mikrokrmilniŠko krmiljenje vhodnega slabilnika … · bomo narisali v orcad-u in layout-u in s...
TRANSCRIPT
Evgen Kozelj
MIKROKRMILNIŠKO KRMILJENJE VHODNEGA
SLABILNIKA VEKTORSKEGA MERILNIKA
FREKVENČNEGA ODZIVA
Diplomsko delo
Maribor, januar 2009
I
Diplomska naloga visokošolskega študijskega programa
MIKROKRMILNIŠKO KRMILJENJE VHODNEGA
SLABILNIKA VEKTORSKEGA MERILNIKA
FREKVENČNEGA ODZIVA
Študent: Evgen KOZELJ
Študijski program: visokošolski, Elektrotehnika
Smer: Elektronika
Mentor: izr. prof. dr. Rudolf BABIČ, univ.dipl.inž. elektroteh.
Somentor: dr. Davorin OSEBIK, univ. dipl. inž. elektroteh.
Maribor, januar 2009
II
III
ZAHVALA
Največja zahvala gre mentorju - izred. prof. dr.
Rudolfu Babiču ter somentorju dr. Davorinu
Osebiku za njun trud in dragocen čas, ki sta ga
vložila, da sem diplomsko delo lahko uspešno
zaključil. Zahvaljujem se tudi gospodu Antonu
Vesenjaku, dipl. inž. elektroteh. za koristne
nasvete, ki sem jih potreboval v laboratoriju,
da je končni izdelek deloval.
Posebna zahvala je namenjena staršem, ki so mi
študij omogočili, sestrici, ki me je s svojo
nagajivostjo razvedrila in mi dala moči za
nadaljnje delo ter moji punci, ki mi je vseskozi
stala ob strani.
IV
MIKROKRMILNIŠKO KRMILJENJE VHODNEGA SLABILNIKA VEKTORSKEGA MERILNIKA
FREKVENČNEGA ODZIVA
Ključne besede: krmiljenje slabilnika z mikrokrmilnikom, vezalna shema,
tiskano vezje in načrtovanje tiskanih vezij, programator
UDK: 621.317.76(043.2)
Povzetek
V diplomski nalogi sta prikazana risanje in realizacija načrtov tiskanih vezij za
vhodni slabilnik vektorskega merilnika frekvenčnega odziva, ki je krmiljen s pomočjo
mikrokrmilnika ATmega128. Programiran je s pomočjo ISP programatorja, ki omogoča
programiranje že vgrajenega mikrokrmilnika. Naloga temelji na preizkušanju
visokofrekvenčnih analognih stikal, katerih aktivni izhodi so povezani v π izvedbo
slabilnika, ki naj bi določal slabljenje 40dB do frekvence 1GH z dvema kanaloma.
Načrti so projektirani v programskem paketu OrCAD.
V
MICROCONTROLLER CONTROL OF THE INPUT ATTENUATOR OF VECTOR FREQUENCY
RESPONSE METER
Key words: Control attenuator with microcontroller, binding scheme, printed
circuit design and printed circuits, developer
UDK: 621.317.76(043.2)
Abstract
The Graduate task is shown drawing and realization of plans printed circuit boards
for the input attenuator vector frequency response meter, which is controlled by means
of microcontroller ATmega128. Programmable is through ISP developer, which allows
programming already embedded microcontroller. The task is based on the examination
high analog switches, active outputs which are connected in π attenuator execution,
which should by provided weakening 40dB to 1GHz frequency with two channels. The
plans are designed in OrCAD software package.
VI
VSEBINA
1 UVOD ............................................................................................................................................- 1 -
2 ZASNOVA MERILNIKA FREKVENČNEGA ODZIVA........................................................- 2 -
2.1 Lastnosti................................................................................................................................- 2 -
2.2 Blokovna shema ....................................................................................................................- 3 -
3 KOMPONENTE...........................................................................................................................- 5 -
3.1 Visokofrekvenčna analogna stikala ADG936 .......................................................................- 5 -
3.1.1 Načrtovanje slabilnika s stikali ADG936......................................................................... - 9 -
3.1.2 Izračun vrednosti elementov slabilnika.......................................................................... - 12 -
3.2 Mikrokrmilnik ATMEL ATmega128....................................................................................- 14 -
3.2.1 ATMEGA128 vmesna ploščica (adapter board) ............................................................ - 15 -
3.2.2 Lastnosti mikrokrmilnika ............................................................................................... - 15 -
3.2.3 Mikrokrmilnik in njegova priključitev ........................................................................... - 18 -
3.3 Vmesnik za programiranje ATmega 128.............................................................................- 21 -
3.3.1 Programiranje s programom PonyProg .......................................................................... - 24 -
3.4 MODUL ZA PRIKAZ IZMERJENIH VREDNOSTI ............................................................- 27 -
3.4.1 LCD prikazovalnik DEM 16216.................................................................................... - 27 -
3.4.2 Povezava prikazovalnika LCD z mikrokrmilnikom ........................................................... - 30 -
3.5 USB Vmesnik ......................................................................................................................- 31 -
3.5.1 Priključitev USB naprav ................................................................................................ - 32 -
3.5.2 USB vodnik.................................................................................................................... - 32 -
3.5.3 Prednosti in slabosti USB-ja: ......................................................................................... - 33 -
3.5.4 Načrtovanje vmesnika USB ........................................................................................... - 34 -
4 NAPAJANJE VEZJA ................................................................................................................- 37 -
5 UPORABA SMD KOMPONENT.............................................................................................- 40 -
5.1 Izbira spajkalnika ...............................................................................................................- 40 -
6 NAČRTOVANJE TISKANIH VEZIJ......................................................................................- 43 -
6.1 Pravila načrtovanja tiskanih vezij ......................................................................................- 44 -
6.2 Osnovni napotki načrtovanja PCB (printed circuit board – tiskano vezje) ........................- 44 -
6.3 Problem elektromagnetne združljivosti...............................................................................- 45 -
6.4 Načrtovanje linij .................................................................................................................- 46 -
7 NAČRTOVANJE V PROGRAMSKEM PAKETU ORCAD.................................................- 47 -
VII
7.1 Program Capture................................................................................................................- 47 -
7.2 Program Layout..................................................................................................................- 48 -
7.2.1 Načrtovanje v Layout-u.................................................................................................. - 48 -
8 IZDELAVA TISKANINE .........................................................................................................- 53 -
9 NAČRTI IN VEZALNE SHEME .............................................................................................- 55 -
10 REZULTATI ..............................................................................................................................- 58 -
10.1 Načrti v programu Layout ..................................................................................................- 58 -
10.2 Izdelane tiskanine ...............................................................................................................- 61 -
10.3 Izmerjene karakteristike......................................................................................................- 63 -
10.4 Karakteristike visokofrekvenčne izvedbe atenuatorja.........................................................- 63 -
11 ZAKLJUČEK .............................................................................................................................- 65 -
PRILOGE:............................................................................................................................................- 67 -
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 1
1 UVOD
V diplomskem delu bomo nadgradili vektorski merilnik frekvenčnega odziva z
mikrokrmilniškim krmiljenjem vhodnega slabilnika (atenuatorja). V ta namen bomo
namesto mehanskih uporabili analogna elektronska stikala ADG936 ter mikrokrmilnik
ATmega128. Na aktivne izhode visokofrekvenčnih analognih stikal je povezana π
izvedba slabilnika z izračunanimi vrednostmi uporov. S temi vrednostmi bomo
zagotovili slabljenje -20dB vsakega slabilnika. Uporabili bomo dva kanala in v vsakem
uporabili dva visokofrekvenčna analogna stikala s povezanim slabilnikom. Doseči
moramo skupno slabljenje vezja -40dB z dvema kanaloma.
Vezje je namenjeno zanesljivemu delovanju od najnižjih do visokih frekvenc
(≈1GHz). Za dosego cilja delovanja pri visokih frekvencah, same minimizacije vezja,
minimalnega vpliva parazitnih kapacitivnosti in zanemarljivega šuma bomo uporabili
SMD elemente.
Zaradi medsebojnega vpliva analognega in digitalnega dela vezja bomo analogna
stikala s priključenim slabilnim vezjem popolnoma ločili od mikrokrmilnika in ostalih
digitalnih komponent. Pri samem načrtovanju visokofrekvenčnega dela vezja moramo
biti pozorni na načrtovanje čim krajših povezav med elementi, da ne pride do
nepotrebnih motenj in s tem nižanja slabljenja pri visokih frekvencah. Potrebne načrte
bomo narisali v OrCAD-u in Layout-u in s pomočjo rezkalnega stroja izdelali tiskano
vezje, na katero bomo »prispajkali« vse potrebne elemente.
V drugem poglavju je zasnovana sestava merilnika frekvenčnega odziva, njegovo
delovanje in lastnosti. V tretjem poglavju so opisane vse sestavne komponente. Opisano
je tudi načrtovanje v programskem paketu OrCAD, programiranje s programom Pony
Prog in izdelava končnega tiskanega vezja. Za boljšo predstavo o realizaciji vezja in
njegovem delovanju so poglavja dopolnjena s shemami in razlago.
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 2
2 ZASNOVA MERILNIKA FREKVENČNEGA ODZIVA
Merilnik frekvenčnega odziva je naprava za merjenje amplitudnega in faznega
odziva električnih vezij v odvisnosti od frekvence [2]. Njegova pomembna lastnost je
uporabnost v širokem frekvenčnem območju od nizkih do visokih (≈1GHz) frekvenc.
Pomembno vlogo imata tudi izbira visokofrekvenčnih (VF) stikal in izvedba vhodnega
slabilnika.
2.1 Lastnosti
Merilnik frekvenčnega odziva ima naslednje električne lastnosti in merilna območja:
merjenje logaritemskega ojačenja v obsegu vsaj 60dB (decibelov),
merjenje faznega kota od -180º do +180º,
delovanje v frekvenčnem pasu od nekaj Hz do ≈ 1GHz
velika vhodna upornost (3kΩ),
absolutna napaka 1dB za grafično metodo analize stabilnosti
odstopanje za 5º v kotu.
Zahteve za uporabo merilnika pri visokih frekvencah, za merjenje slabljenj na
telekomunikacijskih vodih, za merjenje ojačenj in faznega kota linijskih ojačevalnikov
ter visokofrekvenčnih video ojačevalnikov :
frekvenčna meja pri merjenju ojačenja ≈ 1GHz,
merjenje v 50 ohmskih sistemih in
možnost večanja vhodnega in izhodnega območja po stopnjah za 20dB.
Ojačenje je lastnost ojačevalnika, ki je definiran kot razmerje amplitud in efektivnih
vrednosti. Decibel (okrajšava dB) je enota brez dimenzije, s katero izražamo razmerje
med spremenljivo količino in fiksno referenco. Ker se za izračun uporablja logaritem, je
z njim mogoče izraziti zelo velik razpon razmerij z relativno majhnimi števili. Kadar se
nanaša na meritve moči ali intenzitete, je:
[ ]dBX
XA
0
log10 ⋅= . (1.1)
Če pa se nanaša na meritve amplitude, je:
[ ]dBX
XA
0
log20 ⋅= . (1.2)
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 3
0X je referenčna vrednost z enoto enako kot vrednost X .
V našem primeru, če sta vhodna in izhodna impedanca enaki, sledi enačba:
[ ]dBu
uA
vh
izhlog20 ⋅= . (1.3)
2.2 Blokovna shema
Merilnik frekvenčnega odziva je izveden z dvema ojačevalnima kanaloma z enako
občutljivostjo in enako vhodno upornostjo. Signal potuje po posameznem kanalu preko
analognih stikal na logaritemski ojačevalnik, ki je v integriranem vezju AD8302 [1].
Izhodni signal amplitudne stopnje je sorazmeren logaritmu ojačenja, izhodni signal
fazne stopnje pa razliki faznih kotov dveh vhodnih signalov. Želen širok dinamični
obseg vhodnih signalov pa razširimo z vgraditvijo slabilnikov, narejenih s pomočjo
izbranih stikal ADG936 [4]. Slabljenje -40dB dosežemo z večstopenjskim slabilnikom,
pri čemer pa je treba obdržati zahtevano vhodno upornost 50Ω. Potrebno ojačenje
amplitudne enote je prilagojeno na najmanjši, velikost slabljenja slabilnika pa na
največji vhodni signal. Načrtovanje in izvedba slabilnika sledita v nadaljevanju.
V posebni stopnji izhodni signal amplitudne enote ojačimo in prilagodimo na LCD
modul oz. prikazovalnik. Dodano pomožno vezje tako omogoča prikazovanje ojačenja
in faznega kota. Izmerjene vrednosti na matričnem prikazovalniku krmili mikrokrmilnik
z A/D pretvorbo.
Napajanje dodatnega vezja je oskrbljeno iz vezja merilnika frekvenčnega odziva.
Napetost s pomočjo stabilizatorjev napetosti in dodatnega vezja priredimo v nam
uporabne napetosti (5V, 3,3V in 2,5V).
Slika 2.1 prikazuje blokovno shemo mikrokrmilniško krmiljenega vhodnega
slabilnika merilnika frekvenčnega odziva, LCD prikazovalnika, ISP programatorja ter
USB vmesnika. Z zeleno barvo je označen obstoječi vektorski merilnik frekvenčnega
odziva, z modro sestava nadgradnje merilnika in z oranžno barvo komponente za
nadaljnje projektno delo – povezavo z računalnikom (prenos podatkov na računalnik) in
prikaz na LCD prikazovalniku.
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 4
Slika 2.1: Blokovna shema mikrokrmilniške nadgradnje vektorskega merilnika
frekvenčnega odziva (označeno v modri barvi)
Medtem, ko imamo pri nizkofrekvenčnih aplikacijah opraviti z visoko-ohmskimi
napetostnimi vhodi, moramo pri visokofrekvenčnih signalih poskrbeti za impedančno
prilagoditev tako generatorjev signalov kot signalnih vhodov na prenosni medij, ki je v
našem primeru koaksialni kabel z impedanco 50Ω. Veliko pozornosti smo s tem
namenili visokofrekvenčnemu delovanju merilnika. Slednje je pripeljalo do
projektiranja dodatnega vezja in uporabe ustreznih komponent, ki jih uporabimo pri
visokih frekvencah (okoli 1GHz) z zahtevano karakteristično impedanco in pravilno
ozemljitvijo.
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 5
3 KOMPONENTE
V nadaljevanju so opisane sestavne komponente, ki jih potrebujemo pri nadgradnji
vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva.
3.1 Visokofrekvenčna analogna stikala ADG936
ADG936/ADG-936-R analogno stikalo je idealna rešitev za nizkonapetostne in
visokofrekvenčne aplikacije [4]. Zelo majhne izgube, visoka zaščita vhodov, majhna
popačenja in majhna tokovna poraba so ene izmed glavnih značilnosti stikal
visokofrekvenčnega spektra. Lahko se uporabljajo v aplikacijah stikalnih filtrov,
oddajnih in sprejemnih radarjih ter za komunikacijo sistemov med glavno postajo in
mobilnimi telefoni. Družina širokopasovnih stikal ADGxx je načrtovana glede na
zahtevnost oddajnih naprav v ISM (angl. Industrial, Scientific and Medical)
frekvenčnem območju do frekvenc 1GHz in celo višje. Ta frekvenčna območja so
mednarodno določena za uporabo v industriji, znanosti in medicini. Nadzor posameznih
vhodov, nepotrebnost razklopnih kondenzatorjev in TTL tehnologija uvrščajo serijo
stikal v nižji cenovni razred in med vezja, ki so enostavna za uporabo. Stikalo ADG936
odlikuje 50Ω povezava vhodov.
Slika 3.1: Shema visokofrekvenčnega stikala ADG936
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 6
Slika 3.1 prikazuje izvedbo visokofrekvenčnega stikala z analognim stikalom
ADG936, katerega izhoda RF2A ter RF2B bomo povezali s π izvedbo slabilnika.
Analogno stikalo ADG936 lahko uporabljamo kot visokofrekvenčno stikalo
signalov dveh različnih filtrov za združevanje signalov na izhodu. Uporablja se lahko
tudi v mrežnih aplikacijah. Je zelo primerno kot oddajno/sprejemno stikalo v vseh ISM
območjih in LAN aplikacijah ter zagotavlja ustrezno zaščito med oddajnim in
sprejemnim stanjem. Uporablja se tudi kot antena in kot preklop med aplikacijami
radijskih modulov.
Slika 3.2: Uporaba v LAN aplikacijah
Diagram (slika 3.3) prikazuje slabljenje stikala do odklopljene veje oz. presluh med
RFC in RF1 oz. RF2, merjeno v dB v odvisnosti od frekvence. Stikalo ADG936
zagotavlja dušenje 36dB pri frekvenci 1GHZ.
Slika 3.3: Slabljenje stikala odklopljene veje v odvisnosti od frekvence
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 7
Diagram (slika 3.4) prikazuje slabljenje stikala do sklopljene veje, merjeno v dB, v
odvisnosti od frekvence. Stikalo tako zagotavlja zelo majhne izgube, pri frekvenci
1GHz nekaj manj kot 0,9dB. Z neustreznim načrtovanjem signalnih linij lahko izgube v
področju visokih frekvenc bistveno poslabšamo.
Slika 3.4: Slabljenje stikala sklopljene veje v odvisnosti od frekvence
Pri izbiri stikal in njihovega delovanja moramo biti zelo pazljivi, da ne prekoračimo
maksimalnih vrednosti tokov in napetosti, predpisanih za pravilno uporabo. Slika 3.4
prikazuje razporeditev in pomen posameznih priključkov. Zelo pazljivi moramo biti pri
načrtovanju vezja, saj imata ti dve verziji stikala različni razporeditvi sponk.
Slika 3.5: Opis pomena posameznih priključnih sponk stikala ADG936
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 8
Po izbiri stikala nam preostane samo še izbira ohišja. Ker načrtujemo vezje, ki bo
delovalo do visokih (≈1GHz) frekvenc, je izbira ohišja stikal, njihova namestitev na
tiskanini ter dolžina in oblika povezovalnih linij zelo pomembna. Na izbiro imamo dve
ohišji z dvajsetimi priključki: ohišje TSSOP (angl. Thin-Shrink Small Outline Package)
(slika 3.6) in ohišje LFCSP (angl. Lead Frame Chip Scale Package) (slika 3.7).
Slika 3.6: Ohišje TSSOP
Slika 3.7: Ohišje LFCSP
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 9
Slika 3.8: Notranjost TSSOP ohišja
Za ohišje TSSOP smo se odločili predvsem zaradi oblike in dimenzij stikala, saj smo
morali za izvedbo tiskanega vezja izdelati tudi podnožje (ang. Footprint).
3.1.1 Načrtovanje slabilnika s stikali ADG936
Sámo načrtovanje slabilnika smo izvedli s pomočjo programskega paketa OrCAD in
stikali ADG936.
Splošno
Slabilnik je posebno četveropolno vezje, ki slabi vhodni signal in ima želeno vhodno
in izhodno upornost [1]. Ta lastnost je pomembna predvsem pri visokih frekvencah
zaradi impedančnega prilagajanja. Slabilnik mora ohranjati tudi fazno stanje signala.
Najbolj poznani izvedbi slabilnika sta vezavi π in T. Prejšnje raziskave ugotavljajo, da T
izvedba slabilnika ni podala zadovoljivih rezultatov, zaradi česar smo v našem primeru
uporabili π izvedbo.
Slika 3.9: Izvedba slabilnika
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 10
S primerno izbiro uporov dosežemo želeno slabljenje in vhodno impedanco. Večja
slabljenja lahko ustvarimo s kaskadno vezavo celic. Kvaliteten slabilnik morata poleg
natančne delitve odlikovati predvsem frekvenčna neodvisnost in nizek šum. To zahteva
uporabo natančnih, nizkošumnih in frekvenčno neodvisnih uporov. Sevanje v prostor je
onemogočeno z dobro izvedenim oklopom.
Pri izpeljavi izraza za slabljenje smo upoštevali impedančno prilagoditev oziroma
dejstvo, da sta generatorjeva in vhodna upornost slabilnika ter bremenska in izhodna
upornost slabilnika enaki. V tem primeru so tokovi in napetosti v enakem razmerju.
Velikost impedance se v praksi giblje med 50Ω in 1500Ω. Parazitne kapacitivnosti
vplivajo na frekvenčni potek slabljenja, zato je dobro, da uporabimo komponente SMD
(angl. Surface-mount devices). Te imajo na splošno kratke priključne nožice in zato
ustrezno manjše parazitne kapacitivnosti. Za zgled smo s pomočjo enačb in spletnega
kalkulatorja [11] izračunali upore obeh izvedb z -20dB slabljenjem in v 50Ω izvedbi. Na
osnovi izračuna smo vrednosti upornosti izbirali z lestvice E24.
Slika 3.10: Prikaz priključitve π izvedbe slabilnika na pravilni priključni sponki
Slika 3.10 prikazuje izvedbo visokofrekvenčnega stikala z analognim stikalom
ADG936, katerega izhoda RF2A ter RF2B sta povezana s π izvedbo slabilnika. Signala
RF1A in RF1B sta povezana med sabo, ker na aktivnost π člena nimata vpliva.
Slika 3.11 prikazuje odvisnost delovanja izhodnih sponk od vhoda INA in INB.
Kadar sta vhoda INA in INB enaka 0, sta aktivni samo izhodni sponki RF2A in RF2B,
RF1A in RF1B pa sta neaktivni. Zaradi tega smo povezali π člen na aktivna izhoda
RF2A in RF2B, RF1A in RF1B sponki pa smo kratkostično povezali med sabo (prikaz
na sliki 3.10).
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 11
Slika 3.11: Prikaz vrednosti izhodnih sponk v odvisnosti od vhoda INA in INB
Ker ima vsako visokofrekvenčno analogno stikalo ADG936 svoja vhoda INA in
INB, smo sestavili tabeli, v katerih je prikazana odvisnost izhodnih sponk RF1A, RF1B,
RF2A, RF2B od INA in INB vhoda. Prikazani sta tabeli za vsako stikalo kanala A.
Tabela 1: Vrednosti izhodnih sponk v odvisnosti od vhoda INA in INB za prvo stikalo
KANAL A - prvo analogno stikalo ADG936
INA INB RF1A RF2A RF1B RF2B
0 0 Off On Off On
0 1 Off On On Off
1 0 On Off Off On
1 1 On Off On Off
Tabela 2: Vrednosti izhodnih sponk v odvisnosti od vhoda INA in INB za drugo stikalo
KANAL A - drugo analogno stikalo ADG936
INA INB RF1A RF2A RF1B RF2B
0 0 Off On Off On
0 1 Off On On Off
1 0 On Off Off On
1 1 On Off On Off
Da je π člen aktiven, morata biti signala RF2A in RF2B prvega in drugega
analognega elektronskega stikala ADG936 aktivna, to pa se pojavi v primeru, če vhoda
INA in INB priključimo na maso (logična "0").
Enaki tabeli veljata za kanal B, saj je ta sestavljen iz dveh enakih analognih stikal
ADG936.
Na izhodne sponke vsakega stikala je priključen π člen. Povezava teh dveh π
členov je prikazana na sliki 3.12. Prikazane so možnosti različnih meritev slabljenja. Na
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 12
prvem položaju meritev prikazuje skupno slabljenje obeh členov, na drugem slabljenje
samo prvega člena, na tretjem slabljenje samo drugega člena in na četrtem brez
povezave π člena, kar predstavlja slabljenje 0dB.
Slika 3.12: Prikaz različnih možnosti merjenja slabljenja π člena
• Vhod 1 izhod 1: Celotno slabljenje kanala A -40dB • Vhod 2 izhod 1 : Slabljenje kanala A z drugim π členom slabilnika:
-20dB • Vhod 1 izhod 2 : Slabljenje kanala A s prvim π členom slabilnika:
-20dB • Vhod 3 izhod 3 : Slabljenje kanala A brez slabilnika: 0dB
3.1.2 Izračun vrednosti elementov slabilnika
Za izbrano vrednost slabljenja posameznega člena slabilnika 20dB nam spletni
računalnik [11] izračuna vrednosti uporov Ra in Rb, ki sestavljata posamezen člen.
Slika 3.13: Primer spletnega računalnika π izvedbe slabilnika
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 13
Oznake izračuna π izvedbe slabilnika:
Attenuation - želeno slabljenje v dB
Ra - izračunana vrednost upora Ra v Ω
Rb - izračunana vrednost upora Rb v Ω
Uporabljena upora v našem π členu: Ra = 68Ω in Rb = 221Ω
Tabela 3: Izračun posameznih elementov π člena
Ra v odvisnosti
od Rb (Ω)
Rb(Ω) Ra(Ω)
π celica
1
21
20
2R
RZRa
−=
+
−⋅=
110
11020/
20/
0 A
A
b ZR
−⋅⋅=
110
102
10/
20/
A
A
a ZR
Vezje dvostopenjskega slabilnika sestavljajo štiri visokofrekvenčna analogna
stikala ADG936 in upori vezani v π celico. Pri načrtovanju nam je bila v zelo veliko
pomoč shema dvostopenjskega slabilnika (sliki 3.14 in 3.15). Vezje tako vsebuje po dve
stikali za posamezen kanal in sicer za kanal A in kanal B.
U3A
ADG
ADG936BCP-R
GND20
RF1B7RF1A4
VDD2
RFCB10 RFCA1 INB
12 INA19
GND18
RF2B14RF2A17
GND16 GND15
GND11
GND13
GND9GND8GND6GND5GND3
VHOD_A Vmesni1
AT0
P48
Na mikrokrmilnik
R32
10k
AT4
VDD
P49
R18
61
AT1
R38
10k
R36
10k
VDD
R35
10k
P50
AT2
VDDR12
61
R33
10k
AT7
R37
10k
P45
R17
247
P44
VF del
VDDR21
61
AT5
VF del
P[51..44]AT3
R34
10kAT[7..0]
AT3
P51
P[51..44]
AT6
R11
247
R31
10k
kanal A
P47
P46
AT2
VHOD_A
R15
61
AT0AT1
U4A
ADG
ADG936BCP-R
GND20
RF1B7RF1A4
VDD2
RFCB10 RFCA1 INB
12 INA19
GND18
RF2B14RF2A17
GND16 GND15
GND11
GND13
GND9GND8GND6GND5GND3
Slika 3.14: Shema kanala A z analognimi stikali
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 14
Na sliki 3.14 so uporabljeni tudi predupori z vrednostmi 10kΩ za zmanjšanje
napetosti na vhodu vsakega analognega stikala.
U6A
ADG
ADG936BCP-R
GND20
RF1B7RF1A4
VDD2
RFCB10 RFCA1 INB
12 INA19
GND18
RF2B14RF2A17
GND16 GND15
GND11
GND13
GND9GND8GND6GND5GND3
IZHOD_B
R13
247
AT6
AT5
VDD
VF del
IZHOD_B
Vmesni2
AT4
R19
247VDD
kanal B
R22
61
R14
61
VDD
R20
61
AT7
VDDR16
61
VF del
IZHOD_A
U5A
ADG
ADG936BCP-R
GND20
RF1B7RF1A4
VDD2
RFCB10 RFCA1 INB
12 INA19
GND18
RF2B14RF2A17
GND16 GND15
GND11
GND13
GND9GND8GND6GND5GND3
Slika 3.15: Shema kanala B z analognimi stikali
Zaradi boljše preglednosti in lažjega razumevanja vezja slabilnika je celotno vezje
dodano kot priloga.
3.2 Mikrokrmilnik ATMEL ATmega128
Mikrokrmilnik ATMEL Atmega128 [3] krmili vhodni slabilnik, analogna VF
stikala, delovanje LCD prikazovalnika in omogoča prenos podatkov na osebni
računalnik preko USB vmesnika.
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 15
3.2.1 ATMEGA128 vmesna ploščica (adapter board)
Kot smo že omenili smo za realizacijo modula uporabili mikrokrmilnik ATMEL
ATmega 128. Zaradi večje denarne vrednosti komponente in želje po ponovni uporabi
smo za ta krmilnik naredili posebno ploščico. Na njej je nameščen samo krmilnik,
quartz, kondenzatorji, priključki za glavno ploščo z visokofrekvenčnim delom, reset
vezje ter LED dioda, ki signalizira delovanje ploščice med programiranjem. Zelena
LED dioda sveti, kadar je vezje priključeno na napajanje, rdeča LED dioda pa med
programiranjem. Tretja dioda v vezju je vezana zaporedno k rdeči, da ta ne utripa med
programiranjem. Vsi ostali priključki so speljani na glavno ploščico.
3.2.2 Lastnosti mikrokrmilnika
ATmega128 je relativno zmogljiv 8-bitni mikrokrmilnik, z majhno porabo (CMOS
tehnologija) in AVR RISC (angl. Reduced Instruction Set Computer) arhitekturo.
Zunanje 8-bitno vodilo določa število prenesenih bitov med pomnilniškim in V/I
(vhodno/izhodnim) strojnim ciklom. Večina inštrukcij se izvrši v enem ciklu ure, tako je
količnik MHz/MIPS enak 1. Na voljo ima relativno veliko pomnilniškega prostora –
128k znakov. Dodaten vzrok za izbiro krmilnika ATmega128 je zelo dobro programsko
orodje AVR Studio.
Mikrokrmilnik je programirljiv, saj ga lahko programiramo okoli 10.000 krat, kar je
zelo primerno za razvoj testnih plošč in prototipov. AVR jedro ponuja 32 poljubno
namenskih registrov. ALU (aritmetično logična enota) lahko dostopa do vseh registrov.
Aritmetično logična enota izvaja aritmetične in logične operacije na operandih.
Operandi se začasno hranijo v registrih, v katere se po izvršeni operaciji shrani tudi
rezultat. V enem urinem ciklu sta dostopna dva različna neodvisna registra.
Lastnosti:
• 128k znakov v sistemu programirljivega pomnilnika za programiranje (full duplex
možnost)
• 4k znakov EEPROM pomnilnika
• 4k znakov SRAM pomnilnika; v SRAM-u je bitna celica pomnilniški element,
sestavljen iz več tranzistorjev. Je zelo dobra izbira za aplikacije, ki potrebujejo majhne
pomnilnike, s hitrimi časi dostopa pa ga lahko uporabljamo kot hitre vmesne
pomnilnike.
• 53 poljubno namenskih vhodov/izhodov
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 16
• JTAG priključek za linijske prekinitve
• ura realnega časa (RTC)
• 2 x 8-bitni uri/števca
• 2 x razširjeni 16-bitni uri/števca
• 2 x 8-bitna pulzno širinska modulacija kanala (PWM, ang. Pulse-Width
Modulation)
• 6 programirljivih PWM kanalov od 2 do 16 bitov
• Interne in eksterne prekinitve (interrupte)
• Serijski UART
• 10 bitni A/D pretvornik
• interni RC oscilator
• možnost programske nastavitve frekvence ure
• SPI serijski priključek
• zaščita pred nezaželenimi prekinitvami in nizkonapetostna zaščita
• Možnost internega oscilatorja
• 4,5V – 5,5V napajanje
Slika 3.16: Razporeditev priključkov mikrokrmilnika
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 17
Slika 3.17: Shema priključitve mikrokrmilnika ATmega128
Slika 3.18: Blokovna shema ATmega128
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 18
3.2.3 Mikrokrmilnik in njegova priključitev
Na mikrokrmilnik so priključene naslednje komponente:
Kristal. Mikrokrmilnik ima vgrajen notranji oscilator, zato uporabljamo
tipično vezje s kristalom in dvema kondenzatorjema. Tipične vrednosti
kondenzatorjev so okoli 20pF, v našem vezju uporabljeni vrednosti sta
22pF. Kondenzatorja zagotavljata, da bo kristal osciliral na ustrezni
frekvenci po vklopu napajanja. Da bi zmanjšali stresene kapacitivnosti,
moramo kristal in druge diskretne komponente namestiti čim bliže
ustreznim priključkom.
Q1
16MHz
P23
P24
C1
22pF
C2
22pF
Slika 3.19: Priključitev kristala na mikrokrmilnik
Priključki za glavno ploščico. Označitev nogic konektorjev (P1 do P64) je
enaka označitvi na glavni ploščici zaradi nepotrebnih težav pri priključitvi
programiranega mikrokrmilnika.
P60
P21
P49
P45
P31
J2
Con P17-P32
1 23 45 67 89 10
11 1213 1415 1617 1819 20
P43
P23
P63
P15
P6
P18
P22
J3
Con P33-P48
1 23 45 67 89 10
11 1213 1415 1617 1819 20
P37
P64
P27P25
P35
P5P24
P32
P57
P33
P14
P19
P12
P7
P2
P29
P61
P50P51
P38
P47
P8
P20
P16
J1
Con P1-P16
1 23 45 67 89 10
11 1213 1415 1617 1819 20
J4
Con P49-P64
1 23 45 67 89 10
11 1213 1415 1617 1819 20
P48P46
P9
P1
P56
P4
P53
P11
P39
P17
P59P41
P36
P40
P10
P13 P30
P26
P54P55
P28
P52
P3
P58
P34
P42P44
P62
P[64..1]
Slika 3.20: Konektorji, ki povezujejo mikrokrmilnik in glavno ploščico
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 19
Konektor za programiranje. Poimenovani nogici konektorja P2 in P3 sta
povezani na PE0 in PE1 mikrokrmilnika, ki sta njegova glavna priključka
za programiranje (MOSI in MISO – podrobnosti v naslednjem poglavju 3.3
Vmesnik za programiranje).
VCC
J5
12345678910
P20
P11
P2P3
Slika 3.21: Konektor za programiranje mikrokrmilnika
Signalizacija programiranja. Prižgana LED dioda signalizira potek
programiranja mikrokrmilnika.
VCC
R3 470
LED1
Slika 3.22: LED dioda za signalizacijo programiranja
Reset vezje. Sestavljeno je iz RC člena (integrator, zaporedna vezava
upora in kondenzatorja) in tipke za »resetiranje« vezja. Časovna konstanta,
ki jo tvorita upor in kondenzator, mora biti večja od časa, ki ga potrebuje
mikrokontroler za zagon oscilatorja ob vklopu, to je nekaj ms (mili sekund).
Časovna konstanta v tem primeru je:
=τ R*C
R = 4,7kΩ
C = 100nF
τizr.=R⋅C=4,7kΩ * 100nF = 470µs ,
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 20
kar zadošča za pravilen zagon. Reset linija mora biti (za njeno pravilno
delovanje) vsaj dva urina cikla na nizki logični ravni.
C6
100nF
R1
4K7
Reset
vezje
VCC
SW1
Tipka
12
P20
Slika 3.23: Reset vezje
P39P40P41P42
P20
P1
P19
P43P18
P34P33
P62
C6
100nF
IC1
ATmega128
PB0 (SS)10
PB1 (SCK)11
PB2 (MOSI)12
PB3 (MISO)13
PB4 (OC0)14
PB5 (OC1A)15
PB6 (OC1B)16
PB7 (OC2/OC1C)17
PC0 (A8)35
PC1 (A9)36
PC2 (A10)37
PC3 (A11)38
PC4 (A12)39
PC5 (A13)40
PC6 (A14)41
PC7 (A15)42
(SCL/INT0) PD025
(SDA/INT1) PD126
(RxD1/INT2) PD227
(TxD1/INT3) PD328
(IC1) PD429
(XCK1) PD530
(T1) PD631
(T2) PD732
(RxD0/PDI) PE02
(TxD0/PDO) PE13
(XCL0/AIN0) PE24
(OC3A/AIN1) PE35
(OC3B/INT4) PE46
(OC3C/INT5) PE57
(T3/INT6) PE68
(IC3/INT7) PE79
(TDI/ADC7) PF754(TDO/ADC6) PF655(TMS/ADC5) PF556(TCK/ADC4) PF457(ADC3) PF358(ADC2) PF259(ADC1) PF160(ADC0) PF061
PA7 (AD7)44 PA6 (AD6)45 PA5 (AD5)46 PA4 (AD4)47 PA3 (AD3)48 PA2 (AD2)49 PA1 (AD1)50 PA0 (AD0)51
(WR) PG033
(RD) PG134
(ALE) PG243
(TOSC2) PG318
(TOSC1) PG419
AVCC64
AREF62
RESET20
PEN1
XTAL124
XTAL223
VC
C21
VC
C52
GN
D22
GN
D53
GN
D63
P54P55P56P57
Q1
16MHz
P58
C4
100nF
C5
100nF
P59
R1
4K7
R2
OR
P60
P23
P61
P9P8P7
Reset
vezje
Konektor za
programiranje
P6P5
P24
P4P3P2
P32
P21
P31VCC
P25
P30
P26
P52
P27P28
J5
12345678910
P23
P29
VCC
P24
P64VCC
P20
P11
P2
VCCSW1
Tipka
12
R3 470
LED1P64
P60
P21
P49
P45
P31
J2
Con P17-P32
1 23 45 67 89 10
11 1213 1415 1617 1819 20
P43
P23
P63
P15
P6
P18
P22
J3
Con P33-P48
1 23 45 67 89 10
11 1213 1415 1617 1819 20
P37
P64
P27P25
P35
P5P24
P32
P57
P33
P14
P19
P12
P7
P2
P29
P61
P50P51
P38
P47
P8
P20
P16
J1
Con P1-P16
1 23 45 67 89 10
11 1213 1415 1617 1819 20
C1
22pF
P51
J4
Con P49-P64
1 23 45 67 89 10
11 1213 1415 1617 1819 20
P48P46
P9
P1
P56
P50
P4
P53
P11
P39
P17
P59P41
P36
P40
P10
P13 P30
C3
100nFP26
P54P55
P28
P52
P3
P58
P34
P42
P3
P44P62
VCC
P63P53
VCC
P49
P22
P48
C2
22pF
P47P46
P20
P45P44
P10
P[64..1]
P11P12P13P14P15P16P17
P35P36P37P38
Slika 3.24: Celotna shema mikrokrmilnika za programiranje
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 21
3.3 Vmesnik za programiranje ATmega 128
Da lahko programiramo vezje, ki je že »prispajkano« na tiskanino in mu lahko
pozneje tudi spreminjamo kodo, ne da bi ga bilo treba vzeti iz podnožja oz. ga celo
»odspajkati«, uporabimo t.i. ISP (In System Programmable) vezje. ISP vmesnik je
namenjen priključitvi na LPT (tiskalniški) vmesnik PC računalnika. Vezje je združljivo
z izvornim vezjem za STK 200 razvojno AVR ploščo. Zaradi tega ga podpira več
programov za programiranje (npr. PonyProg), kakor tudi nekatera okolja prevajalnikov
(npr. Bascom AVR, Code Vision AVR in drugi). Za programiranje našega
mikrokrmilnika smo uporabili program PonyProg.
Slika 3.25: Shema ISP vmesnika za programiranje
Vezje ni samo za nalaganje končne verzije kode v mikrokrmilnik, ampak predvsem
za njen razvoj. Z ISP podporo je zagotovljeno najmanj 1000 ciklov programiranja, kar
običajno zadostuje za dokončanje enega projekta. To še posebej velja, če smo pri
programiranju skrbni in ne vpisujemo nove verzije, dokler nismo prepričani, da
spremenjeni del deluje v skladu s pričakovanji.
Glavni del vezja je IC 74HC245 - dvosmerni linijski ojačevalnik. Prav tako bi lahko
uporabili 74HC244, še primernejši pa bi bil 74HC125. Vezje dobi preko sponke 5 na
DB25 priključku signal, da preide iz stanja visoke impedance v aktivno stanje. Istočasno
mora biti aktiviran signal RESET. Preko signalov MISO, MOSI in SCK se koda po
določenem protokolu naloži v vezje. Zanki 2 – 12 in 3 - 11 sta namenjeni diagnostiki,
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 22
da program zazna prisotnost vmesnika na LPT. Vmesnik se napaja iz ciljnega sistema,
delno zaščito pred raznimi pozabljivostmi ob priključitvi zagotavlja Schottky dioda
BAT 85 z minimalnim padcem napetosti na njej.
Bistvo delovanja vmesnika je, da ob programiranju priključi nogice MISO, MOSI in
SCK na nogice mikrokrmilnika, v normalnem delovanju pa so izhodi v stanju visoke
impedance. Potreben je še signal RESET, ki mikrokrmilnik postavi v način delovanja,
ki omogoča programiranje in istočasno postavi vse njegove izhode v stanje visoke
impedance.
Slika 3.26: Načrt vmesnika z zaščitnimi upori
Slika 3.27: Razpored signalov na priključku za programiranje
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 23
Opis posameznih priključnih sponk programatorja:
Napajanje +5 ali 3.3V – Target Power (napajanje). Za programiranje
mikrokontrolerja dobi ISP preko tega pina napajanje 5 ali 3.3V iz ciljnega
vezja.
RESET – Reset Target MCU AVR. Pri ISP programiranju
mora biti AVR reset aktiven. ISP programator kontrolira ciljni AVR reset.
SCK – Serial Clock. Programska ura, generirana v ISP
programatorju.
MISO – Master In-Slave Out. Komunikacijska linija od
ciljnega AVR-ja (Slave) k ISP programatorju (Master).
MOSI – Master Out-Slave In. Komunikacijska linija od
ISP programatorja (Master) k ciljnemu AVR-ju (Slave), ki ga programiramo.
GND – Ground (masa). Masi obeh sistemov morata biti
povezani.
V načrtu vmesnika za programiranje je uporabljen konektor z desetimi nogicami.
Označeni parni (2, 4, 6, …) priključki so med seboj povezani in priključeni na maso.
Zaradi tega smo uporabili pri načrtovanju v OrCAD-u konektor s samo šestimi
priključki in sedaj uporabljen konektor ima naslednji razpored signalov:
Slika 3.28: Razpored signalov, uporabljen v našem načrtu za ISP vmesnik
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 24
Vcc
GND
R5 56E
D3
1N4148
R9 56E
+
C122uF/25V
R11 56E
D1
LED rdeca
GND
Vcc
GND
Vcc
R2 220E
R7
470E
R4 220E D4
BAT85
D2
LED zelena
Vcc
J3
VCC
12
R10 56E
R8
10K
R3 220E
J1
DB25M
12345678910111213141516171819202122232425
GND
R6
470E
Vcc
GND
Vcc
R12
220E
Vcc
J2
123456
U1
74HC245
23456789
191
1817161514131211
A0A1A2A3A4A5A6A7
OEDIR
B0B1B2B3B4B5B6B7
GND
J4
GND
12
R1 220E
Slika 3.29: Načrt ISP vmesnika pa programiranje
3.3.1 Programiranje s programom PonyProg
Vmesnik vstavimo v DB-25 priključek za tiskalnik. S ciljnim sistemom ga
povežemo s ploskim kablom. Ta naj bo izdelan tako, da je sponka 1 na enem koncu
kabla povezana s sponko 1 na drugem koncu kabla, sponka 2 z 2 itn. .
Program deluje v vseh operacijskih sistemih: Windows 95, Windows 98, Windows
NT, Windows 2000. V slednjih dveh je namreč treba aktivirati poseben gonilnik za
neposreden dostop do V/I enot, operacijski sistem namreč tega neposredno ne dovoljuje.
Na srečo to opravi PonyProg sam. Po zagonu programa najprej v meniju Setup/Inteface
setup izberemo nastavitve za naš vmesnik (slika 3.30) .
Slika 3.30: Izbira vmesnika
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 25
V primeru, da bi programirali vezje, pri katerem je RESET vhod aktiven v visokem
nivoju (npr. 89S8252), je potrebno označiti polje Invert Reset. Zatem moramo program
tudi kalibrirati – prilagoditi hitrosti našega računalnika (Slika 3.31).
Slika 3.31: Kalibracija
To storimo v meniju Setup/Calibration. Pomembno je, da med kalibracijo teče samo
PonyProg, vse ostale programe začasno zapremo. Ob koncu kalibracije nas čaka
obvestilo (Slika 3.32).
Slika 3.32: Uspešen konec kalibracije
Pred nalaganjem kode v ciljni sistem moramo izbrati tip mikrokrmilnika (Slika
3.33).
Slika 3.33: Izbira ciljne naprave
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 26
Zatem preberemo datoteko s kodo, ki jo želimo vpisati v mikrokrmilnik. Če gre
za vsebino programskega pomnilnika, izberemo File/Open Program (FLASH) File…
oziroma File/Open Data (EEPROM) File... v primeru vsebine EEPROM-a (Slika 3.34).
Slika 3.34: Izbira datoteke s programsko kodo
Program pozna HEX, MOT, BIN, ROM in druge zapise kode. Med razvojem je
najenostavneje imeti PonyProg ves čas aktiven; ko enkrat naložimo kodo s kombinacijo
tipk Ctrl-L (Reload), naložimo novo verzijo iste datoteke. Programiranje poženemo s
Command/Write Program (FLASH), če gre samo za vsebino programskega pomnilnika,
s Commmand/ Write Data (EEPROM) za vsebino EEPROM-a ali celo s
Command/Write All v primeru obojega (Slika 3.35).
Slika 3.35: Zagon vpisa v ciljni mikrokrmilnik
Program najprej kodo vpiše, jo preveri in nas obvesti o uspešnem vpisu (vsi
postopki so prikazani na sliki 3.36).
Slika 3.36: Vpis, preverjanje vpisa in uspešnost vpisa
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 27
3.4 MODUL ZA PRIKAZ IZMERJENIH VREDNOSTI
Osnovna naloga modula za prikaz izmerjenih vrednosti je sprejem analognih
vrednosti in generiranje analognih ter digitalnih signalov. Funkcije opravljamo s
pomočjo mikrokrmilnika ATMEGA 128.
3.4.1 LCD prikazovalnik DEM 16216
Za številčni prikaz izmerjenega ojačenja in faznega kota smo izbrali LCD (angl.
Liquid Cristal Display) prikazovalnik DEM 16216 SGH [5]. Slika 3.37 prikazuje
blokovno shemo panelnega LCD prikazovalnika, ki omogoča dvovrstični točkovni
prikaz.
Slika 3.37: Blokovna shema LCD prikazovalnika
Za komunikacijo mikrokrmilnika in LCD modula uporabimo 8-bitno povezavo.
Napajalno napetost Vdd lahko izberemo v območju med 2,7 in 5,5V, kar zadošča za
našo izvedbo napajalnih napetosti. Sponka V0 omogoča priklop potenciometra za lažje
uravnavanje napetosti na kristalu. Programiranje prikazovalnika LCD izvajamo s
sponkama RS in R/W. Slednji določata izbiro statusnega ali podatkovnega registra. R/W
(Read/Write) označuje smer prenosa podatkov. V odvisnosti od stanja R/W 1 oz. 0,
mikrokrmilnik bere oz. piše podatke naslovljene lokacije.
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 28
Slika 3.38: Razporeditev priključkov modula LCD DEM16216SGH in njihova
funkcionalnost
Pomemben podatek pri izdelavi tiskanega vezja so tudi dimenzije elementa (slika
3.39). Prikazovalnik bo pritrjen na ohišje merilnika frekvenčnih odzivov, zato so
dimenzije pomembne le pri končni izdelavi. Povezava med prikazovalnikom in tiskanim
vezjem bo najverjetneje izvedena s trakastim kablom, saj je na tiskanem vezju
predviden konektor za povezavo med njima.
Slika 3.39: Mehanske lastnosti
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 29
Kadar je podatek sestavljen iz 8-ih bitov, je prenos izveden v enem časovnem ciklu.
Podatek potuje preko 8-ih priključnih sponk (slika 3.40).
Slika 3.40: 8-bitni časovni diagram
Prikazovalnik s tekočimi kristali ali LCD je zgrajen iz dveh optičnih polarizatorjev,
prevodnih prosojnih elektrod ter vmesne celice, kjer so zaprti tekoči kristali (slika 3.41).
Vmesna celica s tekočimi kristali je zelo tanka in meri nekaj 10µm. Če na kristalih ni
napetosti, bo izhodna svetloba polarizirana vodoravno in jo bo zato vodoravni optični
polarizator prepuščal. Če pa na kristale pritisnemo napetost, zasuka svetlobe na kristalih
ne bo, zato navpično polarizirana svetloba ne bo mogla skozi vodoravni optični
polarizator in površina bo postala črna.
Slika 3.41: Zgradba transmisijskega LCD prikazovalnika
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 30
Poznamo transmisijske, refleksijske in transrefleksijske prikazovalnike LCD. Pri
transmisijskih je vir svetlobe postavljen za prikazovalnikom, pri refleksijskih pa se
svetloba, ki prehaja skozi prikazovalnik, odbija nazaj s pomočjo ogledala, medtem ko
transrefleksijski prikazovalniki delujejo brez ogledala in so zato bolj svetli oz.
lesketajoči. LCD prikazovalniki imajo zelo majhno porabo moči, njihova slabost pa je v
dolgem odzivnem času. LCD prikazovalnik DEM16216SGH je refleksijski
prikazovalnik z električnimi lastnostmi podanimi v tabeli 3.
Tabela 4: Osnovne električne lastnosti prikazovalnika LCD
SIMBOL VREDNOST ENOTA
NAPETOST(1) VDD -0.3 ~ +7.0 V
NAPETOST(2) V0 VDD-15.0 ~
VDD+0.3
V
VH.NAPETOST VIN -0.3 ~ VDD+0.3 V
DELOVNA TEMP. Topr -20 ~ +70 0C
TEMP.SHRANJEVANJA Tstg -25 ~ +75 0C
3.4.2 Povezava prikazovalnika LCD z mikrokrmilnikom
Slika 3.42 prikazuje povezavo LCD prikazovalnika z mikrokrmilnikom (konektorji,
ki so povezani na mikrokrmilnik). Za popolno povezavo smo uporabili konektor s 16-
imi priključnimi sponkami za priključitev LCD-ja ter konektor z 20-imi priključnimi
sponkami, ki so namenjene priključitvi samostojne ploščice s programiranim
mikrokrmilnikom. Neposredni komunikaciji z mikrokrmilnikom je namenjenih 8
izhodov prikazovalnika (DB0-DB7).
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 31
P26
P30P32
P17
VCC
P25P27P29P31
10K1
POT1
J2
DEM16216
12345678910111213141516
VCC
P28
P[34..25]
P25
P32
P30P29
Konektor za LCD
P26P27P28
P31
J10
Con P17-P32
1 23 45 67 89 10
11 1213 1415 1617 1819 20
P33P43
P34
P22
Slika 3.42: Povezava LCD-ja z mikrokrmilnikom
3.5 USB Vmesnik
Je vmesnik med računalnikom in perifernimi enotami večinoma na zadnji strani
ohišja. Funkcija vodila je razvidna že iz njegovega imena Universal Serial Bus, kar v
prevodu pomeni univerzalno zaporedno vodilo. To omogoča priključitev praktično vseh
zunanjih naprav, od mišk, tipkovnic, video kamer, do tiskalnikov in optičnih čitalcev.
Naenkrat je lahko na vmesnik priključenih kar 127 naprav, kar so potrdili na sejmu
Comdex, na katerem so na en sam računalnik priključili kar 111 naprav; vse so delovale
brezhibno. Njegova prednost je predvsem tudi v hitrosti, saj je pasovna širina kar 12
Mb/s. Za primerjavo lahko vzamemo hitrost zaporednih vmesnikov, ki ne presega
115.200 b/s.
Razrešil je predvsem problem pomanjkanja vodil. Večina računalnikov ima en
zaporedni vmesnik, na katerega pa največkrat priključimo tiskalnik. Naprave kot so ZIP
mediji, ki potrebujejo hitro povezavo, prav tako uporabljajo zaporedni vmesnik, ki pa
nima velike prepustnosti in ima omejeno število vmesnikov. Na serijsko vodilo sta v
glavnem priključena modem in miška. Večina računalnikov pa ima samo dva serijska
vmesnika, ki sta zelo počasna. Rešitev za te probleme je bil USB vmesnik, ki je bil
sposoben doseči dovolj velike hitrosti za večino uporabnikov.
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 32
3.5.1 Priključitev USB naprav
Če priključimo novo USB napravo, jo operacijski sistem sam zazna in zahteva
zgoščenko z gonilniki. Po vstavitvi zgoščenke poteka namestitev popolnoma
avtomatsko. Če je bila naprava že kdaj nameščena, začne računalnik avtomatsko
komunicirati z njo.
Ena najboljših lastnosti USB naprav je popolna podpora za samodejno nastavitev
(Plug and Play), kar pomeni, da lahko napravo na računalnik priključimo, izključimo
ali namestimo kadarkoli, celo med njegovim delovanjem. Ponovni zagon računalnika ni
potreben, kar nam pri namestitvah prihrani veliko časa. Poleg tega nastavitve in
konfiguriranje raznih prekinitev in spominskih naslovov ni potrebno, saj za to skrbijo
strojna oprema, gonilniki in operacijski sistem. Tako lahko USB miško poljubno
priklapljamo in izklapljamo, ne da bi to vplivalo na delovanje sistema.
3.5.2 USB vodnik
Prenos podatkov poteka po štirižilnem kablu, od tega sta dve žili namenjeni
napajanju priključenih naprav, dve pa prenosu podatkov. Obstajata dva tipa kablov:
prvi, ki je enostavnejši in namenjen nižjim hitrostim - miškam in tipkovnicam (dolžina
maksimalno 3 metre), ter drugi, hitrejši, katerega žice so dvakrat prepletene in
oklopljene (dolžina kabla maksimalno 5 metrov, z uporabo hub-a maksimalno 30
metrov).
Slika 3.44: Sestava USB vodnika
Slika 3.43: Priključitev USB-ja
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 33
OZEMLJITEV
NAPAJANJE +5V
ZA PRENOS PODATKOV
ZA PRENOS PODATKOV
3.5.3 Prednosti in slabosti USB-ja:
Prednosti:
Ena poglavitnih prednosti pri vmesniku je enostavna namestitev katerekoli
komponente z USB vmesnikom. USB preizkušeno podpira "Plug & Play" ter
obide nastavitve prekinitev in naslovov v spominu. Tako lahko tudi popoln
računalniški laik brez večjih težav namesti katerokoli komponento. Kot
dokaz za to so že izdelani računalniki, ki imajo zgolj matično ploščo,
procesor, ram, video izhod ter USB izhod, preko katerega bomo nanj
priključili prav vse zunanje naprave, ki jih bomo potrebovali.
Druga velika prednost USB-ja pa je prav gotovo njegova hitrost, saj je
prepustnost vodila celih 12 Mb/s, kar močno prekaša hitrosti serijskih in
paralelnih vhodov in se postavlja ob bok celo SCSI zunanjim napravam. Na
področju ISDN kartic, video kamer, laserskih tiskalnikov ter optičnih
čitalcev je USB gotovo povzročil pravo revolucijo, saj njegova hitrost in
enostavnost namestitve močno prekašata uporabnost ostalih vodil.
Slabosti:
Poglavitna slabost USB-ja je njegova programska nepodprtost. Tako je pri
PC računalnikih podprt samo pri MS Windows 98, MS Windows 2000 ter
pogojno pri MS Windows 95 (potrebna je namestitev popravkov OSR2).
USB podpore pri MS Windows NT ne bo, zanima me tudi, kakšna bo
podpora USB-ja v varnem načinu pri MS Windows 98. Poleg tega tudi ni
podpore za operacijski sistem Linux, vendar jo bo nova verzija Linuxa (2,4)
že vsebovala pa tudi RedHat 6,2 beta podporo USB že vsebuje. Kljub temu,
da Apple ni "oče" USB-ja, je že pred slabim letom uvedel podporo na vseh
platformah.
Večina matičnih plošč ne podpira dostopa do nastavitev BIOS-a preko USB
tipkovnic. V takem primeru povprečnemu računalničarju USB tipkovnica ne
bo dosti koristila, saj ne more nastaviti niti zagonskih parametrov.
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 34
Kljub njegovi hitrosti je USB za nekatere naprave še vedno prepočasen. To
slabost bo gotovo odpravil USB 2.0, ki bo imel bistveno večje hitrosti
prenosa podatkov.
FTDI pretvornik smo izbrali iz več razlogov:
• Preprost
• Že napisani gonilniki
• Odprtokodni gonilniki (angl. Open Source)
• Hitrost in zanesljivost (podpira tudi najvišjo hitrost prenosa podatkov).
3.5.4 Načrtovanje vmesnika USB
Vezje smo načrtovali s pomočjo programskega paketa OrCAD. Vmesnik je zgrajen
z integriranim vezjem FT245BM. Slika 3.45 prikazuje celotno vezje vmesnika USB.
USB2
USB1R27100k
C16
27p
USBDM
USB0
R281k5
C17
27p
C18100n
USB_VCC
C15
33nF
USB_VCC
R3010k
USBDP
USB[11..0]
USBDM
USB11
U7
FT245BM
25
24
23
22
21
20
19
5
28
4
32
1
2
29 9
18
17
31
14
15
16
12
10
13
6
30 263
8
7
27
11
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
RSTOUT#
XTOUT
RESET#
EECS
EESK
EEDATA
AG
ND
GN
D
D7
GN
DTEST
TXE#
WR
RD#
RXF#
PWREN#
VC
C-I
O
3V3OUT
AV
CC
VC
CV
CC
USBDM
USBDP
XTIN
SI/WU
USB10
3V3
USBDP
5V0
USB9
C14100n
USB8
R292k2
5V0
USB7
5V0
R26
10k
USB[11..0]
R2527R
USB6
Y2
6MHz X tal
R2427R
USB5
3V3
USB4
R23470R
U8
93C46/56/66
1234
8765
CSSKDINDOUT
VCCNCNC
GND
USB3
Slika 3.45: Načrt vmesnika USB
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 35
Sestavljajo ga naslednje komponente:
3,3V LDO (angl. Low Drop-Out regulator) napetostni regulator, ki nam
zagotavlja napetost 3.3V za napajanje oddajno-sprejemnega elementa
USB oddajno-sprejemni element, ki nam zagotavlja prenos podatkov po
standardih od 1.1 do 2.0
USB DPLL vmesnik
6 MHz oscilator
X8 časovni množilnik za generiranje ure 12MHz in 48MHz
SIE (angl. serial interface engine) zagotavlja zaporedno-vzporedno in
vzporedno-zaporedno pretvorbo
USB protokol pretvorbe
FIFO (angl. First In, First Out) način prenosa podatkov
FIFO regulator
RESET generator
EEPROM (angl. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)
pomnilnik
Slika 3.46: Blok diagram integriranega vezja FT245BM
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 36
Slika 3.47 prikazuje primer uporabe in pravilno priključitev oscilatorja. Sestavljen je
iz 6MHz kristala in dveh 22pF kondenzatorjev. Kristal priključimo med sponki XTIN in
XTOUT in preko kondenzatorja na potencial mase.
Slika 3.47:Oscilator
Tipična povezava med USB vmesnikom in mikrokrmilnikom pa je prikazana na
sliki 3.48. V tem primeru uporabljamo dve I/O (angl. input/output) priključitveni sponki
mikrokrmilnika. Vhod 1 je namenjen 8-bitni povezavi za prenos podatkov, vhod 2 pa
kontroli registrov RD#, WR, TXE# in RXF#.
Slika 3.48: Povezava med FT245BM in mikrokrmilnikom
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 37
4 NAPAJANJE VEZJA
Za delovanje vezja potrebujemo naslednje stabilizirane napajalne napetosti: 5V,
3,3V in 2,5V. S pomočjo napetostnih regulatorjev smo sestavili vezje za njihovo
normalno delovanje.
Napetostni regulatorji služijo za stabilizacijo napetosti napajalnega vira. Narejeni so
lahko za točno določene napetosti, pri nekaterih pa izhodno napetost spreminjamo s
pomočjo zunanjih elementov. Principialno zgradbo napetostnega regulatorja prikazuje
slika 4.1. V osnovi vsebuje referenčni napetostni vir z zelo stabilno napetostjo,
primerjalnik in krmilni tranzistor. Poleg tega ima običajno še tokovno in toplotno
zaščito (slika 4.1).
Slika 4.1: Shema splošnega napetostnega regulatorja
Primerjalnik primerja referenčno napetost z napetostjo na izhodu. Če je izhodna
napetost manjša, potem primerjalnik odpira krmilni tranzistor, ki se mu zato poveča
kolektorski in emitorski tok. Nasprotno pa pri večji napetosti na izhodu primerjalnik
zapira krmilni tranzistor.
Za napetost 5V smo uporabili integrirano vezje napetostnega regulatorja družine
78xx. Ti regulatorji so priključeni na pozitivno vejo usmernika. Dodatna oznaka xx
ponazarja velikost izhodne napetosti (npr. 7805 poskrbi za izhodno napetost 5V). Slika
4.2 prikazuje primer uporabe pozitivnega in negativnega napetostnega regulatorja.
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 38
Slika 4.2: Primer uporabe napetostnega regulatorja
Napetosti 3,3V in 2,5V pa pridobimo s pomočjo napetostnega regulatorja LM317 in
pravilno izbiro uporov ter gladilnih kondenzatorjev. Enačba 4.1 podaja izračun upora R1
in R2, slika 4.3 pa primer uporabe napetostnega regulatorja LM317.
21
20 50125.1 RA
R
RVV ⋅+
+⋅= µ (4.1)
Slika 4.3: Primer uporabe napetostnega regulatorja LM317
Načrt vezja napetostnih regulatorjev, izdelan z načrtovalskim orodjem OrCAD,
prikazuje slika 4.4.
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 39
+C19
10u
C1047n
U_VH
U1
3
1
2VIN
ADJ
VOUTVDD
R9
330
C20
100n
U2
3
1
2VIN
ADJ
VOUT
R8
330
C1147n
R7330
C71n
5V0
U9
7805/TO
1 3
2
VIN VOUT
GN
D
+ C1310u
2V5
3V3
C647n
C547n
C447n
U_VH
C347n
C947n
5V0
3V3
C1247n
R10560
U_VH
+ C810u
Slika 4.4: Napetostni regulatorji: 5V, 3,3V in 2,5V
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 40
5 UPORABA SMD KOMPONENT
Optimalna rešitev vseh problemov v elektrotehnični strukturi je seveda čim manjše
vezje in s tem njegovo boljše delovanje (velika hitrost, veliko ojačanje pri visokih
frekvencah itd.). Uporaba SMD komponent nam pomaga pri sami postavitvi elementov
in prostorski ureditvi. Zmanjšanje velikosti ploščice je pomembna lastnost, saj jo lahko
uporabimo v še tako majhnem prostoru, ki je na voljo.
5.1 Izbira spajkalnika
Glavni pogoj je spajkalnik z ustrezno konico za spajkanje.
Spajkalnik naj bi bila regulacijska spajkalna postaja (slika 5.1). Nastavitve na
regulacijski spajkalni postaji naj bi bile enostavne in razumljive.
Spajkalnik naj bi bil lahek, sprednji del za spajkanje pa zelo kratek. Tem
daljši je, večja je verjetnost za nemirno in nepravilno spajkanje zaradi
tresenja rok.
Debelina konice naj bo odvisna od elementov, ki jih spajkamo. Večje
elemente spajkamo s konico večje debeline, manjše z manjšo. Toplota na
konici, toplotna kapaciteta konice ter prenos toplote so pri večjih konicah
(večje debeline) boljši, kar pomeni, da je dobro tudi spajkanje. A ne gre
pretiravati, saj je na primer konica debeline 0,8 mm zelo slaba izbira za SMD
spajkanje.
Kvaliteta konice je pomembna, še pomembneje pa je, da se ne poškoduje, saj
je pri poškodovani konici (risi, odlomljen del, na konici staljeni deli plastike
itd.) spajkanje oteženo.
Slika 5.1: Uporabljena spajkalna postaja Digital Solder Station ST - 50D
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 41
Potrebna je kositrova spajka s talilom v jedru (slika 5.2). Tekoče talilo v obliki
svinčnika z vgrajenim čopičem ali talilni gel se uporabljata zelo pogosto in veliko
pripomoreta k natančnemu in kvalitetnemu spajkanju. Pri spajkanju integriranih vezij z
majhnimi priključnimi nogicami si lahko pomagamo z masko za zamrznitev spajke in
prej »pospajkanimi« nogicami z zelo malo spajke, ki pa je velikokrat že industrijsko
nanesena in zadostuje za začetek spajkanja. Pri spajkanju se uporablja tudi pinceta, da
lahko različne elemente pridržimo, medtem ko spajkamo. Pomembno je, da nogice med
seboj niso v stiku. Da to preprečimo, uporabimo namizno povečevalno steklo in
preverimo, če se v našem vezju nahaja kakšen stik med prispajkanimi elementi.
Spajka za spajkanje je zmes iz Mg (OH) 2 (magnezijevega hidroksida) in Al2 (Cl) 3
(aluminijevega tri klorida).
Slika 5.2: Spajka za spajkanje
V vezju so uporabljeni upori in kondenzatorji naslednjih velikosti:
1206, dolžina: 3,2 mm, širina: 1,6 mm
Slika 5.3: SDM upori in kondenzatorji
Spajkanje elementov z dvema nogicama (dve mesti spajkanja) je razmeroma
enostavno:
nanesemo malo spajke na priključke na tiskano vezje,
s pinceto pridržimo element na mestu spajkanja in rahlo nanesemo spajko na
priključne nogice elementa ter na tiskano vezje, sprva samo na eni strani,
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 42
pustimo, da se spajka ohladi ter s segrevanjem nogic na drugi strani in
dodajanjem spajke enostavno prispajkamo drugo stran,
po ohladitvi s segrevanjem nogic prispajkamo še prvo stran, ki smo jo najprej
samo pričvrstili,
če je katera od strani slabo prispajkana, to popravimo s ponovnim
segrevanjem brez dodatne spajke.
Spajkanje elementov v TSSOP (omenjeno že v poglavju 3.1 Visokofrekvenčna
analogna stikala in prikazano na slikah 3.7 ter 3.8) ohišji:
element postavimo na mesto spajkanja
element pridržimo s pinceto ali konico nohta, lahko pa tudi čezenj prilepimo
lepilni trak
na konici spajkalnika naj bo kapljica spajke
na diagonalnih straneh prispajkamo nogice integriranega vezja
pregledamo, ali je element pravilno nameščen, ker so popravila še možna
če uporabimo svinčnik z gelom za mazanje kontaktov in čopičem, namažemo
z njim vse priključne nogice
z ogreto konico spajkalnika nanesemo spajko po vseh priključnih nogicah;
spajka se med kontakti ne sme združiti v mostičke, saj površinska napetost
poskrbi za malenkostno zbiranje spajke na priključkih in tiskanini
če uporabimo veliko količino spajke, se lahko pojavijo mostički med
kontakti, vendar to lahko rešimo
ker je element prispajkan, ga lahko izpustimo
ponovimo postopek na vseh straneh priključkov
odvečno količino spajke in nepotrebne mostiče med kontakti odstranimo s
pomočjo bakrene mrežice za odstranjevanje spajke
s pomočjo povečevalnega stekla preverimo morebitne nastale stike med
priključki in jih odstranimo s ponovnim segrevanjem s pomočjo spajkalnika.
Slika 5.4: Primer TSSOP integriranega vezja
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 43
6 NAČRTOVANJE TISKANIH VEZIJ
Pri načrtovanju tiskanih vezij smo upoštevali dimenzije kupljenih elektronskih
elementov in razdalje (raster) med njihovimi priključki. Rasterji so standardizirani in
znašajo celoštevilčne večkratnike razdalje 2, 54mm. Tako raster r = 1 pomeni razdaljo
med priključki d = 2, 54mm oz. 0, 1 incha (inch je cola, ki znaša 25, 4mm). Kljub temu
se včasih zgodi, da proizvajalci izdelajo elektronske elemente nestandardnih dimenzij
priključkov. Nestandardne razdalje pri konstruiranju povzročajo kar nekaj težav, saj
moramo vse elektronske elemente natančno izmeriti in jih na računalniško konstrukcijo
tiskanega vezja narisati sami. V drugem primeru se zgodi, da imamo elektronske
komponente, ki imajo sicer standardne colske razdalje med priključki, jih pa ni v
knjižnicah računalniškega programa, s katerim načrtujemo tiskano vezje. Tudi v tem
primeru moramo dimenzije elektronskih komponent natančno izmeriti in jih začrtati
sami. Če smo bili pri merjenju dimenzij elektronske komponente nenatančni, se nam
kasneje zgodi, da se komponente ne da vstaviti na tiskano vezje. Načrtovanje tiskanih
vezij poteka z izbranim računalniškim programom po naslednjem postopku:
Glede na kupljene komponente vezja in vezalno shemo predpostavimo
velikost in obliko tiskanega vezja in jo v računalniškem programu narišemo.
Narisana površina je ploščica tiskanega vezja (imenuje se tudi board).
Predpostavimo lego priključkov za napajanje in priključkov na ostala tiskana
vezja, ki jih nanesemo na narisano ploščico.
Okvirno nanesemo komponente vezja (čipe, kondenzatorje, upore itd.) in jih
ustrezno označimo kot so oznake na vezalni shemi (primer IC1, R5, C4 itd.).
Pričnemo povezovati komponente s povezovalnimi linijami.
Narisano konstrukcijo sproti shranjujemo na trdi disk računalnika.
Povezovalne linije predstavljajo v računalniškem programu prevodne linije na bakru
tiskanega vezja. Pri povezovanju linij moramo paziti, da se ne bodo stikale, saj stika
med njimi ne sme biti. Povezovanje komponent vezja z linijami bi bilo enostavno, če bi
imeli poljubno veliko ploščico tiskanega vezja. Ker pa je zaželeno, da so vse povezave
in razdalje med komponentami vezja (in neizkoriščeni prostori na ploščici) čim manjši,
je postopek konstruiranja zapleten. Pri konstruiranju tiskanih vezij ne smemo iti v
skrajnosti pri minimiziranju prostora, širine linij in medsebojni oddaljenosti
povezovalnih linij, saj bo pri kasnejši praktični izdelavi tiskanega vezja prišlo do
odstopanj in s tem do možnosti neželenih stikov. Istočasno je treba upoštevati predpise
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 44
o potrebni širini linij, saj tok, ki teče po vodniku, povzroča segrevanje in s tem
oksidiranje linij ter možnost, da se prekinejo.
6.1 Pravila načrtovanja tiskanih vezij
Pri načrtovanju tiskanih vezij upoštevamo naslednja pravila:
pomembna sta estetski videz in racionalna razporeditev elementov,
dimenzije ploščic naj bodo čim manjše,
priključki naj bodo ob robu ploščic,
ploščice opremimo z napisi,
povezovalne linije med komponentami naj bodo čim krajše,
podvajanje povezovalnih linij ni dovoljeno,
izogibati se moramo mostičnim povezavam
širina povezovalnih linij naj bo dovolj velika, saj jedkamo tiskana vezja
doma. Širina linij naj bo tako vsaj 30 milesov, to je 0,75mm (100 milesov =
2,54mm).
6.2 Osnovni napotki načrtovanja PCB (printed circuit board – tiskano
vezje)
PCB s parazitnimi lastnostmi vpliva na delovanje elektronskega vezja.
(parazitni C in L postanejo del vezja);
treba je poznati izvore in vrste šumov ter vse možne poti širjenja teh v PCB;
zanesljivo preverjanje novih projektov s prototipom.
Izbira ploščice:
o uporabljati kvalitetne materiale za PCB (zadovoljivih lastnosti je FR-4 );
o odločiti se za večplastne ploščice, ker nudijo za 20 dB večje dušenje
šumov kot dvoplastne;
o predvideti ločeni ravnini za maso in napajanje;
o ravnini mase in napajanja postaviti med ostale plasti.
Izbira komponent:
o nameščanje ustreznih komponent za razklopitev (angl. decoupling), zato
je treba poznati lastnosti komponent ter lastnosti vezi PCB;
o izogibati se pokončnemu postavljanju komponent v hitrih vezjih;
o uporabljati SMD v hitrih vezjih;
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 45
o povezave morajo biti čim krajše;
o daljše povezave izvesti z ozkimi vezmi za zmanjšanje stresanih
kapacitivnosti;
o proste operacijske ojačevalnike ustrezno priključiti.
Pravilno povezovanje:
o analogni del vezja postaviti blizu napajanja;
o vezi analognega vezja nikoli voditi skozi digitalni del vezja;
o povezave invertiranega vhoda morajo biti čim krajše,
o vezi obeh vhodov operacijskega ojačevalnika ne smejo biti paralelne z
drugimi vezmi;
o izogibati se večjemu številu skoznikov na eni povezavi (via);
o spremembo smeri vezi narediti v zaobljeni obliki.
6.3 Problem elektromagnetne združljivosti
Elektromagnetna skladnost EMC (angl. Electro – Magnetic - Compatibility) je
definirana z naslednjim izrekom:
»EMC je sposobnost električne naprave ali sistema, da zadovoljivo deluje v EM
okolju, ne da bi pri tem vnašal (-a) nedopustne EM motnje v karkoli v tem okolju«.
Slika 6.1: Sklopi med viri in prejemniki
Prav zato moramo pri načrtovanju poskrbeti, da bo vezje ustrezno delovalo tudi v
VF območju. Naprava sme v vlogi oddajnika emitirati motnje, katerih energija mora biti
pod dopustnim nivojem in v vlogi sprejemnika zadostno dušiti sprejete motilne signale.
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 46
6.4 Načrtovanje linij
Zelo pomembno vlogo imajo pri VF prenosne linije. Med prenosne linije štejemo
vse povezave, ki povezujejo generator z bremenom, same pa s svojimi lastnostmi
vplivajo na stanje napetosti in tokov. V primeru neenakih upornosti generatorja, linije in
bremena prihaja do spremenljivega razmerja med napetostjo in tokom. Pojavita se dve
smeri razširjanja energije, prva v smeri bremena in druga v smeri od bremena proti
generatorju kot odbita energija.
V VF tehniki velja pravilo: če so dolžine vodnikov daljše od λ/20, je treba prilagajati
prenosno linijo upornosti generatorja in bremena, sicer prihaja na vsakem prehodu do
odbojev, s tem pa do izgub in deformiranja signalov.
Razmerje med napetostjo in tokom naprej razširjajočega signala definira
karakteristična impedanca:
f
fK
I
UZ = (6.1)
V VF telekomunikacijah uporabljamo prenosne linije s karakteristično impedanco
50 Ohmov, v radio in TV difuziji pa 75 Ohmov. Enake impedance mora imeti tudi
ostala oprema. Prenosni vod mora biti napajan in zaključen z upornostjo, ki je enaka
karakteristični impedanci. To dejstvo bo treba upoštevati tudi pri delu z našim
merilnikom. Vsaka neprilagojenost pokvari napetostne in tokovne razmere na vodu, kar
vodi v napačne merilne rezultate in v posebnih primerih celo do uničenja občutljivih
visokofrekvenčnih sklopov.
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 47
7 NAČRTOVANJE V PROGRAMSKEM PAKETU ORCAD
Programski paket je sestavljen iz treh samostojnih programov:
program Capture je namenjen vnosu vezja,
program Layout je namenjen načrtovanju tiskanih vezij in
program Express, ki je namenjen za digitalno simulacijo elektronskih vezij.
7.1 Program Capture
Ko zaženemo program, se nam na zaslonu pokaže okno za kreiranje novega
projekta. Z ukazom FILE - NEW - DESIGN se ustvari nov shematski dizajn, v katerega
vnesemo elektrotehniški načrt. Odpre se okno z drevesno strukturo, ki nam omogoča
pregled nad narisanim vezjem ter list, na katerega lahko narišemo elektrotehniški načrt.
Načrt lahko ima več listov, vsebuje pa lahko tudi več podvezij.
Postavitev elementov na sliko izberemo z ukazom PLACE, ki vsebuje naslednje
objekte:
elemente vezja (pasivne, aktivne, ima tudi kompleksne),
povezave med elementi,
vodilo (združuje več različnih povezav - Wire),
spoj med posameznimi povezavami,
priključek posamezne povezave na vodilo,
prirejanje povezav posameznim povezavam,
objekte za priključitev napajalnih povezav,
objekte za priključitev različnih ničelnih povezav,
vstavljanje hierarhičnega podvezja,
vstavljanje vhodno-izhodnih priključkov podvezju.
Različne elemente vezja najdemo v knjižnicah OrCAD-ovega paketa.
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 48
Slika 7.1: Prikaz delovnega okna v programu OrCAD
7.2 Program Layout
Program je namenjen načrtovanju večslojnih tiskanih vezij. To poteka v
naslednjih korakih:
načrtovanje vezja s programom CAPTURE in generiranje liste povezav za
program Layout,
definiranje vseh nastavitev za tiskano vezje v programu Layout in vnos
liste povezav,
definiranje velikosti tiskanega vezja in razmeščanje komponent,
izbira strategije izdelave tiskanega vezja in avtomatsko povezovanje
elementov ali pa
ročno povezovanje elementov med sabo.
7.2.1 Načrtovanje v Layout-u
V napotkih za načrtovanje PCB je priporočena za VF analogna vezja štiriplastna
ploščica. Za vezje merilnika bomo uporabili dvoplastno epoksidno ploščico s steklenimi
vlakni. Slabšo razkropitev pri VF bi odpravili z dodanim oklopom. Pri načrtovanju
ploščice bomo upoštevali oziroma izbrali:
površinsko nameščanje elementov,
spodnjo ter zgornjo plast predvidimo za maso,
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 49
nizko impedančno povezavo teh dveh površin je treba doseči z večjim
številom skoznikov,
vhodna linija naj ima karakteristično impedanco 50 Ohmov,
SMD elementi na vhodni liniji so enako široki kot linija,
napajalno linijo bomo peljali mimo poti vračajočih tokov (Return
Currents),
analogne VF vezi ustrezno zaščitimo pred vplivi ostalih digitalni vezi in
okolice z ustrezno ozemljitvijo (bondiranjem) .
Bondiranje (Slika 7.2) je način ozemljitve, ki preprečuje nastanek čezmernega
sevanja in zmanjšuje ustvarjeno nizkoomsko impedanco. Tako povezovanje ene strani
ploščice z drugo moramo izvesti s primerno močnimi povezavami, premer luknje pa naj
bo vsaj 0.6mm.
Slika 7.2: Bondirana ozemljitev
Kako začeti z risanjem načrta in nato izdelave same tiskanine nam prikazuje slika
7.3. Najprej je narisan načrt v programu OrCAD, sledi risanje načrta tiskanine s
programom Layout ter izdelava same ploščice. Pri risanju načrta tiskanine v programu
Layout moramo paziti na pravila in definicije same postavitve, povezovanje med
elementi ter končno obdelavo tiskanine.
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 50
Slika 7.3: Shema postopka izdelave tiskanega vezja
Za določanje ustreznega ohišja (podnožja) posameznega elementa uporabljamo
Layout Library Manager (Slika 7.4). Razmak med kontakti, na katere so elementi
prispajkani na tiskanino, je pomemben. Pri ležečih uporih do moči 0,25W znaša razmak
od 300minch (1Inch = 2,54cm) naprej, pri stoječih uporih do moči 0,25W od 50minch
naprej, kar seveda ni pravilo, saj lahko razmak med kontakti upora spreminjamo zaradi
zelo dolgih priključnih žic upora. Pri SMD uporih so ti razmaki za vsak tip upora točno
določeni, npr. za uporabljene upore v našem vezju SMD 1206 je razmak med kontakti
100minch, kar je enako dolžini 2,54mm. Našo izbiro ohišja vnesemo v polje PCB
FOOTPRINT. Našli ga bomo v knjižnici SHEET06.
Slika 7.4: Okna s prikazom posameznih ohišij v programu Layout
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 51
Slika 7.5: Primer določitve Footprint-a za uporabljen upor
Ko vsakemu izmed elementov ustvarimo svoje mere za velikosti ohišij oz. pravilne
footprint-e, začnemo s postavitvijo elementov. Naš projekt je sestavljen iz analognega
VF dela ter digitalnega. Na tiskanini sta med sabo ločena. VF del je treba povezati zelo
natančno in s čim krajšimi povezavami, pri digitalnem pa dolžine povezav nimajo
vpliva na končen rezultat slabljenja vezja.
Slika 7.6: Primer postavitve elementov pred začetkom risanja povezav
Pravilno moramo izbrati tudi velikost polja, na katerem se povezujejo elementi, sicer
z elementom ne moremo upravljati (ne moremo ga premikati in povezovati z drugimi
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 52
elementi). Velikost polja nam na sliki 7.7 prikazuje vrednost Routing grid, v našem
vezju uporabljeno 50.
Slika 7.7: Izbira velikosti polja za delo z elementi
Ker je risanje povezav v VS delu zelo natančno (in zaradi majhnosti uporabljenih
analognih stikal ADG936), smo izbrali minimalno debelino povezav, ki je najbolj
primerna za VS del in za izdelavo tiskanine s pomočjo CNC rezkalnega stroja (opis v
naslednjem poglavju 8) za izdelavo tiskanin v laboratoriju. Težava majhnih povezav na
tiskanini se prikaže pri samem spajkanju, saj lahko ob dolgem segrevanju spajke s
spajkalno konico povezavo prežgemo in tako uničimo tiskanino.
Slika 7.8: Primer debeline posameznih linij (naša najmanjša izbrana debelina je 8 enot)
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 53
8 IZDELAVA TISKANINE
Poleg vseh pravil pri načrtovanju v programu Layout moramo biti pozorni tudi na
velikosti lukenj na ploščici (tiskanini). Tiskano vezje smo naredili s pomočjo vrtalno-
rezkalnega stroja v laboratoriju. Ustreznost velikosti lukenj na tiskanem vezju je
prikazana na sliki 8.1.
Slika 8.1: Ustrezna velikost lukenj na tiskanini
Vsi programi za risanje TIV kot enoto mere uporabljajo 1 mils. 1 mils je 1/1000
inča, ki meri 25,4mm. 100 mils je torej standardna razdalja med dvema pinoma
(priključkoma) običajnega DIL podnožja kateregakoli »klasičnega« integriranega vezja
in znaša 2,54mm (odslej v tekstu mils = enota). Pri običajnih SMD integriranih vezjih je
ta razdalja 50 enot, pri TQFP obliki vezja pa celo 20 enot. Preračunano znaša to
0,51mm, kar pomeni 5 priključkov in 5 presledkov na 100 enot. Priporočljivo je, da se
uporabljajo debeline vezi 10 enot. Ker v našem VS delu to ni bilo mogoče, smo
uporabili debelino 8 enot.
Slika 8.2: Rezkana ploščica z zelo stisnjenimi vezmi
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 54
Druga omejitev pri rezkanju luknje so minimalni premeri svedrov. Pri otočkih
medplastnih metaliziranih povezav se uporabljajo luknje 0,3 (12 enot), 0,4 (16 enot) ali
večje. Da je povezava mehansko dovolj trdna, mora biti okoli otočka zadostna količina
bakra. Priporočeni premer otočka medplastne povezave je najmanj 40 enot 1mm. Ob
večji luknji mora biti premer otočka tudi večji. Za otočke komponent nad 50 enot
izbiramo luknje s premerom 0,6mm in več, odvisno od debeline priključka, ki bo v
otoček prispajkan. Vmesni prostor med vezmi ali otočki lahko tudi »očistimo« bakra.
To nam omogoča lažje spajkanje komponent (sploh SMD) in rešuje težave s spajko, ki
se nam lahko razlije med več vezmi.
Slika 8.3: Primer izvrtine tiskanega vezja, osvetljenega od spodaj
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 55
9 NAČRTI IN VEZALNE SHEME
Vezalna shema za samostojno tiskano vezje mikrokrmilnika.
P39P40P41P42
P20
P1
P19
P43P18
P34P33
P62
C6
100nF
IC1
ATmega128
PB0 (SS)10
PB1 (SCK)11
PB2 (MOSI)12
PB3 (MISO)13
PB4 (OC0)14
PB5 (OC1A)15
PB6 (OC1B)16
PB7 (OC2/OC1C)17
PC0 (A8)35
PC1 (A9)36
PC2 (A10)37
PC3 (A11)38
PC4 (A12)39
PC5 (A13)40
PC6 (A14)41
PC7 (A15)42
(SCL/INT0) PD025
(SDA/INT1) PD126
(RxD1/INT2) PD227
(TxD1/INT3) PD328
(IC1) PD429
(XCK1) PD530
(T1) PD631
(T2) PD732
(RxD0/PDI) PE02
(TxD0/PDO) PE13
(XCL0/AIN0) PE24
(OC3A/AIN1) PE35
(OC3B/INT4) PE46
(OC3C/INT5) PE57
(T3/INT6) PE68
(IC3/INT7) PE79
(TDI/ADC7) PF754(TDO/ADC6) PF655(TMS/ADC5) PF556(TCK/ADC4) PF457(ADC3) PF358(ADC2) PF259(ADC1) PF160(ADC0) PF061
PA7 (AD7)44 PA6 (AD6)45 PA5 (AD5)46 PA4 (AD4)47 PA3 (AD3)48 PA2 (AD2)49 PA1 (AD1)50 PA0 (AD0)51
(WR) PG033
(RD) PG134
(ALE) PG243
(TOSC2) PG318
(TOSC1) PG419
AVCC64
AREF62
RESET20
PEN1
XTAL124
XTAL223
VC
C21
VC
C52
GN
D22
GN
D53
GN
D63
P54P55P56P57
Q1
16MHz
P58
C4
100nF
C5
100nF
P59
R1
4K7
R2
OR
P60
P23
P61
P9P8P7
Reset
vezje
Konektor za
programiranje
P6P5
P24
P4P3P2
P32
P21
P31VCC
P25
P30
P26
P52
P27P28
J5
12345678910
P23
P29
VCC
P24
P64VCC
P20
P11
P2
VCCSW1
Tipka
12
R3 470
LED1P64
P60
P21
P49
P45
P31
J2
Con P17-P32
1 23 45 67 89 10
11 1213 1415 1617 1819 20
P43
P23
P63
P15
P6
P18
P22
J3
Con P33-P48
1 23 45 67 89 10
11 1213 1415 1617 1819 20
P37
P64
P27P25
P35
P5P24
P32
P57
P33
P14
P19
P12
P7
P2
P29
P61
P50P51
P38
P47
P8
P20
P16
J1
Con P1-P16
1 23 45 67 89 10
11 1213 1415 1617 1819 20
C1
22pF
P51
J4
Con P49-P64
1 23 45 67 89 10
11 1213 1415 1617 1819 20
P48P46
P9
P1
P56
P50
P4
P53
P11
P39
P17
P59P41
P36
P40
P10
P13 P30
C3
100nFP26
P54P55
P28
P52
P3
P58
P34
P42
P3
P44P62
VCC
P63P53
VCC
P49
P22
P48
C2
22pF
P47P46
P20
P45P44
P10
P[64..1]
P11P12P13P14P15P16P17
P35P36P37P38
Slika 9.1: Vezalna shema mikrokrmilnika
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 56
Naslednji sklopi vezalnih shem povezujejo glavno vezje v celoto, torej analogna
elektronska stikala in USB vmesnik.
U3A
ADG
ADG936BCP-R
GND20
RF1B7RF1A4
VDD2
RFCB10 RFCA
1 INB12 INA19
GND18
RF2B14RF2A17
GND16 GND15
GND11
GND13
GND9GND8GND6GND5GND3
VHOD_A Vmesni1
AT0
P48
Na mikrokrmilnik
R32
10k
AT4
VDD
P49
R18
61
AT1
R38
10k
R36
10k
VDD
R35
10k
P50
AT2
VDDR12
61
R33
10k
AT7
R37
10k
P45
R17
247
P44
VF del
VDDR21
61
AT5
VF del
P[51..44]AT3
R34
10kAT[7..0]
AT3
P51
P[51..44]
AT6
R11
247
R31
10k
kanal A
P47
P46
AT2
VHOD_A
R15
61
AT0AT1
U4A
ADG
ADG936BCP-R
GND20
RF1B7RF1A4
VDD2
RFCB10 RFCA1 INB
12 INA19
GND18
RF2B14RF2A17
GND16 GND15
GND11
GND13
GND9GND8GND6GND5GND3
Slika 9.2: Vezalna shema vhodnega slabilnika in analognih stikal
USB2
USB1R27100k
C16
27p
USBDM
USB0
R281k5
C17
27p
C18100n
USB_VCC
C15
33nF
USB_VCC
R3010k
USBDP
USB[11..0]
USBDM
USB11
U7
FT245BM
25
24
23
22
21
20
19
5
28
4
32
1
2
29 9
18
17
31
14
15
16
12
10
13
6
30 263
8
7
27
11
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
RSTOUT#
XTOUT
RESET#
EECS
EESK
EEDATA
AG
ND
GN
D
D7
GN
DTEST
TXE#
WR
RD#
RXF#
PWREN#
VC
C-I
O
3V3OUT
AV
CC
VC
CV
CC
USBDM
USBDP
XTIN
SI/WU
USB10
3V3
USBDP
5V0
USB9
C14100n
USB8
R292k2
5V0
USB7
5V0
R26
10k
USB[11..0]
R2527R
USB6
Y2
6MHz X tal
R2427R
USB5
3V3
USB4
R23470R
U8
93C46/56/66
1234
8765
CSSKDINDOUT
VCCNCNC
GND
USB3
Slika 9.3: Vezalna shema USB vmesnika
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 57
P54
P16
P28J5BNC
1
2
VCC
P14
P60P61
C447n
digitalni vhodi
P43
P16
USBDP
IZHOD_B
P55
C547n
Konektor za LCD
P26
P64
GND
12345
P44
P27
R2
10k
C347n
P[42..35]
VHOD_B
USBDP
IZHOD_B
P33
R7330
P30
P39
VCC
J4
VHOD AD
1234
P59
P15
+ C810u
VF analogna vhoda(namesto Tonetovihstikal)
P49
P37
IZHOD_A
R10560
P[61..58]
P43
C1247n
R5 1k
C647n
P[34..25]
P17
VCC
P62
P63
P48
P31
P14
U_VH
USBDM
U_VH
P29
P47
J10
Con P17-P32
1 23 45 67 89 10
11 1213 1415 1617 1819 20
Konektorja za napajanjein maso
P50
J3
12345678
Prikljucka za amplitudo in fazo(NF analogna vhoda izTonetovega vezja)
IZHOD_A
R1
10k
R9
330
P41
C71n
P32
J9
Con P1-P16
1 23 45 67 89 10
11 1213 1415 1617 1819 20
3V3
P36
P[61..58]
P64
U1
3
1
2VIN
ADJ
VOUT
P52
P26
P54
P34
VHOD_A
P34
P27
P22
Stabilizatorji napetosti,kateri se uporabljajo zanapajanja stikal, USBprikljucka inmikrokrmilnika
P55
J2
DEM16216
12345678910111213141516
Konektor zastikala(S1..S4)
10K1
POT1
P42
P64
+ C1310u
U_VH
P15
VCC
R4
10k
P62
J7BNC
1
2
P[61..58]
P58
P38
VCC
12345
P35
U9
7805/TO
1 3
2
VIN VOUT
GN
D
P62
USB_VCC
C1147n
P63
P30
P22
C947n
P17
R6 1k
VDD
P29
R3
10k
+C19
10u
BNC prikljucki za vhodna inizhodna signala
USB_VCC
U2
3
1
2VIN
ADJ
VOUT
P46
C1047n
POD2
ATENUATOR
VHOD_AVHOD_B
IZHOD_AIZHOD_B
P[51..44]
POD1
USB_VMESNIK
VCC
GND
USBDP
USBDMUSB_VCC
3V3 P[61..58]
P[42..35]
VHOD_B
J8BNC
1
2
P[42..35]
P45
P[51..44]
P51
U_VH
P22
P31
P25
P40
CN1
CN-USB1234
5
R8
330
VF analogna izhoda(namesto Tonetovihstikal)
J12
Con P49-P64
1 23 45 67 89 10
11 1213 1415 1617 1819 20
P52
VHOD_A
P28
P25
P33
USBDM
P32
J11
Con P33-P48
1 23 45 67 89 10
11 1213 1415 1617 1819 20
J6BNC
1
2
C20
100n
Slika 9.4: Vezalna shema glavnega vezja s priključki za mikrokrmilnik in LCD prikazovalnik
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 58
10 REZULTATI
10.1 Načrti v programu Layout
Slika 10.1: Načrt samostojnega mikrokrmilnika, pripravljenega za programiranje
Slika 10.2: Prikaz posameznih elementov na tiskanini
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 59
Slika 10.3: Načrt glavne tiskanine sestavljene iz VS dela (zgoraj) ter ostalim digitalnim
delom, modre povezave-zgornja stran tiskanega vezja, rdeča-spodnja stran tiskanega
vezja
Slika 10.4: Prikaz posameznih elementov na glavni tiskanini
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 60
Slika 10.5: Načrt vmesnika za programiranje
Slika 10.6: Elementi na tiskanini vmesnika za programiranje
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 61
10.2 Izdelane tiskanine
Slika 10.7: Zgornja stran tiskanine mikrokrmilnika
Slika 10.8: Spodnja stran tiskanine mikrokrmilnika
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 62
Slika 10.9: Prikaz samo VS dela tiskanine z analognimi stikali ADG936
Slika 10.10: Sprednja stran glavnega tiskanega vezja z mikrokrmilnikom
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 63
Slika 10.11: Zadnja stran glavnega tiskanega vezja z mikrokrmilnikom
10.3 Izmerjene karakteristike
Točnost amplitudnega dela smo ocenili iz izmerjenih karakteristik visokofrekvenčne
izvedbe slabilnika.
Uporabili smo naslednje merilne instrumente:
- spektralni analizator Hameg HM5011; 1 GHz,
- usmernik za napajanje analognih stikal ADG936.
10.4 Karakteristike visokofrekvenčne izvedbe atenuatorja
Slika 10.12 prikazuje frekvenčno odvisnost slabljenja slabilnika v π izvedbi.
Pogrešek slabljenja z višanjem frekvence linearno narašča in naraste pri frekvenci
800Mhz do -10 dB. Zgornja meja tako leži približno pri 600 MHz, če dovolimo 3 dB
odstopanja. Pri prvem preizkusu stikal smo z napajalnikom, ki je kazal 2,3V (napajanje
stikal ADG936 do maksimalno 2,7V) uničili stikala. Usmernik ni kazal prave vrednosti
saj je bila izmerjena napetost, ki jo je oddajal 5,2V. Ponovno spajkanje stikal pa je
podalo rezultate prikazane na sliki 10.12 in 10.13. Prva slika prikazuje izmerjene
rezultate skupnega slabljenja -40dB obeh visokofrekvenčnih stikal ADG936, ki
sestavljata kanal A. Na drugi pa je rezultat slabljenja -20dB samo enega stikala
ADG936.
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 64
Slika 10.12: Skupno slabljenje obeh visokofrekvenčnih analognih stikal ADG936
kanala A
Slika 10.13: Slabljenje prvega visokofrekvenčnega stikala ADG936 kanala A
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 65
11 ZAKLJUČEK
V diplomskem delu smo sestavili celotno vezje vektorskega merilnika
frekvenčnega odziva in njegov vhodni slabilnik povezali z mikrokrmilnikom. Zaradi
uporabe le-tega v podobnih aplikacijah smo narisali načrt za samostojno tiskano vezje,
ki bo v pomoč pri podobnih projektih, le da bo potrebno mikrokrmilnik ponovno
programirati in prirediti. Pomembna lastnost samostojnega programirljivega
mikrokrmilnika ATmega128 je tudi, da ga lahko poljubno vzamemo iz ploščice z VS
stikali in ga v primeru nepravilno naloženega programa ponovno programiramo ter
priključimo nazaj. 1000-kratno zapisovanje programa v mikrokrmilnik zadostuje za
dokončanje projekta.
Slika 9.10 prikazuje povezane linije visokofrekvenčnega dela, ki so zelo majhne,
da pri prehodih ne pride do nepotrebnih odbojev in s tem do izgub in popačenja signala.
Ker sta obe strani ploščice namenjeni za maso, smo uporabili veliko število skoznikov
za dosego nizke impedančne povezave med površinama.
Visokofrekvenčna analogna stikala smo preizkusili s pomočjo spektralnega
analizatorja do frekvence 1GHz. Izmerjeni rezultati prikazani na sliki 10.12 nam
prikazujejo skupno slabljenje dveh analognih visokofrekvenčnih stikal ADG936, ki
znaša -40dB, stabilno do frekvence 600Mh, če dovolimo 3dB odstopanja. Pri frekvenci
800Mhz pa slabljenje pade za 10dB. Pri sliki 10.13 pa je prikazano slabljenje samo
prvega analognega visokofrekvenčnega stikala ADG936, ki znaša -20dB, stabilno do
frekvence 600Mhz.
Pri uporabi projekta za nadaljnje delo bi bilo potrebno zamenjati še stikala kanala
B ter ga preizkusiti. S pomočjo dodatnega znanja in analiziranja visokofrekvenčnega
dela pa bi tem stikalom lahko povišali zgornjo frekvenčno mejo slabilnika (do frekvence
1GHz). Prispajkati bi bilo potrebno še vse ostale elemente na glavno ploščico,
sprogramirati mikrokrmilnik s pomočjo ISP programatorja, povezati celoten merilnik z
osebnim računalnikom in dobljene rezultate prikazati na LCD prikazovalniku.
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 66
VIRI, LITERATURA
[1] A. Vesenjak, Vektorski merilnik frekvenčnega odziva, Diplomsko delo, Fakulteta
za elektrotehniko, računalništvo in informatiko
[2] D. Krklec, Nadgradnja vektorskega merilnika frekvenčnega odziva, Diplomsko
delo, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko
[3] ATMEL ATmega128, www.atmel.com
[4] Analogna stikala ADG936, Analog Switches, www.analog.com
[5] LCD module DEM16216SGH, www.display-elektronik.de
[7] FTDI USB chip, www.ftdichip.com/Products/FT245BM.htm
[9] Microstripline Analysis, http://my.athenet.net/~multiplx/cgi-bin/strip.main.cgi
[10] I. Blazinšek, Merilni sistem z USB vmesnikom
[11] Pi and Tee Attenuator Networks
http://www.spectrummicrowave.com/pitee.asp
[12] SMD komponente
http://www.mikrocontroller.net/articles/SMD_L%C3%B6ten
[13] Tiskana vezja
http://www2.arnes.si/~gkrusi/Izdelava_TIV.html
Mikrokrmilniško krmiljenje vhodnega slabilnika vektorskega merilnika frekvenčnega odziva Stran 67
PRILOGE:
Naslov študenta
Evgen Kozelj Šmartno ob Paki 84 3327 Šmartno ob Paki Tel.: (03) 5886 – 028, 031 875 506 e-mail: [email protected]