Самодельные схемы осциллографа на микроконтроллерах. Самодельный осциллограф на AVR

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.

(скачено: 1 273)

http://pandatron.cz/?1138&dvoukanalovy_usb_hid_osciloskop

Цифровые осциллографы используются любителями электроники и это одна из привычных вещей, находящихся за их рабочими столами. Но покупка готового решения может влететь в копеечку, поэтому я решил, что соберу собственный осциллоскоп своими руками. Этот базовый проект поможет вам повысить свои навыки и в итоге у вас будет свой самодельный неплохой прибор, который облегчит вам жизнь.

Ардуино – замечательная вещь, работающая на 8-битных микроконтроллерах, которые имеют цифровые выходы, SPI, линии I2S, последовательную связь, ADC и т.д. Таким образом, использование в этом проекте Ардуино – хорошая идея.

Шаг 1: Необходимые материалы

Я хотел, чтобы всё оставалось простым и дешевым, поэтому вам понадобятся:

• Ноутбук x1
• Ардуино x 1 (UNO,PRO MINI, NANO –подойдёт любой, кроме MEGA)
• Кабели со штекерами x 2
• Макетная плата x 1
• Клипсы аллигаторы x 2
• Кабель джек папа-папа на 3.5 мм x 1
• Источник аудио, или другого сигнала, чью форму вы хотите увидеть

Шаг 2: Код и программа осциллоскопа

После подключения, просто загрузите в него код из zip-архива. Этот код просто считывает напряжение на аналоговых пинах A0-A5 или A7 Ардуино (в зависимости от вашей платы), а затем конвертирует его в значение, варьирующееся от 0 до 1023. Далее это значение отправляется на компьютер через порт USB.

Пины A0-A5 или A7 (в зависимости от вашей платы) действуют в качестве 6 или 8 каналов осциллоскопа, но софт позволяет отобразить только три канала за раз.

После того, как вы открыли программу осциллоскопа вслед за загрузкой скетча, выберете нужные параметры baud rate (скорость передачи) и COM-порт, а затем откройте каналы.

Программа осциллоскопа спроектирована так, чтобы принимать значения с Ардуино и строить из них график, добавляя значения в линию, что предоставляет вам неплохие графики в виде волн, прямо как на осциллоскопе.

Файлы

Шаг 3: Принцип действий

1. Подключите Ардуино
2. Загрузите код
3. Пустите сигнал через пины A0 — A5 или A7 (в зависимости от вашей платы). Я выбрал сигнал, идущий от моего телефона через джек. Один конец провода был подключен к телефону, а на другом конце я подключил землю к GND Ардуино, а второй аллигатор был подключен к одному из аудиоканалов. (в моем случае правый канал аудиосигнала) .
4. Откройте программу осциллографа
5. Выберите COM-порт и baud rate
6. Откройте каналы и всё готово!

Шаг 4: Особенности

• Разрешение осциллоскопа: примерно 0.0049 Вольта (4.9мВ)
• Частота обновления: 1КГц
• Скорость передачи: 115200
• Диапазон напряжения: 0-5 Вольт
• Он может отображать одновременно 3 канала

Замечание: не превышайте на электронном осциллографе предел в 5 Вольт, или вы поджарите свой Ардуино.

Ограничения:

1. Напряжение нельзя превышать, оно находится в диапазоне 0-5 Вольт
2. Любой сигнал выше 1КГц не будет замечен Ардуино, либо же он будет определяться как мусорные значения (помехи)
3. Не пробуйте измерить сигналы AC, так как аналоговые пины не приспособлены для этого и в конце концов вы либо повредите Ардуино, либо засечёте позитивную половину

Шаг 5: Все готово!

Итак, я думаю, что было довольно просто сделать свой осциллограф на Ардуино. Надеюсь, вам всё понравилось.

режимы работы:

• осциллограф смешанных сигналов;
• генератор сигналов произвольной формы;
• 8-канальный логический анализатор;
• анализатор спектра;

возможность одновременной работы генератора и осциллографа;

графический OLED дисплей, размер 0.96″”, разрешение 128×64 точки;

PDI интерфейс для программирования и отладки;

управление с помощью 4-кнопочной клавиатуры;

USB коннектор для питания устройства (в дальнейшем программная реализация USB интерфейса).

Спецификация измерительного прибора:

• осциллограф:
  • 2 аналоговых канала;
  • 8 цифровых каналов;
  • аналоговая полоса пропускания – 318 кГц;
  • максимальная скорость выборки – 2 Msps;
  • разрешение – 8 бит;
  • аналоговая синхронизация и внешняя цифровая синхронизация;
  • вертикальный и горизонтальный курсоры;
  • входное сопротивление – 1 МОм;
  • размер буфера для каждого канала – 256;
  • максимальное входное напряжение – ±10 В;
• генератор сигналов произвольной формы:
  • 1 аналоговый канал;
  • максимальная скорость конвертирования – 1 Msps;
  • аналоговая полоса пропускания – 66 кГц;
  • разрешение – 8 бит;
  • низкое выходное сопротивление;
  • размер буфера – 256;
  • максимальное выходное напряжение – ±2 В.

Принципиальная схема прибора

Входные аналоговые каналы осциллографа, выходной канал генератора сигналов – выполнены на JFET операционном усилителе TL064 с низким потреблением. На таком же операционном усилителе выполнен источник опорного напряжения для встроенного аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера.

Питание прибор получает от USB интерфейса, однако можно применить внешний источник напряжения 5 В, но следует быть внимательным и необходимо исключить возможность одновременного подключения внешнего источника и USB интерфейса. Напряжение питания микроконтроллера составляет 3.3 В, с этой целью установлен регулятор напряжения 3.3 В AP7333 . Также, напряжение 3.3 В необходимо для питания контроллера дисплея.

Для питания операционных усилителей требуется двуполярный источник напряжения + 5 В и -5 В. Для получения отрицательного напряжения -5 В установлен интегральный DC/DC преобразователь TPS60403 (charge pump).

Источником тактовой частоты для микроконтроллера является внешний кварцевый резонатор 16 МГц.

Управление, навигация по меню, настройка параметров осуществляются с помощью клавиатуры K1-K4.

Для программирования (а также для отладки ПО) микроконтроллера используется 2-проводный интерфейс PDI. Данный интерфейс поддерживает высокоскоростное программирование всех пространств энергонезависимой памяти, в т.ч. Flash-память, EEPOM, Fuse-биты, Lock-биты и сигнатурный код пользователя. Программирование осуществляется путем доступа к контроллеру энергонезависимой памяти (NVM-контроллер) и выполнения NVM-контроллером команд.

Внешний вид печатной платы

Демонстрация работы прибора

Осциллограф – это портативное устройство, которое создано для тестирования микросхем. Дополнительно многие модели подходят для промышленного контроля и могут использоваться с целью проведения различных измерений. Сделать осциллограф своими руками нельзя без стабилитрона, который является основным его элементом. Устанавливается данная деталь в прибор различной мощности.

Дополнительно приборы в зависимости от модификации могут включать в себя конденсаторы, резисторы и диоды. К основным параметрам модели можно отнести количество каналов. В зависимости от этого показателя меняется предельная полоса пропускания. Также при сборке осциллографа следует учитывать частоту дискретизации и глубину памяти. Для того чтобы делать анализ полученных данных, устройство подключается к персональному компьютеру.

Схема простого осциллографа

Схема простого осциллографа включает в себя стабилитрон на 5 В. Пропускная способность его зависит от типов резисторов, которые устанавливаются на микросхему. Для увеличения амплитуды колебаний используются конденсаторы. Изготовить щуп для осциллографа своими руками можно из любого проводника. При этом порт подбирается в магазине отдельно. Резисторы первой группы минимум сопротивление в цепи должны выдерживать на уровне 2 Ом. При этом элементы второй группы должны быть более мощными. Также следует отметить наличие на схеме диодов. В некоторых случаях они выстраиваются в мосты.

Одноканальная модель

Сделать одноканальный цифровой осциллограф своими руками можно только с применением стабилитрона на 5 В. При этом более мощные модификации в данном случае недопустимы. Связано это с тем, что повышенное предельное напряжение в цепи приводит к увеличению частоты дискретизации. В итоге резисторы в устройстве не справляются. Конденсаторы для системы побираются только емкостного типа.

Минимум резистор сопротивление должен держать на уровне 4 Ом. Если рассматривать элементы второй группы, то параметр пропускания в данном случае должен составлять 10 Гц. Для того чтобы его повысить до нужного уровня, используются различного типа регуляторы. Некоторые специалисты для одноканальных осциллографов советуют применять ортогональные резисторы.

В данном случае следует отметить, что показатель частоты дискретизации они поднимают довольно быстро. Однако негативные моменты в такой ситуации все же присутствуют, и их следует учитывать. В первую очередь важно отметить резкое возбуждение колебаний. Как следствие, растет асимметричность сигналов. Дополнительно существуют проблемы с чувствительностью устройства. В конечном счете, точность показаний может быть не самой лучшей.

Двухканальные устройства

Сделать двухканальный осциллограф своими руками (схема показана ниже) довольно сложно. В первую очередь следует отметить, что стабилитроны в данном случае подходят как на 5 В, так и на 10 В. При этом конденсаторы для системы необходимо использовать только закрытого типа.

За счет этого полоса пропускания устройства способна возрасти до 9 Гц. Резисторы для модели, как правило, применяются ортогонального типа. В данном случае они стабилизируют процесс передачи сигнала. Для выполнения функций сложения микросхемы подбираются в основном серии ММК20. Сделать делитель для осциллографа своими руками можно из обычного модулятора. Это не особенно сложно.

Многоканальные модификации

Для того чтобы собрать USB-осциллограф своими руками (схема показана ниже), стабилитрон потребуется довольно мощный. Проблема в данном случае заключается в повышении пропускной способности цепи. В некоторых ситуациях работа резисторов может нарушаться из-за смены предельной частоты. Для того чтобы решить эту проблему, многие используют вспомогательные делители. Указанные устройства во многом помогают повысить порог предельного напряжения.

Сделать делитель можно при помощи модулятора. Конденсаторы в системе необходимо устанавливать только возле стабилитрона. Для повышения полосы пропускания используются аналоговые резисторы. Параметр отрицательного сопротивления в среднем колеблется в районе 3 Ом. Диапазон по блокированию зависит исключительно от мощности стабилитрона. Если предельная частота резко падает во время включения устройства, то конденсаторы необходимо заменить на более мощные. Некоторые специалисты в данном случае советуют устанавливать диодные мосты. Однако важно понимать, что чувствительность системы в этой ситуации значительно ухудшается.

Дополнительно необходимо сделать щуп для устройства. Для того чтобы осциллограф не конфликтовал с персональным компьютером, целесообразнее микросхему использовать типа ММР20. Сделать щуп можно из любого проводника. В конечном итоге человеку останется только прибрести порт для него. Затем при помощи паяльника вышеуказанные элементы можно соединить.

Сборка устройства на 5 В

На 5 В осциллограф-приставка своими руками делается только с применением микросхемы типа ММР20. Подходит она как для обычных, так и мощных резисторов. Максимум сопротивление в цепи должно составлять 7 Ом. При этом полоса пропускания зависит от скорости передачи сигнала. Делители для устройств могут применяться самых разных видов. На сегодняшний день более распространенными принято считать статические аналоги. Полоса пропускания в такой ситуации будет находиться на отметке 5 Гц. Чтобы ее повысить, необходимо использовать тетроды.

Подбираются они в магазине, исходя из параметра предельной частоты. Для увеличения амплитуды обратного напряжения многие специалисты советуют устанавливать только саморегулируемые резисторы. При этом скорость передачи сигнала будет довольно высокой. В конце работы необходимо сделать щуп для подключения цепи к персональному компьютеру.

Осциллографы на 10 В

Изготавливается осциллограф своими руками со стабилитроном, а также резисторами закрытого типа. Если рассматривать параметры устройства, то показатель вертикальной чувствительности должен находиться на уровне 2 мВ. Дополнительно следует рассчитать полосу пропускания. Для этого берется емкость конденсаторов и соотносится с предельным сопротивлением системы. Резисторы для устройства больше всего подходят полевого типа. Чтобы минимизировать частоту дискретизации, многие специалисты советуют применять только диоды на 2 В. За счет этого можно добиться большой скорости передачи сигнала. Для того чтобы функция слежения выполнялась довольно быстро, микросхемы устанавливаются типа ММР20.

Если запланировать режимы хранения и воспроизведения, то необходимо воспользоваться другим типом. Курсорные измерения в данном случае будут недоступны. Основной проблемой этих осциллографов можно считать резкое падение предельной частоты. Связано это, как правило, с быстрой разверткой данных. Решить поставленную задачу можно только с применением высококачественного делителя. При этом многие также полагаются на стабилитрон. Сделать делитель можно при помощи обычного модулятора.

Как сделать модель на 15 В?

Собирается осциллограф своими руками при помощи линейных резисторов. Предельное сопротивление они способны выдерживать на уровне 5 Мм. За счет этого на стабилитрон не оказывается большого давления. Дополнительно следует позаботиться о выборе конденсаторов для устройства. С этой целью необходимо сделать замеры порогового напряжения. Специалисты для этого используют тестер.

Если применять для осциллографа настроечные резисторы, то можно столкнуться с повышенной вертикальной чувствительностью. Таким образом, полученные данные вследствие тестирования могут быть некорректными. Учитывая все вышесказанное, необходимо применять только линейные аналоги. Дополнительно следует позаботиться об установке порта, который подсоединяется в микросхеме через щуп. Делитель в данном случае целесообразнее устанавливать через шину. Чтобы амплитуда колебаний не была слишком большой, многие советуют использовать диоды вакуумного типа.

Использование резисторов серии ППР1

Изготовить USB-осциллограф своими руками с данными резисторами – задача непростая. В этом случае необходимо в первую очередь оценить емкость конденсаторов. Для того чтобы предельное напряжение не превышало 3 В, важно использовать не более двух диодов. Дополнительно следует помнить о параметре номинальной частоты. В среднем этот показатель составляет 3 Гц. Ортогональные резисторы для такого осциллографа не подходят однозначно. Построечные изменения можно проводить только при помощи делителя. В конце работы надо заняться непосредственно установкой порта.

Модели с резисторами ППР3

Сделать USB-осциллограф своими руками можно с использованием только сеточных конденсаторов. Особенность их заключается том, что уровень отрицательного сопротивления в цепи может достигать 4 Ом. Микросхемы для таких осциллографов подходят самые разнообразные. Если взять стандартный вариант типа ММР20, то необходимо конденсаторов в системе предусмотреть как минимум три.

Дополнительно важно обратить внимание на плотность диодов. В некоторых случаях от этого зависит показатель полосы пропускания. Для стабилизации процесса деления специалисты советуют тщательно проверять проводимость резисторов перед включением устройства. В последнюю очередь подсоединяется непосредственно регулятор к системе.

Устройства с подавлением колебаний

Осциллографы с блоком подавления колебаний используются в наше время довольно редко. Подходят они больше всего именно для тестирования электроприборов. Дополнительно следует отметить их высокую вертикальную чувствительность. В данном случае параметр предельной частоты в цепи не должен превышать 4 Гц. За счет этого стабилитрон во время работы сильно не перегревается.

Делается осциллограф своими руками с применением микросхемы сеточного типа. При этом необходимо в самом начале определиться с типами диодов. Многие в данной ситуации советуют применять только аналоговые типы. Однако в этом случае скорость передачи сигнала может значительно снизиться.

Не секрет, что у начинающих радиолюбителей не всегда есть под рукой дорогое измерительное оборудование. К примеру осциллограф, который даже на китайском рынке, самая дешевая модель стоит порядка нескольких тысяч.
Бывает осциллограф нужен для ремонта различных схем, проверка искажений усилителя, настройки звуковой техники и т.п. Очень часто низкочастотный осциллограф используется при диагностике работы датчиков в автомобиле.
В этом ряде случаем вам поможет наипростейший осциллограф, сделанный из вашего персонального компьютера. Нет, ваш компьютер никак не придется разбирать и дорабатывать. Вам понадобится всего на всего спаять приставку – делитель, и подключить её к ПК через звуковой вход. А для отображения сигнала установить специальный софт. Вот за пару десятков минут у вас появится собственный осциллограф, который вполне может сгодится для анализа сигналов. Кстати можно использовать не только стационарный ПК, но и ноутбук или нетбук.
Конечно, такой осциллограф с большой натяжкой сравним с настоящим прибором, так как имеет маленький диапазон частот, но вещь в хозяйстве очень полезная, чтобы посмотреть выхода усилителя, различные пульсации источников питания и тп.

Схема приставки

Согласитесь, что схема невероятна проста и не потребует много времени для её сборки. Это делитель – ограничитель, который защитит звуковую карту вашего компьютера от опасного напряжения, которое вы можете случайно падать на вход. Делитель может быть на 1, на 10 и на 100. Переменным резистором регулируется чувствительность всей схемы. Подключается приставка к линейному входу звуковой карты ПК.

Собираем приставку

Можно взять бокс от батареек как я или другой пластиковый корпус.

Программное обеспечение

Программа «осциллограф» будет визуализировать сигнал, поданный на вход звуковой карты. Я предложу вам на скачивание два варианта:
1) Простая программа без установки с русским интерфейсом, качаем.

(cкачиваний: 9807)

2) И вторая с установкой, скачать её можно – .

Какой пользоваться – выбирать вам. Возьмите и установите обе, а там выберете.
Если у вас уже установлен микрофон, то после установки и запуска программы можно уже будет наблюдать звуковые волны, которые поступают в микрофон. Значит все хорошо.
Для приставки никаких драйверов больше не потребуется.
Подключаем приставку ко линейному или микрофонному входу звуковой карты и пользуемся на здоровье.

Если у вас никогда в жизни не было опыта работы с осциллографом, то я искренне рекомендую вам повторить эту самоделку и поработать с таким виртуальным прибором. Опыт очень ценный и интересны.