Cyfrowy oscyloskop- analizator stanów logicznych cz.2.pdf

Cyfrowy oscyloskop/analizator stanów logicznych

P R O J E K T Y

Cyfrowy

oscyloskop/analizator

stanów logicznych,

część 2

AVT−529

Temat oscyloskopÛw

cyfrowych i†podobnych

przyrz¹dÛw by³ juø

wielokrotnie poruszany na

³amach Elektroniki

Praktycznej. Przedstawialiúmy

zarÛwno dopracowane

i†kosztowne przyrz¹dy

dostÍpne komercyjnie, jak

i†tanie - lecz proste -

pozwalaj¹ce skorzystaÊ z†zalet

techniki cyfrowej nawet

elektronikom-amatorom. Projekt

przedstawiony w†artykule ma

w†zamierzeniu ³¹czyÊ

przynajmniej czÍúÊ zalet tych

pierwszych z†dostÍpnoúci¹

i†niew¹tpliwymi walorami

edukacyjnymi tych drugich.

Rekomendacje :

zaawansowany technicznie

przyrz¹d, pozwalaj¹cy

wszystkim konstruktorom

zbliøyÊ siÍ - znacznie

bardziej niø dotychczas - do

najnowoczeúniejszych

opracowaÒ úwiatowych.

Opis uk³adu oscyloskopu

CzÍúÊ cyfrowa

WiÍkszoúÊ blokÛw funkcjonal-

nych elektroniki cyfrowej zosta³a

zaimplementowana w†uk³adzie

FPGA (schemat czÍúci cyfrowej

pokazano na rys. 7a i† 7b ). Wyko-

rzystano uk³ad firmy QuickLogic

charakteryzuj¹cy siÍ znacznym nad-

miarem wewnÍtrznych po³¹czeÒ.

DziÍki temu moøna by³o

wykorzystaÊ wyprowadzenia uk³a-

du tak, aby projektowanie p³ytki

by³o ³atwe. Naleøy pamiÍtaÊ o†tej

moøliwoúci przy korzystaniu z†mat-

ryc FPGA, poniewaø optymalne

rozmieszczenie wyprowadzeÒ

sygna³Ûw oznacza nie tylko mniej

czasu spÍdzonego przy projektowa-

niu p³ytki, ale przede wszystkim

ìp³askiî (pozbawiony skrzyøowaÒ)

rozk³ad úcieøek pozwala na popro-

wadzenie wszystkich úcieøek syg-

na³owych po stronie elementÛw, a

strona przeciwna jest wolna.

W†uk³adach w.cz., takich jak kaødy

uk³ad cyfrowy pracuj¹cy przy 100

MHz, istotne znaczenie maj¹ kon-

densatory odsprzÍgaj¹ce. Te ele-

menty umieszcza siÍ wiÍc bezpo-

úrednio pod wyprowadzeniami za-

silania, aby zminimalizowaÊ induk-

cyjnoúÊ ich doprowadzeÒ. Dodatko-

wo, p³aszczyzna masy po stronie

lutowania moøe byÊ duøa i†nieprze-

rywana liniami sygna³owymi.

Naleøy pamiÍtaÊ o†umieszcze-

niu na pocz¹tku d³uøszych linii

sygna³owych, a†szczegÛlnie prze-

nosz¹cych sygna³ zegara, rezysto-

rÛw w³¹czonych szeregowo nied-

aleko nadajnika ( rys. 8 ). DziÍki

temu odbicia od koÒca linii nie

odbijaj¹ siÍ ponownie od wyjúcia

nadajnika, co znacznie zmniejszy

jitter na tych liniach. Naleøy†uni-

kaÊ duøych rÛønic w†d³ugoúci

úcieøek sygna³owych, poniewaø

powoduje to, øe sygna³ zegarowy

i†dane przybywaj¹ do danego uk³a-

du przesuniÍte w fazach. Moøe to

powodowaÊ b³Ídy.

Oczywiúcie, naleøy teø pamiÍ-

taÊ o†bardzo skutecznym odsprzÍ-

ganiu zasilania, poniewaø uk³ad

zawiera takøe bardzo wraøliwe na

wahania napiÍÊ zasilaj¹cych ele-

menty analogowe. Zaleca siÍ wiÍc

stosowanie kondensatorÛw cera-

micznych wlutowanych blisko

uk³adÛw scalonych oraz elektro-

litycznych lub tantalowych przy

ürÛdle zasilania.

CzÍúÊ analogowa

Uk³ady analogowe nie poddaj¹

siÍ integracji tak ³atwo jak cyfrowe.

CzÍúÊ analogowa (schemat pokaza-

no na rys. 9 ) jest wiÍc z³oøona

z†kilku uk³adÛw, w†wiÍkszoúci

wzmacniaczy. Oznacza to, øe od-

powiedzialnoúÊ za prawid³owe

poprowadzenie linii po³¹czenio-

wych miÍdzy czÍúciami spada na

projektanta. Nie jest to zadanie

³atwe, poniewaø przyjÍto, øe po-

Elektronika Praktyczna 11/2003

Cyfrowy oscyloskop/analizator stanów logicznych

Rys. 7a. Schemat elektryczny cyfrowej części oscyloskopu (cześć 1)

Elektronika Praktyczna 11/2003

Cyfrowy oscyloskop/analizator stanów logicznych

Rys. 7b. Schemat elektryczny cyfrowej części oscyloskopu (cześć 2)

ziom szumÛw w†paúmie do 30 MHz

nie powinien byÊ wyøszy niø 1†mV.

Przy czÍstotliwoúciach rzÍdu

1†MHz takie napiÍcie moøe bar-

dzo ³atwo powstaÊ w†wyniku

przeprowadzenia zaszumionej

úcieøki zasilaj¹cej czy sygna³u†cyf-

rowego rÛwnolegle do úcieøki syg-

na³u analogowego. Najskuteczniej-

szym rozwi¹zaniem jest zastoso-

wanie transmisji rÛønicowej. Cza-

sami jest to moøliwe (naleøy

wtedy pamiÍtaÊ o†prowadzeniu

úcieøek rÛwnolegle i†blisko sie-

bie), jednak w wiÍkszoúci przy-

padkÛw dla sygna³Ûw analogo-

wych uøywa masy jako poziomu

odniesienia. Poø¹dane jest zatem

wykonanie na p³ytce rozleg³ej

i†ci¹g³ej p³aszczyzny masy.

Rys. 8. Nieprawidłowe i prawidłowe

dopasowanie sygnału przy źródle

Elektronika Praktyczna 11/2003

Cyfrowy oscyloskop/analizator stanów logicznych

Rys. 9. Schemat elektryczny części analogowej

Elektronika Praktyczna 11/2003

Cyfrowy oscyloskop/analizator stanów logicznych

Rys. 10. Dopasowanie wyjścia

wzmacniacza

szyÊ pojemnoúci pasoøytnicze. Ich

g³Ûwnymi sk³adnikami s¹: pojem-

noúci miÍdzy úcieøkami oraz miÍ-

dzy úcieøk¹ a†p³aszczyzn¹ masy.

Najprostszym rozwi¹zaniem

jest wiÍc prowadzenie moøliwie

krÛtkich úcieøek sprzÍøenia zwrot-

nego jak najdalej od innych

úcieøek. Poza tym moøna usu-

n¹Ê†p³aszczyznÍ masy spod obwo-

du sprzÍøenia zwrotnego, pogar-

szaj¹c w†ten sposÛb nieco wspÛ³-

czynnik szumÛw, ale zapewniaj¹c

stabilnoúÊ wzmacniacza.

Wiele wzmacniaczy, w†tym

THS7002, ma pewn¹ optymaln¹

wartoúÊ impedancji sprzÍøenia

zwrotnego, zapewniaj¹c¹ minimal-

ne szumy. Dla tego uk³adu wynosi

ona ok. 1†k

F. Nie zaleca siÍ

stosowania wy³¹cznie kondensato-

rÛw tantalowych, poniewaø maj¹

one zbyt duø¹ stratnoúÊ.

Podczas projektowania p³ytki

rozwi¹zuje siÍ pozosta³e problemy

dotycz¹ce szumu pochodz¹cego od

przetwornicy impulsowej. Przede

wszystkim, im dalej przetwornica

znajduje siÍ od elektroniki analo-

gowej, tym lepiej. Po drugie, prze-

twornica powinna mieÊ w³asn¹,

wydzielon¹ sekcjÍ p³aszczyzny ma-

sy (dwa rozwi¹zania omÛwiono

powyøej). Elementy indukcyjne fil-

tru

Niestety, takøe i†od tej regu³y

istniej¹ wyj¹tki. Przede wszystkim

wokÛ³ uk³adÛw pobieraj¹cych duøe

impulsy pr¹du z†p³aszczyzny masy

(typowe dla przetwornic impulso-

wych) jej potencja³ jest silnie za-

burzony. Prowadzi to do nieprawid-

³owego dzia³ania czu³ych wzmac-

niaczy. Najprostszym rozwi¹zaniem

jest usuniÍcie p³aszczyzny masy

spod takiego uk³adu. To pozbawia

jednak uk³ad ekranowania od spo-

du, ktÛre zwykle wp³ywa korzystnie

na szumy w†uk³adzie. Okaza³o siÍ,

øe duøo lepsz¹ metod¹ jest zapro-

jektowanie szczelin w†p³aszczyünie

masy umieszczonych tak, øe unie-

moøliwiaj¹ one rozp³yw pr¹du szu-

mÛw†pod uk³adami analogowymi,

albo podzia³ p³aszczyzny masy na

dwie czÍúci po³¹czone drutem z

pere³k¹ ferrytow¹.

Drugim wyj¹tkiem od regu³y

ìduøej ci¹g³ej p³aszczyzny masyî

jest przypadek, kiedy zastosowany

jest uk³ad wzmacniacza o†duøym

wzmocnieniu. Okazuje siÍ bowiem,

øe jeøeli impedancja obwodu

sprzÍøenia zwrotnego jest zbyt ma-

³a, to uk³ad ten ma w¹skie pasmo.

Z†kolei zwiÍkszanie impedancji ob-

wodu sprzÍøenia zwrotnego stano-

wi powaøne zagroøenie nie tylko

dla funkcjonalnoúci, ale nawet dla

integralnoúci uk³adu. OtÛø†duøa im-

pedancja w†po³¹czeniu z†pojemnoú-

ciami pasoøytniczymi stanowi prze-

suwnik fazowy. Jeøeli przesuniÍcie

fazy stanie bÍdzie 180 o przy wzmoc-

nieniu przekraczaj¹cym 1, to

wzmacniacz stanie siÍ generatorem.

Moøe wÛwczas nast¹piÊ nawet

przegrzanie wzmacniacza wskutek

prze³adowywania pojemnoúci paso-

øytniczych na wyjúciu. Przy ma-

³ych impedancjach lub ma³ych po-

jemnoúciach zapobiega temu ogra-

niczone pasmo wzmacniacza.

Jeøeli impedancja pÍtli sprzÍøe-

nia zwrotnego nie powinna byÊ

ma³a (ze wzglÍdu na wymagania

dotycz¹ce pasma), to naleøy zmniej-

. Jest to wartoúÊ, przy

ktÛrej stosunkowo ³atwo osi¹gn¹Ê

stabilnoúÊ, wiÍc nie by³o potrzeby

usuwania p³aszczyzny masy.

Oczywiúcie naleøy pamiÍtaÊ

o†nieobci¹øaniu wyjúcia wzmac-

niacza elementami o†charakterze

pojemnoúciowym. Zgodnie z re-

gu³ami dobrego projektowania na-

leøy umieúciÊ niewielk¹ rezystan-

cjÍ (ok. 50

powinny znajdowaÊ siÍ bez-

poúrednio nad szczelin¹ oddziela-

j¹c¹ sekcje p³aszczyzny masy. Jak

najmniej przewodÛw powinno prze-

kraczaÊ granicÍ tych p³aszczyzn.

Blisko kaødego uk³adu warto

umieúciÊ ceramiczne kondensato-

ry 100 nF, w³¹czone miÍdzy szy-

ny zasilaj¹ce a†masÍ. Naleøy teø

rozwaøyÊ zamkniÍcie czÍúci ana-

logowej w†ekranie metalowym,

chociaø skutki zak³ÛceÒ elektro-

magnetycznych moøna zminimali-

zowaÊ poprzez przestrzeganie re-

gu³ dotycz¹cych p³aszczyzny ma-

sy i†transmisji rÛønicowej.

) na wyjúciu wzmac-

niacza (oczywiúcie za obwodem

sprzÍøenia zwrotnego) - rys. 10 .

Ta rezystancja zapobiega wtÛrnym

odbiciom sygna³u od ürÛd³a.

Zasilanie

Powszechne jest przekonanie, øe

w†uk³adach analogowych nie wo-

lno stosowaÊ przetwornic impulso-

wych. To nieprawda. Przetwornice

impulsowe s¹ elementami, bez

ktÛrych trudno wyobraziÊ sobie

urz¹dzenia przenoúne. Czasami nie

ma zreszt¹ wyboru. Zwyczajny za-

silacz dla przedstawianego oscylo-

skopu by³by od niego wiÍkszy

i†wytwarza³by duøo ciep³a.

W†uk³adach analogowych moø-

na, i†niekiedy naleøy, stosowaÊ

przetwornice impulsowe. Trzeba

tylko zadbaÊ o odfiltrowanie

szumÛw.

CzÍúÊ zwi¹zanych z tym prob-

lemÛw moøna rozwi¹zaÊ juø na

etapie projektowania uk³adu. Prze-

de wszystkim naleøy wprowadziÊ

filtry przed i†za przetwornic¹ im-

pulsow¹. Najlepsze s¹ filtry typu

Odprowadzanie ciep³a

Chociaø uk³ady cyfrowe pracu-

j¹ce przy 100 MHz nie wydzielaj¹

wiele ciep³a, o†tyle uk³ady ana-

logowe o†szerokim paúmie zuøy-

waj¹ sporo mocy i†musz¹ rozpro-

szyÊ j¹ do otoczenia.

Uk³ady analogowe wykorzysta-

ne w†projekcie s¹ umieszczone

w†specjalnych obudowach, ktÛre

pozwalaj¹ na bezpoúredni dostÍp

do metalowej podstawy, na ktÛrej

osadzony jest uk³ad scalony. Przy-

lutowanie tej podstawy do masy

powoduje, øe ciep³o wytwarzane

( rys. 11 ), sk³adaj¹ce siÍ z†dwÛch

kondensatorÛw, cewki i†- ewentu-

alnie - d³awika w postaci pere³ki

ferrytowej, bardzo efektywnie eli-

minuj¹cego zak³Ûcenia w.cz. Ele-

menty powinny byÊ w†obudowach

Rys. 11. Filtr zasilania typu

Elektronika Praktyczna 11/2003

SMD, aby zminimalizowaÊ wartoúci

indukcyjnoúci pasoøytniczych

(szczegÛlnie dotyczy to kondensa-

torÛw). Kaødy z†kondensatorÛw po-

winien byÊ ceramiczny, o†moøliwie

ma³ej stratnoúci. Bardzo dobre re-

zultaty przynosi takøe zastosowanie

kondensatorÛw ceramicznych 100

nF w†po³¹czeniu z†kondensatorami

tantalowymi 22

Ω

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: