1102. Таке схемотехнічне
рішення нівелює перекіс фаз між тактуванням АЦП та автоматами PIO
мікроконтролера RP2040, гарантуючи еталонну точність вибірки даних.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
58
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
4 ОХОРОНА ПРАЦІ
4.1 Аналіз небезпек і шкідливостей, що впливають на робітника
інженерно-діагностичного відділу
У даній роботі розглядаються умови праці інженера-діагноста, який
виконує роботи з діагностики, налагодження та тестування електронних
модулів і вузлів із застосуванням контрольно-вимірювальних приладів
(мультиметр, лабораторний блок живлення), а також персонального
комп’ютера. Враховуючи, що робота здійснюється переважно за робочим
столом, із тривалою зоровою концентрацією та періодичними маніпуляціями
з приладами, необхідно забезпечити раціональні та безпечні умови праці для
запобігання травматизму і професійним ризикам.
За характером енерговитрат роботу інженера-діагноста можна віднести
до категорії Іа, оскільки вона виконується сидячи та не потребує значного
фізичного напруження.
Приміщення має наступні параметри: довжина – 4,5 м, ширина – 4 м,
висота – 3 м. Площа приміщення становить 18 м², об’єм – 54 м³. Оскільки в
приміщенні працює 2 працівники, на одного припадає 9 м² площі та 27 м³
об’єму. Такі значення є достатніми для організації двох робочих місць з ПК та
вимірювальними приладами (розміщення столів, проходів і доступу до
евакуаційного виходу), що відповідає вимогам ДБН В.2.2-28:2010.
Робоче місце включає: робочий стіл, регульоване крісло, ПК/монітор, а
також вимірювальні прилади й блоки живлення. Для зниження втоми та
ризиків перенапруження зору монітор доцільно розміщувати на відстані не
менше 500 мм, оптимально в межах 600–700 мм.
Раціональне освітлення є критичним для робіт, пов’язаних із
діагностикою та контролем дрібних елементів (маркування, контакти, дрібні
дефекти). Приміщення інженерно-діагностичного відділу характеризується
однобічним боковим природним освітленням. Природне освітлення надходить
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 59
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
через віконні прорізи зовнішньої стіни , що забезпечує достатню кількість
денного світла у світлий час доби. Для забезпечення нормативних умов
зорової роботи нормування природного освітлення виконується за
коефіцієнтом природного освітлення (КПО) відповідно до ДБН В.2.5-28-2018.
Зорова праця працівника при виконанні діагностичних операцій
належить до робіт високої точності (розряд II, підрозряд Г). Нормоване
значення оствітленості є 300лк при мінімальному КПО 1,5%. Для темного
часу доби передбачене штучне освітлення. Приміщення обладнане
світильниками денного світла, розміщеними рівномірно та симетрично
відносно робочих зон, що дозволяє забезпечити освітленість відповідно до
вимог ДБН В.2.5-28-2018; мінімальна освітленість на робочій поверхні
становить 355 лк і підтримується за рахунок раціонально підібраної кількості
та потужності ламп, рівень КПО становить 5%. Отже рівень фактичного
освітлення є достатнім.
На продуктивність і безпеку праці інженера-діагноста істотно впливає
раціональна організація робочого місця, оскільки робота виконується
переважно сидячи та пов’язана з тривалим зоровим навантаженням і точними
маніпуляціями з вимірювальними приладами та ПК. Робоча зона формується
робочим столом, регульованим кріслом, а також місцем для розміщення
контрольно-вимірювального обладнання й технічної документації.
Робочі столи мають висоту 740 мм та довжину 1200 мм, що забезпечує
достатню площу для розміщення монітора, клавіатури, вимірювальних
приладів і допоміжних матеріалів без необхідності постійно нахиляти корпус
або тягнутися до обладнання.
Крісло працівника регульоване по висоті для підбору правильної
посадки. Висота сидіння 420–540 мм. Для зменшення навантаження на хребет
кут відхилення спинки до поверхні сидіння становить 100–115°, щоб
працівник міг підтримувати комфортну позу при тривалій роботі. Габарити
крісла: ширина сидіння 460 мм, глибина 410 мм, ширина підлокітників 55 мм,
довжина підлокітників не менше 220 мм, висота підлокітників над сидінням
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 60
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
210–260 мм. Матеріал оббивки гігієнічний, повітропроникний та зручний для
щоденного використання.
Конструкція робочого місця повинна забезпечує оптимальну робочу
позу: ступні ніг розташовані на підлозі, стегна — у горизонтальному
положенні, передпліччя — максимально наближені до горизонталі, що знижує
втому м’язів і ризик перенапруження під час роботи з клавіатурою, мишею та
щупами вимірювальних приладів.
Під час роботи з комп’ютером монітор необхідно встановлювати на
ергономічній відстані від очей до екрана 650–720 мм, але не менше 500 мм.
Екран бажано розміщувати прямо перед працівником; площина екрана має
бути орієнтована перпендикулярно до лінії погляду, а центр зображення —
приблизно на 15–20° нижче рівня очей, щоб зменшити напруження м’язів шиї
та зорову втому.
Важливим елементом безпечної організації робочого місця є
упорядкування кабелів живлення та сигнальних проводів, оскільки хаотичне
розміщення проводів підвищує ризик пошкодження ізоляції, спотикання та
випадкового висмикування роз’ємів під час роботи. У приміщенні
використовуються кабель-канали/стяжки для фіксації проводів уздовж задньої
кромки столу й стіни, а подовжувач (мережевий фільтр) розміщений так, щоб
він був захищений від механічного навантаження і не знаходиться в зоні
можливого зачеплення ногами.
Оскільки в подібних приміщеннях застосовується прихована
електропроводка (трижильний мідний кабель), таке виконання зменшує
ризики поширення пожежі у випадку короткого замикання та ймовірність
ураження працівника електричним струмом.
Таким чином, організація робочого місця працівників відділу відповідає
вимогам ДСТУ 8604:2015.
Шум належить до найбільш поширених шкідливих факторів
виробничого середовища, оскільки його тривала дія спричиняє втому, знижує
концентрацію уваги та підвищує імовірність помилок під час виконання робіт,
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. 61
Арк. № докум. Підпис Дата
що особливо критично для діагностичних операцій. Основними джерелами
шуму в робочому приміщенні є системний блок персонального комп’ютера та
периферійна техніка (принтер/офісне обладнання), а також вентилятори
охолодження окремих електронних приладів.
Нормування рівнів шуму на робочих місцях здійснюється відповідно до
санітарних норм ДСН 3.3.6.037-99, які встановлюють вимоги до допустимих
рівнів та порядку оцінювання шумового навантаження. У зразках для робочих
місць такого типу як нормативний орієнтир застосовується еквівалентний
рівень шуму 50 дБА. Фактичний рівень шуму становить 44–47 дБА, тобто не
перевищує нормативного значення та відповідає вимогам ДСН 3.3.6.037-99.
З метою підтримання нормативного рівня шуму доцільно передбачити:
своєчасне очищення та обслуговування вентиляторів у системних блоках і
приладах, використання справної техніки без підвищених вібрацій,
розміщення шумніших пристроїв (наприклад, принтера) поза безпосередньою
робочою зоною, а також підтримання порядку в кабельному господарстві для
запобігання резонансам і додатковим вібраціям.
Одними з основних факторів виробничого середовища, що впливають на
самопочуття та працездатність працівника, є параметри мікроклімату робочої
зони. Мікроклімат визначається поєднанням температури повітря, відносної
вологості та швидкості руху повітря і нормується з урахуванням категорії
важкості виконуваної роботи та періоду року.
Відповідно до ДСН 3.3.6.042-99 для робіт категорії Іа (робота сидячи,
без значного фізичного напруження) встановлюються оптимальні значення
параметрів мікроклімату, які наведені в таблиці 4.1:
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. 62
Арк. № докум. Підпис Дата
Таблиця 4.1 – Нормативні значення основних параметрів мікроклімату
Відносна
Період Швидкість руху
Температура повітря, °C вологість,
року повітря, м/с
%
Допустиме значення 21-25 Оптмальне ≤ 0,1
Холодний 40–60
Оптмальне значення 22-24 Допустиме 0,1
Допустиме значення 22-28 Оптмальне ≤ 0,1
Теплий 40–60
Оптмальне значення 23-25 Допустиме 0,1-0,2
Параметри мікроклімату в приміщенні інженерно-діагностичного
відділу наведені в таблиці 4.2:
Таблиця 4.2 – Фактичні значення факторів мікроклімату
Показник Теплий період Холодний період
Температура повітря,
24 - 30 22 - 24
°C
Відносна вологість, % 50 - 55 45 - 55
Швидкість руху
0,05 - 0,08 0,05 - 0,06
повітря, м/с
Наведені в таблиці 6.2 значення виходять за межі оптимальних
параметрів для робіт категорії Іа, але відповідають вимогам ДСН 3.3.6.042-99.
Електромагнітні поля та випромінювання є одним із факторів
виробничого середовища, що підлягає контролю під час роботи з електронним
обладнанням і комп’ютерною технікою. Основними джерелами
електромагнітного випромінювання на робочому місці інженера-діагноста є
монітор і системний блок персонального комп’ютера, а також окремі блоки
живлення та вимірювальні прилади. Величина напруженості
електромагнітного вимінювання на робочому місці повністю відповідають
вимогам ДСН 3.3.6.096-2002.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 63
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Приміщення за ступенем небезпеки ураження електричним струмом
належить до приміщень без підвищеної небезпеки, оскільки в ньому відсутні
чинники підвищеної та особливої небезпеки (струмопровідна підлога,
струмопровідний пил, підвищена вологість, хімічно агресивне середовище, що
руйнує ізоляцію тощо).
У приміщенні інженерно-діагностичного відділу застосовується
електропроводка прихованого типу, виконана мідним трижильним кабелем.
Таке виконання зменшує імовірність механічного пошкодження ізоляції,
обмежує ризик виникнення та поширення пожежі у разі короткого замикання,
а також знижує небезпеку ураження працівника електричним струмом.
Персональний комп’ютер та допоміжне обладнання є однофазними
споживачами електроенергії, що живляться від мережі змінного струму з
глухозаземленою нейтраллю напругою 220 В і частотою 50 Гц; сумарна
потужність підключеного обладнання не перевищує 3000 Вт.
Оскільки системний блок комп’ютера та частина приладів мають
металеві корпуси, у приміщенні передбачено систему захисного занулення, що
забезпечує захист людини від ураження електричним струмом у разі
пошкодження ізоляції або появи напруги на корпусі, відповідно до вимог
ДСТУ Б В.2.5-82-2016.
Інструктаж з електробезпеки для працівників лабораторії формується з
урахуванням чинних нормативних документів, зокрема ДНАОП 0.00-1.32-01
(вимоги до електроустановок/електрообладнання спеціальних установок),
ДСТУ Б В.2.5-82:2016 (захисні заходи від ураження електричним струмом у
будівлях і спорудах) та ПУЕ, які встановлюють загальні принципи
улаштування та безпечної експлуатації електроустановок.
Пожежна безпека на підприємстві організована відповідно до вимог
Правил пожежної безпеки в Україні та інших чинних нормативно-правових
документів. Приміщення інженерно-діагностичного відділу за
вибухопожежною небезпекою класифікується як категорія В згідно з ДСТУ Б
В.1.1-36:2016.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 64
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Підприємство забезпечене первинними засобами пожежогасіння:
вогнегасниками, які відповідають вимогам правил експлуатації та типових
норм належності, а також комплектом пожежного інвентарю. На території
встановлені пожежні щити, укомплектовані відповідно до призначення:
вогнегасники – 3 шт., ящик із піском – 1 шт., покривало – 1 шт., гаки – 3 шт.,
лопати – 2 шт., сокири – 2 шт., ломи – 2 шт.
Приміщення відділу додатково обладнане системою автоматичної
пожежної сигналізації, виконаною відповідно до вимог ДБН В-2.5-56-2014 та
ДСТУ EN 54-1(12)-2004. Для оперативного реагування на загоряння в
приміщенні розміщено два вуглекислотні вогнегасники ВВК-5, призначені для
гасіння легкозаймистих і горючих рідин, а також електрообладнання під
напругою до 1000 В, що відповідає правилам експлуатації та типовим нормам
належності вогнегасників.
Перед допуском працівників до виконання робіт на підприємстві
організовують вступний і первинний інструктажі з питань охорони праці
відповідно до вимог Типового положення про порядок проведення навчання і
перевірки знань з питань охорони праці (НПАОП 0.00-4.12-05). Допуск до
самостійної роботи здійснюється лише після перевірки засвоєння вимог
вступного та первинного інструктажів за затвердженим переліком
контрольних запитань.
Вступний інструктаж проводять для всіх працівників, яких приймають
на роботу (постійну або тимчасову), незалежно від освіти, стажу та посади.
Первинний інструктаж здійснюють безпосередньо на робочому місці до
початку виконання виробничих завдань; факт його проведення фіксують у
відповідному журналі встановленої форми. Надалі проводять повторний
інструктаж: для робіт з підвищеною небезпекою — не рідше одного разу на
квартал, для інших видів робіт — не рідше одного разу на півріччя.
