MIKROKRMILNIŠKO KRMILJENJE VHODNEGA SLABILNIKA … · bomo narisali v OrCAD-u in Layout-u in s pomo čjo rezkalnega stroja izdelali tiskano vezje, na katero bomo »prispajkali«

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


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


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.


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)


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.


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.


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


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


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


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


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


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).


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


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


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


Slika 3.14: Shema kanala A z analognimi stikali


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


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


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.


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


• 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


Slika 3.17: Shema priključitve mikrokrmilnika ATmega128

Slika 3.18: Blokovna shema ATmega128


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


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 ,


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


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,


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


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


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


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


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


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.


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


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


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).


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.


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


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.


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


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


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


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.


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.


+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


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


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,


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


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


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;


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.


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.


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.


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,


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.


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


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


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)


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


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


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


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


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


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


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


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


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


Slika 10.5: Načrt vmesnika za programiranje

Slika 10.6: Elementi na tiskanini vmesnika za programiranje


10.2 Izdelane tiskanine

Slika 10.7: Zgornja stran tiskanine mikrokrmilnika

Slika 10.8: Spodnja stran tiskanine mikrokrmilnika


Slika 10.9: Prikaz samo VS dela tiskanine z analognimi stikali ADG936

Slika 10.10: Sprednja stran glavnega tiskanega vezja z mikrokrmilnikom


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.


Slika 10.12: Skupno slabljenje obeh visokofrekvenčnih analognih stikal ADG936

kanala A

Slika 10.13: Slabljenje prvega visokofrekvenčnega stikala ADG936 kanala A


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.


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


PRILOGE:

Naslov študenta

Evgen Kozelj Šmartno ob Paki 84 3327 Šmartno ob Paki Tel.: (03) 5886 – 028, 031 875 506 e-mail: [email protected]

Documents

MIKROKRMILNIŠKO KRMILJENJE VHODNEGA SLABILNIKA … · bomo narisali v OrCAD-u in Layout-u in s pomo čjo rezkalnega stroja izdelali tiskano vezje, na katero bomo »prispajkali«