Meranie obvodu hodinových impulzov MCU

Úloha

  1. Overte funkčnosť generátora hodinových impulzov MCU oscilátora riadeným kryštálom.
  2. Pomocou dvojkanálového osciloskopu zmerajte priebehy signálov na vývodoch OSC1 a OSC2. Zistite frekvenciu, periódu, napäťové úrovne, a rozkmit jednotlivých signálov.
  3. Uložte si obrazovku s nameranými hodnotami a vložte ju do dokumentácie
  4. Zmerajte čo najpresnejšie frekvenciu oscilátora pomocou čítača HP5334B.

Teoretický rozbor

Využite teoretické a praktické znalosti za predmetu Elektronika 1,2 ročník, Elektrotechnické meranie 3 ročník, Prax 1,2,3 ročník

Postup

  1. Zapnite si osciloskop a pripojte na kanál 1 a 2 osciloskopické sondy.
    Dodržte farebné označenie kanálov a sond.
  2. Sondy prepnite malým čiernym prepínačom na tele sondy na delič 10X. Ak by ste nechali prepnutý prepínač v polohe 1X (bez deliča) obvod oscilátora by bol zaťažený pomerne malou vstupnou impedanciu osciloskou a toto spôsobí zatlmenie oscilátora. Zatlmenie oscilátora znamená že obvod prestane kmitať.

  3. Na tomto obrázku vidíte ako májú byť nastavené oba kanály. Neľakajte sa že tam nevidíte signál. Ten sa tam zobrazí až keď bude doska zapnutá a pripojená. Nám ide teraz o predbežné nastavenie vstupných kanálov.
  4. Meny na nastavenie kanálov ktoré vidíte v ľavej časti sa aktivuje tlačítkom s číslom kanála ktoré je umiestnené v farebnom rámčeku príslušnej farby ako je označený vstup. Opakované stisnutie spôsobuje zapínanie a vypínanie zobrazovania kanála na obrazovke.
  5. Ako prvé (číslica 1 na obrázku) skontrolujte či je nastavená jednosmerná väzba DC vstupu k obvodu.
  6. Ako druhé (číslica 2 na obrázku) nastavte zoslabenie signálu na hodnotu 10X. To preto, lebo sme na sonde také zoslabenie signálu prepli. Osciloskop nevie akú sondu má na vstupe ani ako je nastavená. Za správne nastavenie je zodpovedná osoba vykonávajúca meranie.
  7. Po tretie (číslica 3 na obrázku) si môžete nastaviť označenie kanála. Robí sa to pomocou voľby More a potom Label
  8. Za štvrté by sme mali nastaviť správnu citlivosť kanála na danom vstupe. Dá sa to robiť dvomi spôsobmi. Jeden je gombíkom ktorý sa nachádza pod tlačítkom ktorým sa zapína kanál. Otáčaním v smere hodinových ručiek sa citlivosť znižuje, opačným smerom zvyšuje.
    Nad tlačítkom je druhý gombík, týmto sa nastavuje offset v osy Y. Teda umožňuje posúvať stopu po obrazovke nahor a nadol.
    Druhá možnosť je využívať dotykovú obrazovku.
  9. Piata vec na nastavenie je rýchlosť časovej základne. Inak povedané ako veľa vzoriek sa urobí a aký dlhý čas sa zobrazí. Počet vzoriek je 2Giga za sekundu a pre našu očakávanú frekvenciu 16MHz je celkom vhodný čas 20ns na dielik. Toto sa nastavuje gombíkom označeným ako scale. A samozrejme sa to dá nastaviť aj pomocou dotykovej obrazovky.
  10. Nezabudnite nastaviť oba kanály

  11. Ďalej treba nastaviť spúšťanie (Trigger) osciloskopu. Meny sa aktivuje tlačidlom Menu v časti označenej ako trigger.
  12. Typ spúšťania (č.1) treba nastaviť na hranu/edge
  13. Zdroj spúštania bude kanál č. 1 CH1 (číslica 2)
  14. Sklon/slope v tomto meraní nie je dôležitý na obrázku (č.3) je zvolená nábežná hrana.
  15. Väzba je jednosmerná DC (č.4)
  16. Úroveň spúšťania (č.6) je nastavená tak približne do stredu. Presná hodnota sa uvádza v (č.5) Nastavovanie sa robí gombíkom Level opäť v časti označenej ako Trigger.
  17. Pre jednotlivé kanály si ešte tlačítkom Meranie/Measure a potom voľbou Add pridajte meranie frekvencie a periódy.
  18. Teraz pripojte dosku k napájaniu k arduino doske. Zoberte sondy a krokodílky pripojte na nulový potenciál. Ak sú na sondách háčiky, tak ich zložte. Sondou prvého kanála sa dotknite vývodu OSC1 na MCU. Ktorý je to vývod a kde sa nachádza si zistíte zo schémy a DPS. Druhou rukou stisnite tlačidlo Auto v pravom hornom rohu osciloskopu. Osciloskop by sa mal nastaviť a zobraziť signál ako ho vidíte na obrázku. Samozrejme že zatiaľ iba jeden (žltý). Ak sa zobrazuje iba vodorovná čiara, ukazuje to na chybu oscilátora. Pre istoru si na funkčnej doske overte či máte osciloskop dobre nastavený a či tam tento signál uvidíte.
    V každom prípade privolajte vyučujúceho a ukážte mu nameraný signál alebo ho informujte že je niekde nejaký problém.
  19. Ak sa podrarí namerať signál na OSC1, tak požiadajte o pomoc spolužiaka. Dotknite sa súčastne OSC1 jednou sondou a OSC2 druhou sondou. Spolužiak nech nastaví offset tak aby boli vidno oba priebehy. Potom nech prepne režim osciloskopu zo stavu Run do stavu Stop Samozrejme tak aby boli pekne viditelné oba signály

  20. Nakoniec sa už len zobrazia a nastavia kurzory a uloží sa výsledok merania ako obrázok
  21. Meny kurzorov sa zapína tlačítkom Cursor
  22. Potom sa nastaví mod zobrazenia na Manual (č.1)
  23. Potom sa vyberie nastavenie vodorovných kurzorov (č.2)
  24. Pokračuje sa výberom zdroja ktorý majú kurzory označovať. Čo je v tomto prípade kánal číslo 1. (č.3)
  25. Teraz sa zvolí kurzor AY/BY a točením gombíkom bez označenia vedľa Measure sa nastaví pozícia kurzora na vhodné miesto kde chceme odčítať hodnotu. (č.4)
  26. Predošlý postup sa opakuje potom čo sa ale zvolí druhý kurzor zvislý. AX/BX (č.5)
  27. Teraz sa zvolí zobrazenie druhého páru kurzorov a nastavia sa rovnako ako v predošlých dvoch bodoch.
  28. Počas celého nastavovania v okienku (č.6) vidíte údaje odčítané na mieste kurzorov, plus vypočítané nejaké zaujímavé hodnoty ako je rozdiel hodnôt oboch kurzorov. V časovej osi je aj prevrátená hodnota tohto rozdielu, ktorá udáva frekvenciu signálu.
  29. Obrázok merania sa dá uložiť dvomi spôsobmi. Jednak sa k osciloskopu môžete pripojiť cez prehliadač na adrese 10.3.70.253. Následne si urobíte printscreen obrazovky a obrázok si uložíte do dokumentácie.

    Ak by pripojenie po sieti nefungovalo, tak je možné obrázok uložiť na USB kľúč pomocou tlačítka Storage. Tam sa dá kde-čo nastaviť a pomocou príkazu Save uložiť. Pozor disk C je interný disk osciloskopu. Treba si vybrať disk na ktorom je pripojený USB disk.

  30. Meranie frekvencie čítačom je na rozdiel od merania frekvencie osciloskopom presnejšie, rýchlejšie a pohodlnejšie.

    Zapnite čítač (č.1). Odpojte jednu sondu z osciloskopu a pripojte si ju na vstup A čítača. (č.2) Zvolte meranie frekvencie na vstupe A. (č.3) Zapnite funkciu Auto Trigger. (č.5) a nastavte úroveň spúšťania tak aby hodnota na displeji bola stabilná.
  31. Na displeji odčítajte hodnotu frekvencie oscilátora. Porovnajte s predpokladanou hodnotou. Vypočítajte akú odchýlku za 24 hodín spôsobí nameraná nepresnosť.

Záver

Cieľom je mať overenú funkčnosť oscilačného obvodu. Ak by totiž z nejakého dôvodu nekmital tak nie je možné aby sa vykonával program v MCU a nedá sa ani MCU v doske naprogramovať.

Druhým cieľom je zistiť ako presne beží oscilátor a akú asi tak môžeme očakávať chybu zobrazovania času napríklad za 24hodín.

Otázky na zamyslenie

  1. Aká je impedancia vstupu osciloskopu ak je sonda nastavená na priamy vstup bez deliča (prepínač v polohe 1X).
  2. Aká je impedancia vstupu osciloskopu ak je sonda nastavená na vstup s deličom (prepínač v polohe 10X).
  3. Odmerali ste skutočnú frekvenciu oscilátora?
  4. Aká by mala byť hodnota frekvencie oscilácií aby chod hodín bol presný.
  5. Vplýva na presnosť chodu hodín aj niečo iné než presnosť frekvencie ocilátora?
  6. O koľko stupňou sú posunuté signály OSC1 a OSC2. Vysvetlite prečo je tomu tak.
  7. Prečo relatívne malá impedancia vstupu spôsobí zatlmenie oscilácií.
  8. Aký veľký je rozkmit signálu OSC1?
  9. Špecifikujte signál OSC1 zopár prídavnými menami, ktoré špecifikujú tvar tohto signálu.
  10. Ako sa prepočíta frekvencia na periódu?
  11. Označte na obrázku jednu periódu signálu.