Разработка лабораторного модуля для изучения генератора сигналов на базе цифро-аналогового преобразователя

Цоколевка:

Рисунок 3.1 - Обозначение выводов PIC16f877

Особенности ядра микроконтроллера:

Высокопроизводительный RISC-процессор;

Всего 35 простых инструкций для изучения;

Все инструкции исполняются за один такт, кроме инструкций перехода, выполняемых за два такта;

Скорость работы: тактовая частота до 20 МГц; минимальная длительность такта 200 нс

Flash-память программ до 4к x 14 слов

Память данных (ОЗУ) до 192 x 8 байт

ЭСППЗУ память данных до 128 x 8 байт

Совместимость цоколевки с PIC16C73/74/76/77

Механизм прерываний (до 14 внутренних/внешних источников)

Восьмиуровневый аппаратный стек

Прямой, косвенный и относительный режимы адресации

Сброс при включении питания (POR)

Таймер сброса (PWRT) и таймер ожидания запуска генератора (OST) после включения питания)

Сторожевой таймер (WDT) с собственным встроенным RC-генератором для повышения надежности работы

Программируемая защита кода

Режим экономии энергии (SLEEP)

Выбираемые режимы тактового генератора

Экономичная, высокоскоростная технология КМОП FLASH/ЭСППЗУ

Полностью статическая архитектура

Программирование на плате через последовательный порт с использованием двух выводов

Для программирования требуется только источник питания 5В

Отладка на плате с использованием двух выводов

Доступ процессора на чтение/запись памяти программ

Широкий диапазон рабочих напряжений питания: от 2,0В до 5,5В

Сильноточные линии ввода/вывода: 25 мА

Коммерческий и промышленный температурные диапазоны

Низкое потребление энергии:

1. < 2мА при 5В, 4МГц;

2. 20мкА (типичное значение) при 3В, 32 кГц;

3. < 1мкА (типичное значение) в режиме STANDBY.

Периферия:

Timer 0: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным предварительным делителем

Timer 1: 16-разрядный таймер/счетчик с предварительным делителем, может вести счет во время спящего режима от внешнего генератора

Timer 2: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным регистром периода, предварительным и выходным делителем

2 модуля захват/сравнение/ШИМ:

1. Захват 16-ти разрядов, максимальное разрешение 12,5нс;

2. Сравнение 16-ти разрядов, максимальное разрешение 200нс;

3. ШИМ с максимальным разрешением 10 разрядов

10-битный многоканальный аналого-цифровой преобразователь

Рис. 3.2 - Структурная схема микроконтроллера pic16f877

Синхронный последовательный порт (SSP) с интерфейсами SPI (с Master-режимом) и I²C (с режимами Master/Slave)

Универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик (USART/SCI) с обнаружением 9-разрядного адреса

Встроенный генератор опорного напряжения

Параллельный 8-битный Slave-порт (PSP) со внешними сигналами управления RD, WR и CS (только в 40/44-выводных корпусах)

Программируемая схема сброса при падении напряжения питания (BOR).

Таблица 3.2

Назначение выводов микроконтроллера PIC16F877

3.2 Описание цифро-аналогового преобразователя MCP4921

MCP4921 устройство представляет собой одноканальный 12-битный ЦАП, который использует внешний источник опорного напряжения. Это устройство обеспечивает высокую точность и низкое энергопотребление и доступны в различных пакетах. Связь с устройством осуществляется с помощью простого последовательного интерфейса SPI. MCP4921 устройство является частью семейства, которые используют внешний источник опорного напряжения (VREF). Эти устройства обеспечивают очень высокую точность и низкий уровень шумов, и пригодны для потребительских и промышленных приложений. Низкое энергопотребление и малые варианты пакета хорошо подходят для многих портативных и маломощных приложений. Благодаря своим компактным размерам и малой мощности потребления, эти новые ЦАП обеспечивает значительные преимущества в пространстве ограниченных случаях, когда минимальная мощность потребление имеет решающее значение. Режимы программного обеспечения или аппаратного выключения предоставят дополнительную экономию электроэнергии, уменьшение тока в режиме ожидания до 0,5 мкА (тип.) при любом выборе. Связь с MCP4921 осуществляется через 3-проводной SPI протокол.

Отличительные особенности:

· разрешение: 12 разрядов;

· дифференциальная нелинейность: ±0,2 младшего разряда (тип);

· интегральная нелинейность: ±2 младших разряда (тип);

· выходы Rail-to-Rail;

· SPI-интерфейс с частотой до 20МГц;

· синхронные защелки данных на обоих ЦАП;

· малое время установления: 4,5мкс;

· выбор выходного коэффициента усиления 1х или 2х;

· вход для внешнего источника опорного напряжения VREF;

· диапазон напряжения питания: 2,7В...5,5В;

· количество выводов: 8

· тип входа: последовательный

· температурный диапазон: -40°C...+125°C;

· корпуса: MSOP-8 (MS) и DIP-8 (P).

Цоколевка:

Таблица 3.3

Назначение выводов. MCP4921

Рисунок 3.3 Структурная схема MCP4921

3.3 Описание цифрового индикатора

Сегментные цифровые индикаторы предназначены для отображения цифровой информации в электронных устройствах. Преимуществом светодиодных цифровых индикаторов по сравнению с альтернативными жидкокристаллическими являются активное свечение и эргономичность.

Типичная схема подключения светодиода к выводу МК показана на рис. 3.4. В этой схеме светодиоды будут светиться когда МК выдает сигнал «0» (низкое напряжение). Когда вывод работает в качестве входа данных или на него выводится «1», то светодиод будет выключен.

Резистор сопротивлением 220 Ом используется для ограничения тока, т.к. слишком большой ток может вывести из строя МК и светодиод. Некоторые МК содержат ограничители тока на выходных линиях, что устраняет потребность в ограничивающем резисторе. Но все же целесообразно, на всякий случай, включить этот резистор, чтобы гарантировать, что короткое замыкание на «землю» или напряжение питания Vcc, не выведет из строя МК.

Рис.3.4 - Подключение светодиода к микроконтроллеру

Семисегментный индикатор

Вероятно, самый простой вывод числовых десятичных и шестнадцатеричных данных - это использование семи сегментного индикатора (ССИ).

Светодиодные индикаторы до сих пор являются полезными приборами, которые могут быть включены в схему без больших усилий для создания программного обеспечения. Включая определенные светодиоды (зажигая сегменты), можно выводить десятичные числа.

Каждый светодиод в индикаторе имеет свой буквенный идентификатор (A, B, C, D, E, F, G), и одна из ножек светодиода подключена к соответствующему внешнему выводу. Вторые ножки всех светодиодов соединены вместе и подключены к общему выводу. Этот общий вывод определяет тип индикатора: с общим катодом или с общим анодом.

Рис. 3.5 - Семи сегментный индикатор

Подключение индикатора к МК осуществляется весьма просто: обычно индикатор подключают как семь или восемь (если используется десятичная точка) независимых светодиодов. Наиболее важной частью работы при подключении к МК нескольких ССИ является назначения линий вводе вывода для каждого светодиода. Решение этой задачи в начале выполнения проекта упростит вам монтаж разводки и отладку устройств в дальнейшем. Типичный способ подключения нескольких индикаторов состоит в том, чтобы включить их параллельно и затем управлять протеканием тока через общие выводы отдельных индикаторов. Так как величина этого тока обычно превышает допустимое значение выходного тока МК, то для управления оком включается дополнительные транзисторы, которые выбирают, какой из индикаторов будет находиться в активном состоянии.

На рис. 3.6 показано подключение к МК четырех ССИ. В этой схеме МК выдает данные для индикации, последовательно переходя от одного индикатора к другому. Каждая цифра будет высвечиваться в течении очень короткого интервала времени. Это обычно выполняется с помощью подпрограммы обслуживания прерываний таймера. Чтобы избежать мерцания изображения, подпрограмма должна выполняться со скоростью, обеспечивающий включение индикатора, по крайней мере, 50 раз в секунду. Чем больше цифр, тем чаще должны следовать прерывания от таймера. Например, при использовании восьми ССИ цифры должны выводиться со скоростью 400 раз в секунду.

Рис. 3.6 Подключение к МК четырех ССИ

В дипломном проекте используется 7-сегментный 4-разрядный цифровой индикатор CC56-12.

Таблица 1.4

Характеристики цифрового индикатора CC56-12

4. ПОСТРОЕНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

4.1 Описание принципиальной схемы устройства

Рассмотрим подробнее принцип работы данного устройства.

Частота сигнала и его фаза задаются программным способом через ICSP интерфейс на DD2, подключенный на порты MCLR, VDD, GND, RB7, RB6.

SB1-SB6 - это клавиатура для управления работой микроконтроллера PIC16F877. Кнопки SB1-SB6 подключены к DD2 на порты RB0-RB5 соответственно. При нажатии на кнопки SB1-SB6 DD2 получает команды, далее по портам RD4-RD7, подключенным к разрядам HL через маломощные p-n-p транзисторы VT1-VT4, синхронизирует управление индикатором HL и, преобразовывая информацию, через порты RA0-RA5 и RE0-RE1 отправляет ее на вывода сегментов индикатора HL.

После этого микроконтроллер PIC16f877 формирует управляющий посыл в 16 бит

Последним этапом осуществляется передача сигнала в цифро-аналоговый преобразователь с помощью SPI интерфейса.

Схема генерирует синусоидальный сигнал с заданной частотой. Частота выходного сигнала определяется двумя параметрами: частотой тактового сигнала и двоичным числом, записанным в регистр частоты. Это двоичное число, записанное в регистр частоты, подается на вход аккумулятора фазы. Если используется ПЗУ с табличными значениями синуса, то аккумулятор фазы вычисляет адрес (соответствующий мгновенному значению фазы) и подает его на вход ПЗУ, при этом на выходе ПЗУ мы получаем текущее значение амплитуды в цифровом виде. Далее ЦАП преобразует это цифровое значение в соответствующее значение напряжения или тока. Для генерации синусоиды с фиксированной частотой постоянная величина (приращение фазы, определяемое двоичным числом, записанным в регистр частоты) прибавляется к значению, хранящемуся в аккумуляторе фазы, с каждым импульсом тактового сигнала. Если значение приращения велико, аккумулятор фазы будет быстро пробегать всю таблицу синуса, хранящуюся в ПЗУ, и частота сигнала при этом будет высока. Если значение приращения фазы мало, аккумулятору фазы понадобится больше шагов, чтобы пройти всю таблицу ПЗУ, и соответственно частота сигнала на выходе будет низкой.

Мгновенное значение фазы непрерывного синусоидального сигнала циклически изменяется в диапазоне от 0 до 2р. Значение фазы генерируется в цифровом виде. Функция переноса, которой обладает счетчик, позволяет реализовать непрерывное циклическое изменение величины фазы.

Аккумулятор фазы представляет собой счетчик по модулю М, значение которого увеличивается с каждым приходом тактового импульса. Величина приращения задается двоичным числом М. Это число определяет величину приращения значения фазы с каждым тактовым импульсом, в сущности, этим числом определяется число пропущенных отсчетов при движении по окружности. Чем больше размер шага, тем быстрее происходит переполнение аккумулятора фазы и более коротким получается период синусоиды. Разрядностью аккумулятора фазы (n) определяется общее число возможных значений фазы, что в свою очередь обусловливает разрешение сетки частот синтезатора DDS. Для 28-разрядного аккумулятора фазы при М=0000...0001 аккумулятор будет переполняться после 2²⁸ циклов (тактовых импульсов). При М=0111…1111 аккумулятор фазы будет переполняться всего за 2 цикла (это минимальное число циклов, удовлетворяющее критерию Найквиста). Эти соотношения описываются следующей простой формулой:

f_out=(M·f_clk)/2ⁿ,

где: f_out - частота выходного сигнала DDS;

M - двоичное число, определяющее частоту сигнала;

f_clk - частота сигнала тактирования;

n - разрядность аккумулятора фазы.

При изменении значения М частота на выходе синтезатора меняется сразу и при этом сигнал не имеет разрывов. Здесь отсутствует переходный процесс захвата частоты, присущий генераторам с петлей ФАПЧ.

При увеличении выходной частоты число отсчетов на один цикл уменьшается. Так как теорема отсчетов требует наличия как минимум двух отсчетов на период для полного восстановления выходного сигнала, максимальная частота синтезируемого сигнала DDS будет составлять f_clk/2. Однако на практике частота синтезируемого сигнала ограничивается несколько меньшим значением, что способствует улучшению качества синтезируемого сигнала и облегчению его фильтрации.

При генерировании сигнала постоянной частоты код на выходе аккумулятора фазы увеличивается по линейному закону, что соответствует линейному пилообразному аналоговому сигналу.

Для получения сигнала в аналоговой форме к выходу DDS генератора необходимо подключить ЦАП, не оставляя без внимания следующие моменты:

1) На выходе ЦАП обязательно должен стоять низкочастотный фильтр, для фильтрации побочных гармоник сигнала.

2) Так как большинство ЦАП имеет неравномерную АЧХ вида sin(x)/x, в таких DDS генераторах обычно используют небольшой диапазон выходных частот, в котором АЧХ относительно линейна, либо используют фильтр с инверсной АЧХ.

3) Усечение фазы из-за использования в генераторе DDS только части старших разрядов аккумулятора фазы. Это вызвано экономией памяти для хранения таблицы значений синуса (например, для хранения 2³² значений отсчетов потребуется 4Г слов памяти). Усечение фазы приводит к погрешности уровня выходного сигнала, более того, данная погрешность периодична. Это добавляет в спектр выходного сигнала паразитные составляющие. Для уменьшения данного недостатка в DDS синтезаторы вводят псевдошумовую ошибку в код, полученный после усечения фазы. По крайней мере, это уменьшает уровень паразитных составляющих.

Далее вычисляет значение кода частоты и отправляет его через буферную схему интерфейса SPI в DDS синтезатор.

На схеме буфер предназначен для буферизации шины данных и управления.

Программируемый генератор сигналов подключен в стандартном режиме. После сигнал синусоидальной формы подается на вывод ПГС. В качестве тактового генератора для ПГС применен кварцевый генератор - Г.

Для определения яркости свечения индикатора на сегментики подключены резисторы, также для управления индикатором используются транзисторы.

Для развязки по цепям питания используются керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ, соединенные параллельно с танталовыми конденсаторами емкостью порядка 10 мкФ.

генератор цифровой сигнал печатный модуль

5. РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ УСТРОЙСТВА

5.1 Выбор среды разработки печатной платы (2-3 стр pcad)

Современные системы разработки печатных плат включают в себя сложный комплекс программ, обеспечивающих так называемое" сквозное проектирование". Такой подход подразумевает разработку принципиальной cхемы, моделирование ее на разных уровнях(на уровне платы и на уровне кристалла) проектирование собственно платы (физический дизайн) и заканчивается, как правило, генерацией управляющих файлов для оборудования изготовления фото шаблонов, сверления отверстий, сборки и электроконтроля. Этап проектирования печатной платы является одним и самых трудоемких и важных во всей цепочке проектирования.

В данный момент рынок предлагает различные среды разработки печатных плат, например: P-Cad, Protel, OrCad, PowerPCB, Sprint-Layout и т.д. Из всего многообразия я остановил свой выбор на системе P-Cad 2006.

Система P-CAD предназначена для проектирования многослойных печатных плат (ПП) вычислительных и радиоэлектронных устройств. В состав P-GAD входят четыре основных модуля - P-CAD Schematic, P-CAD PCB, P-CAD Library Executive, P-CAD Autorouters.

Различные модули пакета P-CAD 2006 организуют сквозной цикл проектирования: от ввода принципиальной схемы до получения технологических управляющих файлов. Программа позволяет вести все этапы проектирования печатных плат:

· ввести принципиальную схему,

· провести цифро-аналоговое моделирование проектируемого устройства,

· разработать топологию,

· провести анализ целостности сигналов,

· подготовить технологические файлы,

· подготовить конструкторскую документацию,

· передать информацию в системы 3D-проектирования (Autodesk Inventor Professional, SolidWorks, Pro/E, Компас и т.п.)

· разработать собственную элементную базу.

Ввод проекта осуществляется в программе Schematic. Принципиальная схема может содержать неограниченное количество листов, которые сохраняются в одном файле и не требуют какой-либо "состыковочной" информации. При этом размеры страницы могут быть выбраны из стандартных или введены вручную.

Модуль P-CAD PCB может запускаться автономно и позволяет разместить элемент на выбранном монтажно-коммутационном поле и проводить ручную, полуавтоматическую и автоматическую трассировку проводников.

В модуль P-CAD Autorouters входят QuickRoute и Shape-Based Autorouter. Автотрассировщики вызываются из управляющей оболочки P-CAD РСВ, где и производится настройка стратегии трассировки. QuickRoute относится к трассировщикам лабиринтного типа и предназначен для трассировки простейших ПП. Второй автоматический трассировщик PRO Route трассирует ПП с числом сигнальных слоев до 32. Трассировщик Shape-Based Autorouter - бессеточная программа автотрассировки ПП. Программа предназначена для автоматической разводки многослойных печатных плат с высокой плотностью размещения элементов. Эффективна при поверхностном монтаже корпусов элементов, выполненных в различных системах координат.

SPECCTRA - программа ручного, полуавтоматического и автоматического размещения компонентов и трассировки проводников. Трассирует ПП большой сложности с числом слоев до 256.

P-CAD Library Executive - менеджер библиотек. Интегрированные библиотеки P-CAD содержат как графическую информацию о символах и типовых корпусах компонентов, так и текстовую информацию. Программа имеет встроенные модули: Symbol Editor -- для создания и редактирования символов компонентов и Pattern Editor -- для создания и редактирования посадочного места и корпуса компонента. Упаковка вентилей компонента, ведение и контроль библиотек осуществляются модулем Library Executive. Модуль имеет средства просмотра библиотечных файлов, поиска компонентов, символов и корпусов компонентов по всем возможным атрибутам.

Общие характеристики:

· 32-разрядная база данных;

· разрешающая способность P-CAD РСВ и других программ равна 0,001мм;

· до 100 открытых одновременно библиотек;

· число компонентов в одной библиотеке - не ограничено;

· до 64 000 электрических цепей в одном проекте;

· до 10 000 выводов в одном компоненте;

· до 5000 секций (вентилей) в одном компоненте;

· до 2000 символов в атрибуте компонента;

· до 2000 символов в текстовой строке;

· до 20 символов в имени вывода, имени цепи, позиционном обозначении вывода (пробелы, знаки табуляции, точки и скобки не допускаются);

· до 16 символов в имени типа компонента (пробелы и знаки табуляции не допускаются);

· многошаговый «откат» вперед и назад. По умолчанию количество запоминаемых шагов установлено равным 10, но эту величину можно при необходимости изменить, редактируя файл конфигурации *.ini.

минимальный шаг сетки 0,1 mil в английской системе и 0,001 мм в метрической системе (1 mil = 0,001 дюйма = 0,0254 мм, 1 мм = 40 mil). Систему единиц можно изменять в любой фазе проекта.

5.2 Выбор технологии производства ПП или Описание технологии производства ПП

Печатные платы возможно быстро и качественно изготавливать без применения какого-либо дорогостоящего оборудования в домашних условиях. Из всего множества существующих технологий были выбраны только те, которые не требуют значительных материальных затрат и достаточно просты в осуществлении.

· предварительная подготовка заготовки (очистка поверхности, обезжиривание);

· нанесение тем или иным способом защитного покрытия;

· удаление лишней меди с поверхности платы (травление);

· очистка заготовки от защитного покрытия;

· сверловка отверстий, покрытие платы флюсом, лужение.

Предварительная подготовка заготовки

Данный этап является начальным и заключается в подготовке поверхности будущей печатной платы к нанесению на нее защитного покрытия. В целом за продолжительный промежуток времени технология очистки поверхности не претерпела сколько-нибудь значительных изменений. Весь процесс сводится к удалению окислов и загрязнений с поверхности платы с использованием различных абразивных средств и последующему обезжириванию.

Нанесение защитного покрытия

Нанесение защитного покрытия является самым важным этапом в процессе изготовления печатных плат, и именно им на 90 % определяется качество изготовленной платы. Для этой цели была выбрана «технологии лазерного принтера и утюга».

Данная технология появилась сравнительно недавно, однако сразу получила широчайшее распространение в силу своей простоты и высокого качества получаемых плат. Основу технологии составляет перенос тонера (порошка, используемого при печати в лазерных принтерах) с какой-либо подложки на печатную плату. При этом возможны два варианта: либо используемая подложка отделяется от платы перед травлением, либо, если в качестве подложки используется алюминиевая фольга, она стравливается вместе с медью. Первый этап использования данной технологии заключается в печати зеркального изображения рисунка печатной платы на подложке. Параметры печати принтера при этом должны быть установлены на максимальное качество печати (поскольку в этом случае происходит нанесение слоя тонера наибольшей толщины). В качестве подложки можно использовать тонкую мелованную бумагу (обложки от различных журналов), бумагу для факсов, алюминиевую фольгу, пленку для лазерных принтеров, основу от самоклеящейся пленки Oracal или какие-нибудь другие материалы. При использовании слишком тонкой бумаги или фольги может потребоваться приклеить их по периметру на лист плотной бумаги. В идеальном случае принтер должен иметь тракт для прохождения бумаги без перегибов, что предотвращает смятие подобного бутерброда внутри принтера. Большое значение это имеет и при печати на фольге или основе от пленки Oracal, поскольку тонер на них держится очень слабо, и в случае перегиба бумаги внутри принтера существует большая вероятность, что придется потратить несколько неприятных минут на очистку печки принтера от налипших остатков тонера. Лучше всего, если принтер может пропускать бумагу через себя горизонтально, печатая при этом на верхней стороне (как, например, HP LJ2100 -- один из лучших принтеров для применения при изготовлении печатных плат). Основное требование, которое предъявляется к подложке, -- легкость ее отделения от тонера. Кроме того, в случае использования бумаги она не должна оставлять в тонере ворсинок. При этом возможны два варианта: либо подложка после перенесения тонера на плату просто снимается (в случае пленки для лазерных принтеров или основы от Oracal), либо предварительно размачивается в воде и потом постепенно отделяется (мелованная бумага). Перенос тонера на плату заключается в прикладывании подложки с тонером к предварительно очищенной плате с последующим нагревом до температуры, немного превышающей температуру плавления тонера. Возможно огромное количество вариантов как это сделать, однако наиболее простым является прижим подложки к плате горячим утюгом. При этом для равномерного распределения давления утюга на подложку рекомендуется проложить между ними несколько слоев плотной бумаги. Тонер должен успеть достаточно расплавиться, чтобы прилипнуть к поверхности платы, и в то же время должен не успеть дойти до полужидкого состояния, чтобы края дорожек не расплющились. После «приварки» тонера к плате необходимо отделить подложку (кроме случая использования в качестве подложки алюминиевой фольги: ее отделять не следует, поскольку она растворяется практически во всех травильных растворах). Пленка для лазерных принтеров и основа от Oracal просто аккуратно снимаются, в то время как обычная бумага требует предварительного размачивания в горячей воде. В целом использование данной технологии после некоторой тренировки позволяет добиться ширины дорожек и зазоров между ними вплоть до 0,3 мм.

Травление

Хлорное железо (FeCl3) -- пожалуй, самый известный и популярный реактив. Сухое хлорное железо растворяется в воде до тех пор, пока не будет получен насыщенный раствор золотисто-желтого цвета (для этого потребуется порядка двух столовых ложек на стакан воды). Процесс травления в этом растворе может занять от 10 до 60 минут. Время зависит от концентрации раствора, температуры и перемешивания. Перемешивание значительно ускоряет протекание реакции. В этих целях удобно использовать компрессор для аквариумов, который обеспечивает перемешивание раствора пузырьками воздуха. Также реакция ускоряется при подогревании раствора. По окончании травления плату необходимо промыть большим количеством воды, желательно с мылом (для нейтрализации остатков кислоты). К недостаткам данного раствора следует отнести образование в процессе реакции отходов, которые оседают на плате и препятствуют нормальному протеканию процесса травления, а также сравнительно низкую скорость реакции.