Осциллограф на микроконтроллере своими руками

Осциллограф на микроконтроллере своими руками

Данному самодельному осциллографу далеко до современных моделей, но все-таки он может многое. Вдобавок, он выполнен из доступных и недорогих деталей, имеет неплохие характеристики, удобное управление и минимальные размеры. Скажу сразу, что он рассчитан на звуковую частоту.

Осциллограф micro выполнен на микроконтроллере PIC18F452, а в качестве графического индикатора используется дисплей от мобильного телефона NOKIA 3310. Для того чтобы придать полной портативности осциллографу, он питается от стандартного аккумулятора на 3,7 вольта, через преобразователь на 5 вольт, который выполнен на микросхеме MC34063. Заряжается Осциллограф micro от 5 вольт через гнездо miniUSB. Также он может работать от внешнего питания в 5 вольт (USB).

Основная идея (и схема) была взята с филиппинского форума electronicslab. Прошивку на микроконтроллер PIC18F452 и проект в Proteus любезно предоставил пользователь ZuBor с русского форума vrtp. Данный архив можно скачать ЗДЕСЬ. Консультируясь, дополняя и применяя различные приемы, я получил конечный результат. Кстати, в процессе обсуждения был подмечен интересный факт, что дисплеи от NOKIA 3310 подходят не все, даже те, где есть NOKIA и полумесяц. Для данного осциллографа нужен исключительно оригинальный дисплей.

Печатная плата осциллографа разводилась специально под имеющийся в наличии корпус от температурного монитора TempTale4, который имеет внешние габариты 50х90 мм. Аккумулятор взят от MP3 плеера, занимающий практически всю площадь под крышкой, но имеющий толщину всего 2 мм.

Ниже привожу принципиальную схему Осциллографа micro , в которую уже внесены все дополнения, поправки и изменения. Если рассматривать схему по блочно, то она состоит из основного процессора-микроконтроллера, графического индикатора, операционного усилителя, преобразователя напряжения с 3,7 до 5 вольт, и зарядного устройства аккумулятора на LM317. Разведена схема на одностороннем текстолите. Файл в формате *.lay можно скачать ЗДЕСЬ.

Привожу фотографии печатной платы с обеих сторон, чтобы можно было представить, как размещаются на ней детали. Кстати, вместо кнопок были использованы специфические датчики от трехдюймовых дисководов, которые отвечают за наличие дискеты в дисководе и отслеживают положение переключателя, запрещающего запись на нее.

Дисплей от NOKIA 3310 соединяется с печатной платой при помощи тонких многожильных мягких медных проводов. Их можно взять в шнурах, идущих от клавиатуры или мышки.

Щуп осциллографа сделан из стержня от шариковой ручки, в который впаяна игла от швейной машинки. Щуп при транспортировке осциллографа плотно закрывается пластиковым колпачком от медицинской иглы.

При проверке Осциллографа micro использовался набор программ WaveTool, который можно скачать ЗДЕСЬ.

Как собрать осциллограф своими руками — 3 рабочие схемы, советы по монтажу, видео

1. Осциллограф на PIC18F2550
2. Цифровой осциллограф для ПК
3. На AVR — инструкция по сборке, характеристики
4. Видео

Рассмотрим 3 рабочие схемы осциллографов. Первый прибор собран на микроконтроллере PIC18F2550. Второй осциллограф — цифровой, в основе третьего — микроконтроллер AVR. Поговорим о каждом по порядку.

Осциллограф на PIC18F2550 своими руками — схема, инструкция по сборке

Осциллограф на PIC18F2550 измеряет среднее, максимальное, минимальное, пиковое напряжения и пересечение нулевого уровня. Осциллограф имеет встроенную функцию триггера, который может быть использован для остановки сигнала для его детального изучения. Масштаб времени для отображения может быть легко изменён функцией changeTimeDivision.

Осциллограф измеряет напряжение в пределах 0–5В, 0–2.5В и 0–1,25. Основным недостатком этого осциллографа является низкая частота дискретизации (

60 кГц), а также тот факт, что входы ограничены ограничениями АЦП микроконтроллера. Тем не менее, это очень хороший прибор и первым мы рассмотрим именно его схему.

Схема осциллографа на PIC18F2550

Исходники и прошивку можно будет скачать ниже. Теперь давайте детальнее остановимся на каждом блоке схемы.

Напряжение поступает с 9-вольтовой батареи на интегральный стабилизатор напряжения TC1262-5.0V для обеспечения стабильных 5В для питания микроконтроллера и дисплея. На выходе стоит 1мкФ конденсатор.

Графический ЖК дисплей AGM1264F с разрешением 128х64 пикселей оснащен встроенными контроллером KS0108. Он имеет светодиодную подсветку и генератор отрицательного напряжения для управления.

Вывод A0 настроен на аналоговый вход. Обратите внимание, что сопротивление источника сигнала влияет на напряжение смещения на аналоговом входе. Максимально рекомендованное сопротивление составляет 2.5 кОм.

Микроконтроллер PIC18F2550 работает на частоте 48 МГц от внутреннего генератора. R1 представляет собой нагрузочный резистор, необходимый для работы. C1 является стабилизирующим конденсатором. Компонент пометкой «RES» является 20 MHz резонатором.

Выводы USART должны быть подсоединены к RS-232 конвертеру для подключения к ПК для обновления прошивки. После этого он может быть отключен.

Необходимые детали для сборки осциллографа на PIC18F2550 и прошивка

• МК PIC 8-бит (IC1) — PIC18F2550
• Линейный регулятор (IC2) — TC1264, 5 Вольт.
• Конденсатор (С1) — 0.22 мкФ.
• Электролитический конденсатор (С2) — 1 мкФ.
• 2 резистора (R1, R3) — 3.3 кОм и 5 Ом соответственно.
• Подстроечный резистор (R2) — 10 кОм.
• Кварцевый резонатор (RES) — 20 МГц.
• LCD-дисплей — AGM1264F.
• Батарея питания (G1) — 9 В
• 3 разъёма — JP1 для подключения дисплея, JP2 для обновления прошивки (RS-232) и JP3 для входа аналогового сигнала.

Микроконтроллер должен быть прошит файлом «SAC_tinybld18F2550usb _20MHz_115200_48MHz». Его можно скачать ниже.

Видео, как работает осциллограф на PIC18F2550:

Цифровой осциллограф RS232 для ПК

Рассмотрим простое решение для создания цифрового компьютерного осциллографа. Устройство построено на базе восьмиразрядного процессора PIC12F675.

Схема цифрового осциллографа для компьютера

Ниже представлена структурная схема осциллографа:

Процессор работает на частоте 20 МГц. Микроконтроллер непрерывно измеряет входное напряжение, преобразовывает его и отправляет цифровое значение на последовательный порт компьютера. Скорость передачи данных последовательного порта — 115кБит и, как показано на следующем рисунке, данные сканируются и отправляются с частотой около 7,5 кГц (134 мкс).

Вот принципиальная схема самого цифрового осциллографа:

Основа схемы — микроконтроллер PIC12F675 (микросхема U2), который работает с тактовой частотой 20 МГц кристалла Y1. J1 — стандартный разъем для подключения питания в 9–12 В, которое затем стабилизируется на U1 до 5 В для питания процессора.

• Узнайте, как сделать щуп для осциллографа своими руками

После U2 в схему добавляется простой преобразователь TTL уровня с последовательным портом RS232 персонального компьютера. Он построен на базе транзистора BC337 (Q1) и резисторов R1 и R3. Вход 5 микроконтроллера ведет к переключателю S1. В своей основной позиции (1–2) прибор переключается в режим осциллографа постоянного тока (DC измерений), который способен отображать входной сигнал 0–5В. Во второй позиции — в режим осциллографа переменного тока. В этом положении максимальное напряжение — от -2,5 до +2,5 В. Конденсатор С6 подойдет керамический 22000nF, чтобы наблюдать низкие частоты без особых искажений.

При необходимости можно добавить дополнительные входной аттенюатор (сплиттер), или ОУ.

Необходимые радиоэлементы

• Линейный регулятор (U1) — LM78L05.
• МК PIC 8-бит (U2) — PIC12F675 (675-I/P).
• Биполярный транзистор (Q1) — BC337.
• 6 конденсаторов — С1, С2, С5 (3х0.1 мкФ); С3, С4 (2х22 пФ); С6 (22 мкФ)
• 4 резистора — R1, R3 (2х1 кОм) и R2, R4 (2х270 кОм).
• Кварцевый резонатор (Y1) — 20 МГц.
• Переключатель (S1)
• 3 разъема — J1 питания, J2 RS232, J3 входа сигнала.

Программное обеспечение

Для управления на Windows доступна простая программа на Visual Basic. Её можно скачать в архиве ниже.

Программа запускается сразу и ожидает появления данных на последовательном порте COM1. Слева — четыре ползунка, используемые для измерения периода и напряжения сигнала. Затем идут вкл/выкл синхронизации, поля для масштабирования или изменения значений размера выборки.

Монтаж

При сборке можно не делать печатную плату, а смонтировать все в небольшой пластиковой коробке навесным монтажом. Корпус должен иметь отверстия для разъема RS232 переключателя, входного гнезда и гнезда питания.

Прошивку для процессора можно скачать в конце статьи. Биты конфигурации (fuse) в процессе программирования должны быть установлены следующим образом:

Вот фото готового прототипа цифрового осциллографа:

Ниже вы можете скачать исходник, прошивку и ПО для Windows.

Осциллограф своими руками на AVR — инструкция по сборке, характеристики

Характеристики осциллографа на AVR:

1. Частота измерения: 10 Гц–7.7 кГц.
2. Макс. входное напряжение: 24В AC/30В DC.
3. Напряжение питания: 12В DC.
4. Разрешение экрана: 128×64 пикселей.
5. Область экрана осциллограммы: 100×64 пикселей.
6. Информационная область экрана: 28×64 пикселей.
7. Режим триггера: автоматический.

Рассмотрим проект осциллографа с использованием МК PIC18F2550 и графического LCD с контроллером KS0108. В качестве среды разработки здесь использована WinAVR, которая основывается на open source AVR-GNU компиляторе и прекрасно работает с AVR Studio 4. Графическую библиотека разработана специально для данного проекта.

При измерении прямоугольного сигнала, максимальная частота, при которой можно увидеть хорошую осциллограмму составляет около 5 кГц. Для других форм сигналов (синусоида или треугольный сигнал) максимальная частота составляет около 1 кГц.

Схема осциллографа на AVR

Принципиальная схема AVR-осциллографа приведена ниже:

Напряжение питания схемы составляет 12 вольт постоянного тока. Из этого напряжения, в дальнейшем получается еще 2 напряжения: +8.2В для IC1 и +5В — для IC2, IC3.

• Схема светодиодного осциллографического пробника

Устройство может измерять входное напряжение от +2.5В до -2.5В или от 0 до +5В, зависящее от позиции переключателя S1 (выбор типа входного тока: постоянный или переменный). При использовании пробника 1:10, входное напряжение соответственно может быть увеличено в 10 раз. Кроме того, переключателем S2 можно установить дополнительно деление напряжения на 2.

Необходимые радиоэлементы

• Операционный усилитель (IC1) — LM358.
• LCD-дисплей (IC2) — DEM128064A (128×64, контроллер KS0108).
• МК AVR 8-бит (IC3) — ATmega32.
• Линейный регулятор (IC4) — LM7805.
• Стабилитрон (D1) — 1N4738A, 8.2В.
• Выпрямительный диод (D2) — 1N4007.
• 7 конденсаторов — C1 (470 нФ); C2 (27 пФ); C4, C7, C9 (3х100 нФ); C5, C6 (2х22 пФ).
• 2 электролитических конденсатора — C3 (22 мкФ 16 В) и C8 (100 мкФ 25 В).
• 7 резисторов — R1, R2, R4 (3х1 МОм); R3, R5 (2х390 кОм); R6 (56 Ом); R7 (220 Ом).
• 2 подстроечных резистора (P1, P2) — 10 кОм и 22 кОм соответственно.
• Кварц (X1) — 16 МГц.
• 3 переключателя (S1, S2, S5).
• 5 кнопок (S3, S4, S6–S8) — замыкающие.
• 2 разъёма (K1, K2) — 2 контакта вход сигнала, 2 контакта питание.

Прошивка ATmega32 и настройка

Файл прошивки: AVR_oscilloscope.hex, можно будет скачать ниже. При выборе фьюзов необходимо указать использование внешнего кварца. После этого необходимо обязательно отключить JTAG интерфейс. Если этого не сделать, то на осциллографе будет отображаться экран инициализации, а после он будет уходить в перезагрузку.

Для настройки прибора нужно выполнить всего 2 вещи: настроить контрастность LCD при помощи подстроечного резистора Р2 и выставить центр осциллограммы при помощи подстроечного резистора Р1.

Использование

Вы можете перемещать луч осциллограммы вверх или вниз путем нажатия кнопок S8 и S4. Один квадрат на экране, соответствует 1В.

При помощи кнопок S7 и S3 можно увеличивать или уменьшать частоту измерений. Минимальная частота формы сигнала, которая может быть отображена на LCD составляет 460 Гц. Если необходимо посмотреть сигнал с более низкой частотой, например, 30 Гц, то необходимо нажать S7 для сжатия осциллограммы или S3 — для растяжения.

В осциллографе используется автоматический режим триггера. Это означает, что если входной сигнал повторяющийся (к примеру треугольник) то триггер работает хорошо. Но если форма сигнала постоянно меняется (к примеру какая-то последовательность данных), то для фиксации изображения необходимо нажать кнопку S6. Повторное нажатие S6 возвращает в нормальный режим.

Фото готового AVR осциллографа:

Видео работы осциллографа на AVR:

Осциллограф на микроконтроллере своими руками

Этот обзор предназначен для людей, ставящих своей целью построение самодельных осциллографов низкого и среднего уровней сложности. Как правило цифровых, благо современная элементная база (микроконтроллеры) позволяют делать их не слишком сложными. Но и для аналоговых осциллографов многое из нижесказанного вполне применимо.

Данный обзор суммирует опыт, приобретенный мной при пробах и изготовлении более десяти (примерно 15) осциллографов.

Схемотехника построения осциллографов может быть самой различной, поэтому данный обзор не претендует на бесспорность и отражает лишь мой взгляд и мой опыт.

Итак. Для многих радиолюбительских задач считаю, что осциллограф должен позволять рассматривать сигналы с уровнем от 5-20 милливольт, до нескольких десятков вольт.

Чувствительность в милливольтах позволит отлавливать помехи и настраивать фильтры в цепях различных устройств и блоках питания.

Чувствительность в десятки вольт нужна при наладке и диагностике различных блоков питания, особенно импульсных.

Да и многие другие устройства значительно проще налаживать имея осциллограф.

Исходя из этого и получаем требования к входному аттенюатору. Я буду рассматривать аттенюатор, построенный на механических переключателях. Почему — объясню несколько позже.

К сожалению значительное количество ступеней делителя требует применения галетных переключателей. А они как правило весьма габаритны и плохо вписываются в миниатюрные любительские конструкции.

Из наиболее доступных и распространенных встречаются переключатели на три положения. Вот на них и будем ориентироваться.

Схемы входных аттенюаторов

Пожалуй наиболее часто встречается входной аттенюатор (делитель), собранный по схеме, приведенной на рисунке 1.

Схема может быть нарисована по разному, это не принципиально. Зачастую вместо переключателя используют специальные микросхемы – мультиплексоры, суть от этого не меняется. Просто вместо механики, используют микросхему, имеющую цифровое управление и позволяющую реализовать большее количество ступеней делителя, да еще и управляется это все счастье программно, кнопками.

Удобно вроде. Правда есть жирное «НО» в этом деле. При настройке осциллографа обычно подают на его вход прямоугольный сигнал и настраивают емкость С1 и С3, добиваясь плоских вершин импульсов. Примерно вот так. (Здесь и далее идут скриншоты из программы «Мультисим 12»).

Настройка обычно производится один раз. На одном конкретном диапазоне чувствительности. И на этом считается законченной.

Но вот при переключении на другие диапазоны чувствительности, при рассмотрении сигналов с другим напряжением, нас как правило ожидает проблема. Мы вместо прямоугольника можем увидеть такое:

И только конденсаторами С2 и С4 по схеме 1, не меняя настройки конденсатора С1, нам не удается никак это скомпенсировать.

Должен заметить, что на последних двух картинках изображены еще достаточно простые случаи, относительно понятные. А могут быть и куда круче. Вплоть до полной невменяемости. Что делать? Каждый раз настраивать С1? По моему опыту, многие просто даже не обращают внимания на этот нюанс настройки. Ну и в результате видят неизвестно что.

Конечно я не готов утверждать, что в принципе невозможно подобрать конфигурацию корректирующих цепей, составляя отдельные резисторы делителя из нескольких последовательно, со своими компенсирующими емкостями на каждом. Просто мне это не удалось. Ни в железе, ни в Мультисиме.

Чтобы избавиться от данного недостатка лучше применять другую схему входного аттенюатора. По рисунку 2.

Отличие от первой только в том, что переключается не только нижнее плечо делителя, но и верхнее. И частотно компенсирующая емкость для верхнего плеча каждого из делителей настраивается отдельно.

То есть при переключении диапазонов чувствительности картинка прямоугольного импульса меняться не будет. Как мы настроим каждый диапазон отдельно, так это и будет работать.

Но. Эта схема требует уже переключателя с двумя группами контактов. И для верхнего плеча уже в принципе невозможно применить мультиплексоры. Потому, что там действуют уже входные напряжения осциллографа. Т.е. программное управление затруднено.

Можно конечно применить мультиплексоры с электромагнитными реле на выходах и применять аттенюатор по схеме 2, но это вызовет резкий рост габаритов и энергопотребления осциллографа, что весьма нездорово для устройств с батарейным питанием.

Это и определяет то обстоятельство, что я считаю оптимальными именно механические переключатели. О чем упоминал выше.

Как вариант можно применить принцип как в DSO-138 и его последователях.

Клик для увеличения

Та же схема 2, но резисторы верхнего плеча соединены между собой. Но за это придется расплачиваться уменьшением входного сопротивления на диапазоне с максимальной чувствительностью. Из-за влияния ступеней делителя друг на друга.

Словом, на сегодняшний день, считаю оптимальным для несложных самодельных осциллографов использовать входной аттенюатор (делитель) по схеме 2.

Переключение диапазонов

И здесь мы подходим ко второй проблеме этого дела. Трех ступеней делителя НЕДОСТАТОЧНО. Получается, что наименьшие сигналы будет трудно рассмотреть и требуется дополнительное переключение либо растяжка по вертикали.

Можно применить галетники. Но это габариты, сопоставимые с габаритами самого ослика. Наименьший, что у меня есть – на 5 положений 2 направления, размерами чуть длиннее подстроечного советского резистора. Но 5 положений тоже мало, да и он выдран из японской техники очень давно и аналогов мне больше не попадалось. Не путь.

Последний из построенных мной осциллографов это «Осциллограф на микроконтроллере ATMEGA32А» с сайта bezkz. Его особенность в том, что он имеет программную растяжку 2 раза в 2 раза. То есть способен растягивать картинку в 2 и 4 раза.

С трехпозиционным переключателем диапазонов чувствительности получается всего 9 положений. И они достаточно неплохо друг друга перекрывают. Я применил в нем входной аттенюатор на одной плате с усилителем на AD823. Естественно с цепями защиты и т.д.

Еще один вариант осциллографа, который нацеливаюсь переделать, это VirtOS в версии от VetalST под дисплей LS020. Он у меня уже реализован в металле, но диапазон чувствительности (1 вольт на деление, от 2 до 8 делений на экран) не устраивает.

В нем есть программная растяжка в 2 раза и потенциометром еще в 2 раза. Т.е. снова два раза по два, как в «Электрике». Правда переключение уже будет не столь удобное. Но этот ослик мне симпатичен и очень хотел бы довести его до ума. Планирую добавить в него усилитель с аттенюатором и расширить диапазон в 100 раз вниз. Ну а щуп с делителем на 10 — повышает диапазон вверх.

Можно еще также рассмотреть входные усилители на ОУ. Особенности их применения. С конкретными схемами узлов и печатными платами. Но это уже тема для следующей статьи. А пока призываю тех, кто планирует разработку несложных осциллографов, отдать предпочтение все же механическим переключателям во входных делителях.

Для начинающих радиолюбителей такие схемы куда проще в изготовлении и настройке. И на практике мне лично куда удобнее переключать диапазоны просто щелкая переключателями, а не прыгать по пунктам меню кнопками, либо энкодерами. Специально для сайта Радиосхемы — Тришин Александр Олегович. Г. Комсомольск-на Амуре.

Двухканальный USB HID осциллограф на микроконтроллере ATtiny45

Прежде чем приступить к описанию usb осциллограф своими руками на ATtiny45, необходимо отметить, что в конструкции используется только интегрированный АЦП преобразователь микроконтроллера ATmega45 с разрешением 10-бит, и в компьютер данные передаются посредством внедрения программного обеспечения V-USB с использованием драйверов USB HID, общая скорость передачи данных сильно ограничена.

Реальные выборки на обоих каналах до десятка выборок в секунду. Таким образом, это цифровой двухканальный низкоскоростной осциллограф на микроконтроллере.

V-USB является чисто программной реализации низкоскоростного USB протокол для процессоров серии AVR фирмы Atmel. Благодаря этим библиотекам можно с незначительными ограничениями применять USB практически с любым микроконтроллером, без необходимости использования дополнительного специального оборудования. Все библиотеки V-USB распространяются под лицензией GNU GPL v.2.

Два аналоговых входов способны измерять напряжение в диапазоне от 0 до +5 В. Широкий диапазон напряжения можно достичь путем добавления усилителя с высоким входным сопротивлением и переменным коэффициентом усиления (или входным резистивным делителем), или, по крайней мере с использованием обычного переменного резистора.

Всю основную работу выполняет запрограммированный микроконтроллер ATtiny45 . Работает он от внутреннего тактового генератора с предделителем с частотой 16,5 МГц. Для связи через интерфейс скоростного USB эта частота необходима, однако, это ведет к ограничению в минимальном напряжении питания, который должен быть выше, чем 4,5 В и, конечно, ниже, чем 5,5 В.

Но, поскольку выводы данных порта USB используют уровень напряжения от 0 до +3,3 В, то необходимо использовать ограничивающие резисторы R2, R3 и стабилитроны D2, D3. Такое решение, конечно, нельзя рекомендовать для коммерческого продукта, но для ознакомления с проблематикой USB и получение простой конструкции для домашнего использования вполне достаточно.

Входные каналы CH1 и CH2 на разъеме J2 блокируются конденсаторами С2 и C3 номиналом 100n в соответствии с требуемой спецификацией внутреннего АЦП. Светодиод D1 служит только для индикации работы и, следовательно, может быть исключен.

Список компонентов:

• R1 — 270R
• R2, R3 — 68R
• R4 — 2k2
• C1, C2, C3 — 100n
• D1 — LED 3мм
• D2, D3 — ZD (3,6 вольт)
• IO1 — Attiny45-20PU
• J1 — USB B 90

Программное обеспечение:

Скомпилированный файл HEX доступен для скачивания в конце статьи, а так же и исходный код на языке C. Установка конфигурации ограничивается выбором использовании внутреннего множителя PLL осциллятора.

Так как приложение использует HID драйвера (Human Interface Device), которые имеются практически в каждой операционной системе, отпадает необходимость в установке дополнительных драйверов.

Чтобы получить графическое отображение измеренных данных, используется программное обеспечение доступное для загрузки в конце статьи. Программное обеспечение не требует настройки, и после запуска оно автоматически найдет подключенное устройство.

Скачать прошивку и программу (203,0 KiB, скачано: 1 395)