Працівники інженерно-діагностичного відділу підлягають обов’язковим
медичним оглядам відповідно до вимог ст. 169 і ст. 191 КЗпП та ст. 17 Закону
України «Про охорону праці». Їх організація та проведення здійснюються у
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 65
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
порядку, визначеному наказом МОЗ України № 246, який регламентує
процедуру попередніх і періодичних оглядів працівників певних категорій.
Метою медичних оглядів є оцінка стану здоров’я працівника та
визначення його професійної придатності до виконання відповідних робіт, а
також профілактика професійних захворювань і попередження негативного
впливу умов праці на організм. Попередній медичний огляд проводиться до
прийняття на роботу, а надалі працівники проходять періодичні огляди
протягом трудової діяльності у строки, встановлені нормативним порядком.
Для осіб віком до 21 року передбачено щорічне обов’язкове проходження
медичного огляду, що прямо визначено трудовим законодавством, для осіб
старще 21 року періодичність зазначено в Наказі №246 (не менше одного разу
на два роки).
Витрати на проведення обов’язкових медичних оглядів забезпечуються
роботодавцем, а на період проходження огляду за працівником зберігаються
місце роботи (посада) і середній заробіток. У разі необхідності, зокрема за
заявою працівника або з ініціативи роботодавця, може організовуватися
позачерговий медичний огляд.
Праця працівників відділу за умов 8-годинної робочої зміни відноситься
до І категорії, оскільки виконується переважно сидячи, а інтенсивність
навантаження може змінюватися залежно від обсягу поточних завдань.
Крім зазначених перерв, доцільно також передбачати короткі паузи для
зниження зорового та статичного м’язового напруження (зміна пози,
нетривала розминка, переведення погляду на віддалені об’єкти), а також
чергувати роботу за комп’ютером з операціями, що не потребують постійної
фіксації погляду на екрані.
Отже, за результатами детального аналізу приміщення та робочої зони
встановлено, що більшість факторів виробничого середовища відповідає
нормативним вимогам, однак окремі показники мікроклімату потребують
удосконалення. У зв’язку з цим доцільно встановити у діагностичному відділі
систему кондиціонування повітря.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 66
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
4.2 Розрахунок системи кондиціювання діагностичного відділу
Кондиціювання повітря є складовою інженерного забезпечення
приміщень, призначеною для підтримання параметрів мікроклімату на рівні,
який відповідає санітарно-гігієнічним вимогам та забезпечує належний
тепловий комфорт працівників. На відміну від загально обмінної вентиляції,
система кондиціювання не тільки організовує переміщення повітря, а й дає
змогу регулювати його температуру, вологість, ступінь очищення та
швидкість подачі у робочу зону. Для лабораторії, у якій експлуатуються
персональні комп’ютери, блоки живлення та контрольно-вимірювальні
прилади, такий підхід є доцільним, оскільки тепловиділення від обладнання й
постійна присутність працівників формують додаткове теплове навантаження
в теплий період року.
Приміщення характеризується такими параметрами: довжина 4,5 м,
ширина 4,0 м, висота 3,0 м, площа 18 м², об’єм 54 м³; у приміщенні постійно
працюють дві особи. Робочі місця обладнані двома персональними
комп’ютерами, моніторами, лабораторним блоком живлення та
вимірювальними приладами. Для робіт категорії Іа оптимальні параметри
мікроклімату становлять у холодний період 22–24 °C, у теплий період 23–25
°C, відносна вологість 40–60 %, а швидкість руху повітря у робочій зоні не
повинна перевищувати 0,1 м/с. Відповідно, під час вибору засобів
кондиціювання необхідно орієнтуватися саме на підтримання цих значень
упродовж зміни.
Загальні відомості та вибір типу кондиціонера:
За конструктивним виконанням кондиціонери поділяють на
моноблочні та спліт-системи. Моноблочні рішення (віконні та мобільні
кондиціонери) конструктивно прості, але характеризуються підвищеним
шумом у приміщенні, меншим комфортом користування та обмеженими
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. Арк. 67
№ докум. Підпис Дата
можливостями щодо рівномірного розподілу охолодженого повітря. Для
лабораторного приміщення з постійною присутністю персоналу та потребою
у зниженні фонового шуму такі рішення не є оптимальними. Значно
доцільніше застосовувати спліт-систему, у якій компресорно-конденсаторний
агрегат винесений назовні, а у приміщенні залишається лише внутрішній блок
з випарником та вентилятором.
Серед різновидів спліт-систем для приміщення невеликої площі
найраціональнішим є настінний тип внутрішнього блока. Це пояснюється
компактністю обладнання, відсутністю потреби у підвісній стелі або складній
мережі повітроводів, порівняно простою схемою монтажу та можливістю
точно регулювати температуру в одній конкретній кімнаті. Касетні та канальні
системи мають сенс переважно для більших або багатозональних просторів,
де потрібне розгалуження подачі повітря. Підлогово-стельові моделі також
залишаються технічно можливими, однак для лабораторії площею 18 м² їх
застосування не дає відчутних переваг порівняно з настінною інверторною
спліт-системою.
Отже, для досліджуваної лабораторії доцільно прийняти настінну
інверторну спліт-систему. Інверторний принцип керування компресором дає
змогу плавно змінювати продуктивність залежно від поточного теплового
навантаження, що забезпечує точніше підтримання температури, нижчий
рівень шуму та менше електроспоживання у порівнянні з on/off-моделями.
Додатковою перевагою є відсутність різких циклів «увімкнення-вимкнення»,
які погіршують комфорт і збільшують зношення обладнання.
Для визначення необхідної холодопродуктивності системи вихідні
дані, наведені у таблиці 4.3:
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. 68
Арк. № докум. Підпис Дата
Таблиця 4.3 – Параметри приміщення
Параметр Значення
Довжина приміщення 4,5 м
Ширина приміщення 4,0 м
Висота приміщення 3,0 м
Площа приміщення S 18 м²
Об’єм приміщення V 54 м³
Кількість працівників 2 особи
Кількість персональних 2 шт.
комп’ютерів
Додаткове обладнання лабораторний блок живлення,
вимірювальні прилади
Характер виконуваної роботи категорія Іа, робота сидячи
Для приміщення з зовнішньою стіною й однобічним природним
освітленням питоме теплове навантаження становить q = 35 Вт/м³ як помірне
значення для теплого періоду, що враховує теплоприпливи через огородження
та сонячну енергію.
Крім того, у розрахунок окремо включаються тепловиділення від
людей і обладнання. Для працівників, які виконують легку сидячу роботу,
приймається тепловиділення 0,13 кВт на одну особу. Для двох персональних
комп’ютерів із моніторами становить 0,18 кВт на одне робоче місце. Сумарне
тепловиділення від лабораторного блока живлення та вимірювальних приладів
становить 0,25 кВт. Тепловиділення від штучного освітлення 0,12 кВт.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. 69
Арк. № докум. Підпис Дата
Розрахунок необхідної холодопродуктивності:
Сумарне холодове навантаження визначається як сума теплоприпливів
від приміщення, людей, техніки та освітлення:
Qзаг = Qприм + Qлюд + Qобл + Qосв.
1. Теплоприпливи від огороджень та об’єму приміщення:
Qприм = V · q / 1000,
Qприм = 54 · 35 / 1000 = 1,89 кВт.
Отримане значення 1,89 кВт охоплює базові теплоприпливи через
зовнішні огородження, вплив сонячного випромінювання через вікно та
частину внутрішніх теплонадлишків, які змінюються впродовж дня.
2. Тепловиділення від персоналу:
Qлюд = n · qлюд,
Qлюд = 2 · 0,13 = 0,26 кВт.
Незважаючи на те, що частка тепла від людей є нижчою, ніж від
зовнішніх теплоприпливів чи комп’ютерної техніки, у невеликому приміщенні
з постійною присутністю персоналу її необхідно враховувати, оскільки вона
напряму впливає на динаміку підвищення температури впродовж робочої
зміни.
3. Тепловиділення від обладнання:
Qобл = QПК + Qвим,
Qобл = 2 · 0,18 + 0,25 = 0,61 кВт.
Комп’ютерне та вимірювальне обладнання під час роботи практично
повністю перетворює спожиту електроенергію на тепло, яке залишається в
межах приміщення. Саме тому навіть для невеликої лабораторії
теплоприпливи від техніки становлять суттєву складову загального
навантаження.
4. Тепловиділення від штучного освітлення:
Qосв = 0,12 кВт
Підсумкове холодове навантаження становить:
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 70
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Qзаг = 1,89 + 0,26 + 0,61 + 0,12 = 2,88 кВт.
Для реального добору обладнання доцільно враховувати запас на
нерівномірність теплових надходжень, пікові режими роботи техніки,
можливе відкривання дверей та додаткові сонячні теплоприпливи влітку.
Зазвичай для таких систем приймають резерв 10–15 %. У даній роботі
приймаємо коефіцієнт запасу 1,15.
Qрозр = 2,88 · 1,15 = 3,31 кВт.
Таким чином, розрахункова холодопродуктивність системи
кондиціювання для лабораторії становить приблизно 3,3 кВт. Під час вибору
серійної моделі доцільно орієнтуватися на найближче більше стандартне
значення холодопродуктивності, щоб система не працювала на межі
можливостей у пікові години. Стандартний ряд побутових інверторних спліт-
систем, як правило, включає моделі 2,0; 2,5–2,6; 3,5; 5,0 кВт тощо. Тому
обґрунтованим є вибір кондиціонера класу 3,5 кВт (12 000 BTU/h).
Вибір моделі кондиціонера:
Для досліджуваної лабораторії пропонується настінна інверторна
спліт-система Bosch Climate CL3000i 35 E (7733701736) (Рисунок 4.1).
Відповідно до технічних характеристик, зазначена модель розрахована на
приміщення площею до 35 м², має потужність охолодження 3,5 кВт,
потужність обігріву 3,8 кВт, використовує холодоагент R-32, має клас
енергоефективності A++ та підтримує режими охолодження, обігріву,
осушення і автоматичного керування. Витрата повітря внутрішнього блока
становить 530/400/350 м³/год залежно від режиму, а рівень шуму внутрішнього
блока — 21–37 дБ. Це дозволяє розглядати модель як таку, що відповідає
умовам невеликого лабораторного приміщення.
Вибір саме настінної інверторної спліт-системи пояснюється такими
факторами. По-перше, її номінальна холодопродуктивність 3,5 кВт перевищує
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
71
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
розрахункове навантаження 3,31 кВт, тобто забезпечує необхідний
технологічний резерв без суттєвого перевищення потужності. По-друге,
інверторний компресор дає змогу стабільно підтримувати температуру без
частих зупинок і запусків, що важливо для лабораторії, де температурні
коливання небажані. По-третє, відносно низький рівень шуму внутрішнього
блока є важливим з огляду на вже наявне шумове навантаження від системних
блоків і периферійної техніки.
Основні технічні характеристики рекомендованої моделі наведено в
таблиці 4.4
Таблиця 4.4 – Основні технічні характеристики CL3000i 35 E
Показник Значення
Модель Bosch Climate CL3000i 35 E
(7733701736)
Тип системи інверторна настінна спліт-система
Рекомендована площа приміщення до 35 м²
Потужність охолодження 3,5 кВт
Потужність обігріву 3,8 кВт
Холодоагент R-32
Клас енергоефективності A++
Витрата повітря внутрішнього блока 530 / 400 / 350 м³/год
Рівень шуму внутрішнього блока 21–37 дБ
Рівень шуму зовнішнього блока 55 дБ
Діапазон роботи на охолодження від –15 °C до +50 °C
Максимальна довжина магістралі 25 м
Максимальний перепад висот 10 м
Вказані характеристики свідчать, що модель має достатню продуктивність як
за
холодом, так і за повітрообміном внутрішнього блока. Навіть за мінімальним
режимом вентилятора повітряний потік є достатнім для формування
циркуляції в межах приміщення площею 18 м², а у разі швидкого охолодження
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
72
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
система може перейти на вищу швидкість. Водночас завдяки інверторному
керуванню після досягнення заданої температури спліт-система знижує
продуктивність, що позитивно впливає на енергоспоживання та акустичний
комфорт.
Рисунок 4.1- Зовнішній вигляд CL3000i 35 E
Оцінка енергоефективності та режимів роботи:
Клас енергоефективності A++ і сезонні характеристики моделі Bosch Climate
CL3000i 35 E (7733701736) роблять її доцільною не лише з точки зору
забезпечення холоду, а й з позиції експлуатаційних витрат. Для лабораторного
приміщення, яке використовується щоденно в межах стандартної робочої
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
73
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
зміни, важливо, щоб установка працювала не тільки продуктивно, але й без
надлишкового споживання електроенергії. Інверторна схема в цьому випадку
є перевагою, оскільки у реальних умовах спліт-система більшу частину часу
функціонує в режимі часткового навантаження, а не на номіналі.
Окрему практичну цінність мають режими осушення та автоматичного
керування. У теплий період підвищення температури в лабораторії нерідко
супроводжується зростанням вологості, що погіршує суб’єктивне відчуття
комфорту. Режим осушення дозволяє знизити вологість без надмірного
переохолодження повітря. Автоматичний режим, у свою чергу, дає змогу
системі самостійно підтримувати задані параметри, не вимагаючи від
працівника постійного втручання у налаштування. Це є доцільним з огляду на
специфіку роботи інженера-діагноста, коли увага має бути зосереджена на
діагностичних операціях, а не на обслуговуванні кліматичної техніки.
Рекомендації щодо розміщення та експлуатації кондиціонера:
Внутрішній блок настінної спліт-системи доцільно розміщувати на такій стіні,
щоб основний потік охолодженого повітря не був спрямований безпосередньо
на робочі місця. Прямий обдув працівника холодним струменем створює
локальний дискомфорт, хоча загальна температура приміщення може
залишатися нормативною. Практично це означає, що внутрішній блок слід
встановлювати у верхній зоні приміщення, вище рівня робочих місць, із таким
орієнтуванням жалюзі, щоб повітря розподілялося уздовж стелі та поступово
змішувалося з повітрям кімнати.
Зовнішній блок необхідно встановлювати на зовнішній стіні з урахуванням
вимог до вентиляції конденсатора, доступу до сервісного обслуговування та
допустимої довжини фреонової магістралі. Для вибраної моделі максимальна
довжина магістралі становить 25 м, а перепад висот — 10 м, тому за умов
типової лабораторії обмежень щодо монтажу не виникає. Дренаж конденсату
має бути організований так, щоб виключити його потрапляння в зону проходу
людей або на електрообладнання.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 74
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Під час експлуатації системи кондиціювання потрібно передбачити регулярне
технічне обслуговування: очищення фільтрів внутрішнього блока, перевірку
стану теплообмінників, дренажної системи та електричних з’єднань. Для
підтримання стабільної роботи та паспортних характеристик виробники, як
правило, рекомендують проводити сервісне обслуговування не рідше одного
разу на рік. У лабораторному середовищі, де присутні пил, дрібні частинки та
інтенсивна робота електронного обладнання, забруднення фільтрів може
впливати як на продуктивність охолодження, так і на якість повітря в
приміщенні.
4.3 Висновок
У підрозділі виконано розрахунок системи кондиціювання для лабораторії
площею 18 м² та об’ємом 54 м³, у якій працюють дві особи та експлуатуються
два персональні комп’ютери разом із вимірювальним обладнанням. За
результатами розрахунку сумарне холодове навантаження склало 2,88 кВт, а з
урахуванням резерву — 3,31 кВт.
Як технічно доцільний варіант обрана модель Bosch Climate CL3000i 35 E
(7733701736), яка має холодопродуктивність 3,5 кВт, призначена для
приміщень до 35 м² і оснащена інверторним компресором, режимами
охолодження, обігріву, осушення та автоматичного керування. Вибір цієї
моделі забезпечує достатній резерв продуктивності, прийнятний рівень шуму
та енергоефективність, що відповідає умовам роботи лабораторії. Таким
чином, встановлення настінної інверторної спліт-системи є технічно
обґрунтованим заходом для підтримання нормативного мікроклімату та
підвищення комфорту праці інженера-діагноста у теплий період року.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
Змн. 75
Арк. № докум. Підпис Дата
ВИСНОВКИ
У процесі проектування був створений повнофункціональний
портативний цифровий USB-осцилограф із характеристиками, що
відповідають сучасним вимогам: частота дискретизації 50 МГц (50 MSa/s),
роздільна здатність 8 біт, вхідний опір 1 МОм, підтримка вимірювальних
щупів із дільником 1:10. Такий рівень технічних показників дозволяє
забезпечити точний аналіз та надійну візуалізацію як аналогових сигналів,
так і високошвидкісних цифрових шин у реальному часі.
Аналоговий вхідний тракт, побудований на базі високошвидкісного
операційного підсилювача OPA2354, гарантує необхідну буферизацію та
масштабування корисного сигналу, мінімізуючи спотворення форми напруги
та ізолюючи досліджувану схему. При цьому зовнішній спеціалізований
аналого-цифровий перетворювач AD9283 забезпечує точне й безперервне
оцифрування сигналу із суворою прив'язкою до прецизійного тактового
генератора на 50 МГц, що виключає виникнення фазового джитеру.
Цифрова підсистема обробки побудована на базі сучасної архітектури
мікроконтролера RP2040. Ця комбінація дозволила реалізувати повністю
апаратне захоплення паралельної шини АЦП за допомогою автоматів
програмованого вводу-виводу (PIO) та контролера прямого доступу до
пам'яті (DMA). Таке рішення повністю розвантажило центральний процесор,
а програмний розгін обчислювальних ядер до 200 МГц забезпечив високу
швидкість пошуку програмного тригера та стабільну передачу блоків даних
через інтерфейс USB.
Клієнтське програмне забезпечення для ПК на основі фреймворку
PySide інтегрувало в собі функції десеріалізації пакетів, цифрової фільтрації
та спектрального аналізу за допомогою швидкого перетворення Фур'є
(ШПФ). Завдяки використанню апаратно-прискореної бібліотеки PyQtGraph,
інтерфейс залишається інтуїтивно зрозумілим, а користувач отримує
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 76
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
оперативний доступ до відмальовування осцилограм без затримок та
"зависань" операційної системи.
Система живлення, реалізована на базі мікропотужних LDO-
стабілізаторів LP5907 та інвертора напруги на комутованих конденсаторах
LM2776, дозволяє живити прилад виключно від стандартного порту USB (5
В). Роздільне живлення аналогової та цифрової частин, а також формування
повноцінної двополярної напруги для вхідного операційного підсилювача,
роблять пристрій стійким до завад і мінімізують рівень власних шумів.
Окрім проектування структурної та принципової електричної схем,
були проведені математичні розрахунки аналогового тракту, стійкості
підсилювача та енергоспоживання. При виборі компонентів надавався
пріоритет поширеним і відносно недорогим сучасним мікросхемам, що
дозволяє суттєво знизити собівартість виробу у порівнянні з комерційними
аналогами на базі ПЛІС.
У рамках розділу з охорони праці було проаналізовано небезпечні та
шкідливі фактори на робочому місці інженера-діагноста радіоелектронної
апаратури. Проведено теплотехнічний розрахунок і обґрунтовано вибір
системи кондиціювання повітря для лабораторії (настінна інверторна спліт-
система потужністю 3,5 кВт), що гарантує підтримання нормативного
мікроклімату та безпечних умов праці персоналу.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
77
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
СПИСОК ВИКОРИСТАННОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Бойко В. І., Жуйков В. Я., Зорі А. А., Співак В. М. Схемотехніка
електронних систем. Книга 1. Аналогова схемотехніка: підручник. Київ:
Вища школа, 2004. 366 с
2. Поліщук Є. С., Дорожовець М. М., Яцук В. О. та ін. Метрологія та
вимірювальна техніка: підручник. Львів: Видавництво Львівської
політехніки, 2012. 544 с.
3. Методичні рекомендації до виконання кваліфікаційної роботи для
здобувачів освітнього ступеня «бакалавр» спеціальності 172 «Електронні
комунікації та радіотехніка» усіх форм здобуття вищої освіти [Електронний
ресурс] / Уклад.: А.В. Гончаров, А.М. Чорній, О.С. Гавриш; М-во освіти і
науки України, Черкас. держ. технол. ун-т. –Черкаси: ЧДТУ, 2025. – 61 с.
4. RP2040 Datasheet: A microcontroller by Raspberry Pi. Raspberry Pi
Ltd, 2023.
5. Raspberry Pi Pico Datasheet: An RP2040-based microcontroller board.
Raspberry Pi Ltd, 2023.
6. AD9283: 8-Bit, 50 MSPS/80 MSPS/100 MSPS, 3 V A/D Converter
Datasheet. Analog Devices, Inc., 2002.
7. OPAx354 250-MHz, Rail-to-Rail I/O, CMOS Operational Amplifiers
Datasheet. Texas Instruments, 2013.
8. LM2776 Switched Capacitor Inverter Datasheet. Texas Instruments,
2015.
9. LP5907 250-mA, Ultra-Low-Noise, Low-IQ LDO Datasheet. Texas
Instruments, 2018.
10. CDCLVC11xx 3.3-V and 2.5-V LVCMOS High-Performance Clock
Buffer Datasheet. Texas Instruments, 2016
11. ASV Series 3.3V HCMOS Surface Mount Crystal Oscillator. Abracon
LLC, 2018.
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ
78
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
12. MicroPython Documentation: RP2040 specific features. MicroPython
Project, 2024. URL: https://docs.micropython.org/en/latest/rp2/quickref.html
13. Universal Serial Bus Specification Revision 2.0. USB Implementers
Forum, 2000. https://www.usb.org/document-library/usb-20-specification
14. PyQtGraph: Scientific Graphics and GUI Library for Python.
PyQtGraph Contributors, 2024 https://pyqtgraph.readthedocs.io/
15. PySide6 (Qt for Python) Official Documentation. The Qt Company,
2024. https://doc.qt.io/qtforpython-6/
Арк.
РТ-225.026342.248 ПЗ 79
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата