43_49.pdf
(
1140 KB
)
Pobierz
Cyfrowy oscyloskop/analizator stanów logicznych, część 2 - AVT-529
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
43
Cyfrowy oscyloskop/analizator stanów logicznych
Rys. 7a. Schemat elektryczny cyfrowej części oscyloskopu (cześć 1)
44
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
45
Cyfrowy oscyloskop/analizator stanów logicznych
Rys. 9. Schemat elektryczny części analogowej
46
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
µ
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
π
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
π
Elektronika Praktyczna 11/2003
47
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
π
Ω
Plik z chomika:
max-mag1
Inne pliki z tego folderu:
25_30.pdf
(382 KB)
1.pdf
(314 KB)
101_103.pdf
(176 KB)
131_132.pdf
(222 KB)
135_136.pdf
(160 KB)
Inne foldery tego chomika:
01.03
02.03
03.03
04.03
05.03
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin