Կրկնակի հետքի օսլիլոսկոպ. 11 քայլ (նկարներով)

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:45

Երբ ես կառուցում էի իմ նախորդ մինի օսլիոսկոպը, ես ուզում էի տեսնել, թե որքան լավ կարող եմ իմ ամենափոքր ARM միկրոկառավարիչը կատարել STM32F030 (F030) կատարմամբ, և դա լավ աշխատանք կատարեց:

Մեկնաբանություններից մեկում առաջարկվում էր, որ STM32F103 (F103) ունեցող «Կապույտ դեղահատ» -ը կարող է լինել ավելի լավը, F030- ի զարգացման տախտակից փոքր և, հնարավոր է, նույնիսկ ավելի էժան: Բայց մինի օսլիոսկոպի համար ես չօգտագործեցի զարգացման տախտակը, այլ F030- ը ՝ նույնիսկ ավելի փոքր SMD-DIP տախտակի վրա, այնպես որ այնտեղ Կապույտ դեղահատը, անշուշտ, փոքր չէր լինի, և ես կասկածում եմ, որ այն նույնպես ավելի էժան կլինի:

Կոդն այժմ հասանելի է Gitlab- ում ՝

gitlab.com/WilkoL/dual-trace-oscilloscope

Պարագաներ

Մասերի ցուցակ.) - պտտվող կոդավորիչ գումարած գլխիկ (2x) - powerwitch - բանանի տերմինալներ (4x) - լիթիում -իոն լիցքավորման տախտակ - մի քանի դիմադրիչներ և կոնդենսատորներ - նեյլոնե բացիչներ, ընկույզներ և պտուտակներ

Գործիքներ:

- soldոդման կայան - erոդման 0.7 մմ - որոշ մետաղալարերի կողային կտրիչ - բաժակներ և փեղկ - փորվածք - բազմիմետր - օսլիլոսկոպ - STLink -V2

Softwareրագրային ապահովում:

- STM32IDE - STM32CubeMX - STLink Utility - LowLayer գրադարան - հարմարեցված գրադարան ST7735- երի համար - Գրառման գրքույկ ++ - Kicad

Քայլ 1: Միջանկյալ կամ համաժամանակյա ռեժիմ

Կապույտ դեղահատ

Բայց գաղափարը կար, և ես գիտեի, որ F103- ն ունի երկու ADC: Իսկ եթե ես այդ երկու ADC- ները միասին օգտագործեի «interleave» ռեժիմում, մի բան, որ նախկինում արել եմ STM32F407 (F407) - ի հետ: Նմուշառման արագությունը կկրկնապատկվի: Դա միացրեք ավելի արագ միկրոկառավարիչի հետ, և դա կլինի մինի օսլիոսկոպի մեծ իրավահաջորդ:

Interleave ռեժիմ Տարօրինակ կերպով F103- ի ADC- ները ավելի քիչ առաջադեմ են, քան F030- ում (և F407), չես կարող ընտրել լուծաչափը: Ավելի կարևորն այն է, որ դուք նույնպես չեք կարող փոխել երկու ADC- ների միջև ընկած ժամանակը: Այժմ, երբ դուք օգտագործում եք միջերեսային ռեժիմը, սովորաբար ցանկանում եք նմուշառումը հնարավորինս արագ ՝ ցանկացած նմուշների միջև ամենակարճ ժամանակով, բայց օսլիլոսկոպով անհրաժեշտ է փոխել ժամանակը: Միգուցե դա դեռ հնարավոր է անել, ես օսլիլոսկոպի պրոֆեսիոնալ դիզայներ չեմ, բայց ես հրաժարվեցի միջերեսային ռեժիմի օգտագործման ծրագրից:

Միաժամանակյա ռեժիմ

Բայց, երկու ADC- ներ ունենալը շատ ավելի շատ տարբերակներ է տալիս, երկու ADC- ները նույնպես կարող են դրվել «կանոնավոր-միաժամանակ» ռեժիմի: Ի՞նչ կասեք երկակի հետք-օսկիլոսկոպի մասին:

Որոշելով փորձել երկակի հետքերով տատանումներ կատարել, ես նաև ցանկանում էի ունենալ մուտքային փոփոխական զգայունություն, տարբերակ, որը ես չունեի մինի օսլիոսկոպի վրա: Դա նշանակում է թուլացում (և ուժեղացուցիչ) մուտքերի վրա: Իսկ գուցե ես ավելին՞ էի ուզում: Այսպիսով, ես կազմեցի «հաճելի մարդկանց» փոքր ցուցակը:

ISԱՆԿԱՆ ԱՆԿ

երկու ալիք

երկու ալիքների փոփոխական զգայունություն

գործարկումը երկու ալիքների վրա

երկու ալիքներում ձգանման փոփոխական մակարդակ

փոփոխական օֆսեթ

մեկ մարտկոցի հզորություն

տեղավորվում է նույն տուփի մեջ, ինչ մինի-օսլիոսկոպը

Քայլ 2: Նախատիպերի ստեղծում

Ինչպես միշտ, այս նախագծերը սկսեցի հացահատիկի վրա: (Տես նկարը) Եվ նախքան ամեն ինչ զոդել տախտակի վրա, ես փորձում եմ պարզել `արդյո՞ք և ինչպես է այն տեղավորվելու ընտրված նախագծի տուփի մեջ: Այն տեղավորվում է, բայց միայն պարզապես: Որոշ մասեր թաքնված են էկրանի տակ, մյուսները ՝ Կապույտ դեղահատի տակ: Եվ կրկին, ինչպես իմ նախագծերի մեծ մասի դեպքում, սա մեկ անգամ միայն նախագիծ է, և ես դրա համար PCB չեմ նախագծի:

Քայլ 3: Թուլացնողներ

Սովորական օսլիլոսկոպներում մուտքային թուլացնողները սխեմաներ են, որոնք փոխում են թուլացումն ու ուժեղացումը `ազդանշանային փոքր ռելեներ ունեցող ռեզիստորների միացումով և դուրս գալով: Չնայած ես ունեմ այդ ռելեներից մի քանիսը, ես գիտեմ, որ դրանք չեն փոխվի 4 Վոլտից պակաս, դա նշանակում է, որ նրանք կաշխատեն միայն լիովին բեռնված լիթիում -իոն մարտկոցով (4.2V): Այսպիսով, ինձ անհրաժեշտ էր այդ դիմադրիչները փոխելու այլ միջոց: Իհարկե, ես պարզապես կարող էի տեղադրել մեխանիկական անջատիչներ, բայց դա, իհարկե, այլևս չէր տեղավորվի նախագծի տուփի մեջ, եթե միգուցե նորից փորձեի ավելի լավ թվային պոտենցիոմետր (այն, ինչ ես ունեմ, շատ աղմկոտ է):

Հետո մտածեցի «անալոգային անջատիչների» մասին, որոնցով ինքս կարող եմ թվային պոտենցիոմետր սարքել: Իմ մասերի հավաքածուում ես գտա CD4066- ը `չորս անալոգային անջատիչներով: Գաղափարը կայանում է նրանում, որ opamp փոփոխականի հետադարձ ռեզիստորը վերածվի հետադարձ ռեզիստորին զուգահեռ միացնող և դուրս գրվող դիմադրիչների միջոցով:

Այն շատ լավ է աշխատում, բայց 4066 -ում ունենալով ընդամենը 4 անջատիչ և ունենալով 2 ալիք, հնարավոր չէր դարձնել ավելի քան երեք զգայունության մակարդակ: Ես ընտրեցի 500mV, 1V և 2V յուրաքանչյուր բաժանման համար, քանի որ դրանք լարման մակարդակներն են, որոնք ես ամենից շատ օգտագործում եմ: Էկրանը բաժանված է 6 բաժնի, այնպես որ միջակայքերը կազմում են -1.5V- ից +1.5V, -3V- ից +3V և -6V- ից մինչև 6V:

«Վիրտուալ գետնի» միջոցով կարող եք այս միջակայքերը վեր ու վար տեղափոխել, որպեսզի նույնիսկ 0v- ից +12V հնարավոր լինի:

Քայլ 4: Վիրտուալ հիմք

Քանի որ oscilloscope- ն օգտագործում է մեկ հոսանքի ռելս (3.3V), opamps- ին անհրաժեշտ է վիրտուալ գրունտային մակարդակ, հակառակ դեպքում դրանք չեն աշխատի: Այս վիրտուալ ստորգետնյա մակարդակը կատարվում է PWM- ով TIM4- ի մեկ ելքային ալիքով, որի աշխատանքային ցիկլը ընդամենը մի քանի տոկոսից փոխվում է գրեթե հարյուր տոկոսի: Kածր անցուղի ֆիլտրը ՝ 1k դիմադրիչով և 10uF կոնդենսատորով, այն փոխակերպում է (գրեթե) 0V- ից մինչև (գրեթե) 3.3V լարման: Քառակուսի ալիքի հաճախականությունը 100 կՀց -ից ցածր է, այնպես որ պարզ ցածր անցման զտիչը բավականաչափ լավն է:

Ավելի շուտ այս տատանումների շենքում ես հասկացա, որ դուք չեք կարող ունենալ երկու առանձին փոխհատուցում ալիքների համար: Դա պայմանավորված է այն հանգամանքով, որ մեկ էլեկտրամատակարարման դեպքում մուտքային-հողային մակարդակը պետք է լինի անջատված բեռնաթափման սարքերի իրական հողային մակարդակից: Այսպիսով, երկու ալիքները շարժվում են նույն կերպ, ինչպես փոխում եք GND- ի կարգավորումը:

Քայլ 5. Պտտվող կոդավորիչներ և կարգաբերում

Մինի օսլիոսկոպի վրա ես օգտագործել եմ միայն մեկ պտտվող կոդավորիչ բոլոր գործառույթների համար: Դա կդարձնի երկակի օսլիլոսկոպի օգտագործումը շատ դժվար, այնպես որ այստեղ ինձ պետք է երկուսը: Մեկ կոդավորիչ `թուլացնողների և վիրտուալ գրունտի մակարդակի համար, իսկ մյուսը` ժամանակային բազայի և միացման համար: Sadավոք, ինչպես և իմ մյուս նախագծում, այս պտտվող կոդավորողները շատ «աղմկոտ» են: Նրանք այնքան վատն են, որ պարզապես չեն աշխատի ժամանակաչափերի հետ «կոդավորող ռեժիմում» ՝ դրանք կարդալու ստանդարտ եղանակով: Ստիպված էի TIM2 ժմչփով ապամոնտաժման մեխանիզմ կազմել ՝ յուրաքանչյուր 100us- ը ստուգելով կոդավորիչները: Այս ժմչփն իր հերթին գործարկվում է (միայն), երբ ծածկագրիչների վրա որոշակի գործունեություն է ծավալվում, դա ստուգվում է մուտքային նավահանգիստներում EXTI ֆունկցիոնալությամբ: Այժմ կոդավորողները լավ են աշխատում:

Եվ ինչպես տեսնում եք, ցուցադրում ունենալը կարող է նաև շատ հարմար լինել վրիպազերծման տեղեկատվությունը ցուցադրելու համար:

Քայլ 6: Displayուցադրել և ժամանակային բազա

Էկրանը ունի 160 x 128 պիքսել թույլատրելիություն, այնպես որ մեկ էկրանին անհրաժեշտ է 160 նմուշ, ինձ հաջողվեց արագացնել ADC- ները ՝ վայրկյանում կատարելով 1,6 միլիոն նմուշ, և դա, գերբեռնված միկրոկոնտրոլերի օգնությամբ (դրա մասին ավելի ուշ), տալիս է նվազագույն ժամային բազա `20us յուրաքանչյուր բաժանման համար (100us մեկ էկրանին): Այսպիսով, 10kHz ալիքի ձևը կլրացնի ամբողջ էկրանը:

Դա ընդամենը երկու անգամ ավելի արագ է, քան իմ պատրաստած մինի օսլիոսկոպը: Դե, հիմա դա երկու ալիքով է:-):

Ինչպես ասվեց, էկրանն ունի 160 պիքսել լայնություն, այնպես որ մեկ էկրանին անհրաժեշտ է ընդամենը 160 արժեք: Բայց բոլոր բուֆերներն իրականում պարունակում են 320 նմուշ: Այսպիսով, DMA- ն պահում է 320 արժեք ՝ նախքան փոխանցման ամբողջական ընդհատումը (TC) գործարկելը: Դա պայմանավորված է նրանով, որ գործարկումը կատարվում է ծրագրային ապահովման մեջ: Նմուշառումը սկսվում է պատահական պահի, ուստի շատ քիչ հավանական է, որ բուֆերում առաջին արժեքը այն տեղն է, որտեղ պետք է լինի ձգանման կետը:

Հետևաբար, ձգանման կետը հայտնաբերվում է ՝ ընթերցելով trace_x_buffer- ը, եթե արժեքը գտնվում է ցանկալի ձգանման արժեքի մեջ en, եթե նախորդ արժեքը գտնվում է դրանից անմիջապես ներքև, trigerpoint- ը գտնված է: Սա բավականին լավ է աշխատում, բայց ձեզ հարկավոր է ավելի մեծ բուֆեր, քան իրական ցուցադրման չափն է:

Սա նաև այն պատճառն է, որ ավելի ցածր ժամանակային բազայի պարամետրերի թարմացման արագությունն ավելի դանդաղ է, քան կարելի էր սպասել: 200ms/div պարամետրն օգտագործելիս մեկ էկրանով լի տվյալները 1 վայրկյան են, բայց քանի որ կրկնակի փոխակերպումների քանակը կատարվում է, դա տևում է 2 վայրկյան: Timeամկետային բազայի ավելի արագ պարամետրերում դուք դա այդքան էլ չեք նկատի:

TIM3- ը օգտագործվում է ժամանակային բազայի ստեղծման համար: Այն ակտիվացնում է ADC- ները այն արագությամբ, ինչպես պահանջվում է ընտրված ժամային բազայի կարգավորմամբ: TIM3- ի ժամացույցը 120 ՄՀց է (տես OVERCLOCKING), որի առավելագույն թիվը (ARR) որոշում է, թե ինչպես է այն լցվում կամ ST լեզվով թարմացվում: TRGO- ի միջոցով այս թարմացման իմպուլսները խթանում են ADC- ները: Ամենացածր հաճախականությունը այն արտադրում է 160 Հց, ամենաբարձրը ՝ 1.6 ՄՀց:

Քայլ 7: ADC և DMA

Երկու ADC- ն միաժամանակ փոխակերպում են իրենց մուտքերի լարումը, նրանք պահում են այդ երկու 12 բիթանոց արժեքները մեկ 32 բիթանոց փոփոխականի մեջ: Այսպիսով, DMA- ն ունի միայն մեկ փոփոխական փոխանցման մեկ (կրկնակի) փոխակերպման համար:

Այս արժեքներն օգտագործելու համար անհրաժեշտ է դրանք բաժանել երկու արժեքների, որպեսզի դրանք օգտագործվեն երկու հետքերը ցուցադրելու համար: Ինչպես ասվեց, F103- ի ADC- ները չեն կարող սահմանվել այլ թույլտվությունների, քան 12 բիթ: Նրանք միշտ գտնվում են 12 բիթ ռեժիմում, ուստի փոխակերպումները միշտ վերցնում են ժամացույցի զարկերի նույն քանակը: Այնուամենայնիվ, ADC- ների գերլարման դեպքում կարելի է կատարել վայրկյանում 1,6 ՄՍ օրինակ (տե՛ս Լրացուցիչ. Overclocking):

ADC- ների հղումը Vdd է, 3.3V երկաթուղին: Դա ավելի հարմար արժեքների փոխարկելու համար (ըստ բաժնի) ես հաշվարկել եմ թուլացնողների արժեքները, քանի որ ես չունեմ ճշգրիտ դիմադրողական արժեքներ, որոնք գալիս են այդ հաշվարկներից, որոշ ուղղումներ են կատարվում ծրագրային ապահովման մեջ:

Այս նախագծում ես օգտագործում եմ DMA «կանոնավոր ռեժիմում»: Այս ռեժիմում DMA- ն դադարում է տվյալների փոխանցումը (de ADC- ներից դեպի հիշողություն), երբ բոլոր բառերի թիվը (կամ կես բառերը կամ բայթերը) փոխանցվում են: Մյուս հնարավոր ռեժիմում «շրջանաձև ռեժիմը» DMA- ն ինքնաբերաբար վերակայվում է և շարունակում տվյալների փոխանցումը անխափան: Դա չի աշխատում F103- ի հետ, այն այնքան արագ է, որ այն վերաշարադրում է տվյալները adc_buffer - ում, նախքան ծրագրի մնացած մասը կարդալը: Այսպիսով, այժմ գործընթացը հետևյալն է.

- կարգավորեք DMA- ն փոխանցվող տվյալների քանակին և միացրեք DMA- ն

- սկսել ADC- ների գործարկումը, դրանք կպահանջեն DMA փոխանցումներ յուրաքանչյուր (կրկնակի) փոխարկումից հետո

- փոխակերպումների սահմանված քանակի փոխանցումից հետո DMA- ն դադարում է

- անմիջապես դադարեցնել նաև ADC- ների գործարկումը

- կատարել հիշողության մեջ եղած տվյալների վրա անհրաժեշտ բոլոր մանիպուլյացիաները

- ցուցադրել հետքերը էկրանին

- նորից սկսել գործընթացը

Քայլ 8: Օգտվողի միջերես

160 է 128 պիքսելանոց էկրանը այնքան էլ մեծ չէ, և ես ցանկանում եմ հնարավորինս օգտագործել այն: Այսպիսով, դրա մի մասը վերապահված չէ ընթացիկ կարգավորումների համար: Վերջին մի քանի տողերում ցուցադրվում են ուղղահայաց զգայունությունը, ժամային բազան, ձգանման մակարդակը և ձգանման ալիքը, բայց երբ ազդանշանները բավական մեծ են, դրանք կհայտնվեն նույն տարածքում: Տարբերակ, որը ակտիվ է, ցուցադրվում է դեղին գույնով, մնացածը `սպիտակ:

Քայլ 9. Կառուցում և հնարավոր բարելավումներ

Ես բավականին գոհ եմ այս նախագծից: Այն լավ է աշխատում և կատարում է իր աշխատանքը, բայց կարող է ավելի լավ լինել:

Նախագծի տուփը չափազանց փոքր է ամեն ինչ հարմարավետ տեղավորելու համար, ինչը հանգեցնում է նրան, որ բաղադրիչները պետք է տեղադրվեն Կապույտ դեղահատի տակ: Դա հնարավոր դարձնելու համար կապույտ դեղահատը չէր կարող ուղղակիորեն զոդվել «հիմնական տախտակին»: Եվ քանի որ դա ամեն ինչ չափազանց բարձրացրեց, ես ստիպված էի հեռացնել Կապույտ դեղահատից շատ մասեր, ինչպիսիք են BOOT0 և BOOT1 ընտրելու համար նախատեսված թռիչքները (այն, ինչ ես այդպես էլ չեմ օգտագործում), և ես նույնիսկ ստիպված էի բյուրեղը վերևից ներքև տեղափոխել pcb- ն

Ես ավելի բարդացրեցի կյանքը ՝ բանանի միակցիչներ օգտագործելով BNC կամ SMA միակցիչների փոխարեն, դա նշանակում էր, որ տախտակի մեծ մասը «արգելված տարածք» էր: Դա ինձ համար պարզ դարձնելու համար ես դրա վրա կապտոնային ժապավեն էի դնում ՝ ինքս ինձ կանխելու համար: դրա վրա մասեր դնելուց:

Այս ամենը փոքր նախագծային տուփի մեջ դնելու մեկ այլ խնդիրն այն է, որ անալոգային և թվային սխեմաները շատ մոտ են միմյանց: Դուք կարող եք տեսնել, որ երկու հետքերի վրա տեսանելի է բավականին մեծ աղմուկ: Սա ես նույնիսկ սեղանի վրա չունեի: Անալոգային և թվային սխեմաների էլեկտրահաղորդման գծերը հնարավորինս հեռու տեղափոխելով ՝ մի փոքր բարելավում կատարվեց, բայց ոչ բավարար ՝ իմ սրտով: Անալոգային սխեմաների դիմադրողների բոլոր արժեքների իջեցումը նույնիսկ ինձանից ավելի հեռու (մուտքային դիմադրությունը 1 ՄՕմ -ի փոխարեն 100kOhm է) չօգնեց: Ես կասկածում եմ, որ ժամանակային բազայի ամենաարագ կարգավորումը (20us/div), որը հիանալի չէ, նույնպես կբարելավվի ազդանշանների ավելի քիչ աղմուկով:

Եթե այս դիզայնը պատրաստեք «իրական» PCB- ի վրա, բոլոր smd մասերով և առանձին շերտերով անալոգային, թվային և հզորության համար (դա 4 շերտ է), հավանաբար, այն շատ լավ կաշխատի: Դա շատ ավելի փոքր կլինի, այն չի օգտագործի ամբողջական Կապույտ դեղահատ, այլ պարզապես F103, ինչը հնարավորություն կտա այն ADC- ների համար մատակարարել առանձին (մաքուր) անալոգային Vdda:

Որպես վերջին հպում, ես որոշեցի տուփը սև ցանել, այն փոխում է իր բոլոր բեժ տուփերը:

Քայլ 10. Կոդ և կարճ տեսանյութ

Քայլ 11. ԼՐԱՈՎ. Overclocking

Iիշտ այնպես, ինչպես ես արեցի F03- ի դեպքում, ես ուզում էի տեսնել, թե որքան լավ է F103- ը գերլարվել: Այս միկրոկառավարիչի բնութագրերը պնդում են, որ ժամացույցի առավելագույն արագությունը չպետք է գերազանցի 72 ՄՀց -ը (ինչը, իհարկե, արդեն իսկ ավելի արագ է, քան F030- ը), բայց ես մի քանի բլոգում կարդացել էի, որ այն գերլարելը հեշտ էր, ինչու՞ ոչ:

Կապույտ դեղահատը ապահովված է 8 ՄՀց բյուրեղով, PLL- ն այն բազմապատկում է 9 -ից 72 ՄՀց գործոնով: PLL- ը կարող է ավելացվել մինչև 16 ՝ տալով 128 ՄՀց ժամացույց: Դա իմ Կապույտ դեղահատի համար ընդհանրապես խնդիր չէր, իրականում իմ բոլոր Կապույտ դեղահատերն աշխատում են առանց որևէ խնդիրների 128 ՄՀց հաճախականությամբ:

Բայց հիմա ես ուզում էի պարզել, թե որն է իրական սահմանը: Այսպիսով, ես հանեցի 8 ՄՀց բյուրեղը և այն փոխարինեցի 12 ՄՀց հաճախականությամբ: Կրկին ավելացրեցի PLL բազմապատկիչը, մինչև միկրոկոնտրոլերը վերջապես չհանձնվեց: Դա 168 ՄՀց հաճախականությամբ էր: 156 ՄՀց -ով այն դեռ լավ էր աշխատում: Ես թողեցի, որ այն աշխատում էր այդ արագությամբ ժամերով և երբեք չտեսա, որ այն վթարի ենթարկվի: Այս օսլիլոսկոպում ես հաստատեցի 120 ՄՀց արագությունը, որը կարող է ընտրվել 12 ՄՀց բյուրեղով և 10 -ով ՝ PLL, ինչպես նաև 8 ՄՀց բյուրեղով և PLL- ով ՝ 15 -ով (տե՛ս SystemClock_Config main.c):

ADC- ները այժմ նույնպես ավելի արագ են աշխատում, ես դրանք աշխատում եմ 30 ՄՀց հաճախականությամբ (14 -ի փոխարեն), նրանք դեռ լավ էին աշխատում 60 ՄՀց հաճախականությամբ, STMicroelectronics- ը հիանալի սարքավորում է պատրաստում:

STMicroelectronics- ը լավ պատճառներով այդ սահմանները դնում է տվյալների թերթում, դրանք երաշխավորում են, որ միկրոկոնտրոլերը աշխատում է նշված 72 ՄՀց հաճախականությամբ ՝ բոլոր պայմաններում:

Բայց քանի որ ես չեմ օգտագործում միկրոկառավարիչը -40 elsելսիուս, +85 elsելսիուս ջերմաստիճանում, ընդամենը 2.0 Վոլտ կամ 3.6 Վոլտ հզորությամբ, ես կարծում եմ, որ անվտանգ է այն գերլոկլոկավորելը: ՉԵՆՔ դա անում, երբ մտադիր եք միկրոկառավարիչներով սարք վաճառել, երբեք չգիտեք, թե դրանք որտեղ են օգտագործվելու: