Тестер ОУ
Часть 1. Устройство и функциональная схема
Функциональная схема прибора
Предполагаем, что вы уже прочитали предисловие, в котором обсуждается базовая схема измерений и тот набор параметров ОУ, который мы будем измерять, а также раздел, посвященный реализованной в тестере ОУ методике измерений. Если еще нет, то прежде всего вернитесь к этим частям публикации, иначе все дальнейшее вам будет не вполне понятно. А для тех, кто эти вступительные разделы уже прочитал, начнем знакомство с устройством тестера ОУ с рассмотрения его функциональной схемы.
На схеме показаны только наиболее важные элементы прибора, а второстепенные элементы либо показаны в упрощенном виде, либо не показаны вовсе. Это облегчает понимание того, как тестер ОУ устроен в целом, не отвлекая внимание читателя на малозначительные детали.
Рассматривать эту схему лучше всего в сопоставлении с базовой схемой. Для этого откройте документ Renesas Electronics, который мы обсуждали в предисловии к этой публикации, найдите там рисунок, обозначенный как "Figure 1. Test Circuit for Measuring Key DC Parameters of Op-Amps" и, читая дальнейшее описание функциональной схемы тестера ОУ на этой странице, находите соответствия между элементами обеих схем.
На схеме рис.1 показаны следующие основные функциональные узлы прибора:
- U1 - плата регуляторов напряжения (Voltage Regulator Board), вырабатывающая питающие напряжения для аналоговой и для цифровой частей прибора. Состоит из двух изолированных друг от друга регуляторов - биполярного преобразователя напряжения, вырабатывающего напряжения питания +15 В и -15 В для аналоговой части тестера ОУ и линейного регулятора напряжения +3,3 В для его цифровой части.
Напряжения +15 В и -15 В используются для питания вспомогательного ОУ и дифференциального усилителя, находящихся на главной плате прибора. Они же являются входными для программируемого источника питания.
Для цифровой части прибора, включающей в себя микроконтроллер и дисплей, используется напряжение +3,3 В, вырабатываемое линейным регулятором.
Регуляторы напряжений аналоговой и цифровой части имеют раздельные общие провода, обозначенные на схеме как GND-A и GND-D. Изоляция цифровой части прибора от чувствительной к помехам аналоговой части позволяет резко повысить точность и стабильность (повторяемость) результатов измерений. - U2 - программируемый источник питания (Programmable power supply, PPS), обеспечивающий питающие напряжения V+ и V- для испытуемого ОУ. Величины выходных напряжений этого источника задаются микроконтроллером, который записывает соответствующие коды в рабочие регистры двух аналогово-цифровых преобразователей (2-channel DAC). Таким образом, PPS заменяет собой несколько источников питания с фиксированными напряжениями и переключатели S4 и S5 базовой схемы. Напряжение V+ может меняться в диапазоне 0...+13,5 В, а V- в диапазоне 0...-13,5 В.
- U3 - микроконтроллер, управляющий всеми процессами измерений и отображением информации на дисплее.
- U4 - Плата испытуемого ОУ (Socket board) с панельками для его подключения. На базовой схеме он обозначен как A1 DUT (Device Under Test).
- U5 - Главная плата прибора. (Main board). На этой плате расположены все основные элементы измерительной схемы. Сопоставляя упрощенную схему главной платы, показанную на рис.4, с базовой схемой, легко увидеть, что вспомогательный ОУ А2 (AUX), включенный по схеме интегратора, и другие элементы схемы в точности ей соответствуют. Функции переключателей S1, S2 и S3 базовой схемы выполняют контакты реле, а управляет этими реле микроконтроллер с помощью электронных ключей.
На главной плате находятся и некоторые элементы, которых в базовой схеме не было. Это датчик тока (шунт R7 сопротивлением 10 Ом) и дифференциальный усилитель, необходимые для измерения потребляемого испытуемым ОУ тока, а также аналогово-цифровой преобразователь (АЦП - "ADC module"), преобразующий выходные напряжения вспомогательного ОУ и дифференциального усилителя в цифровую форму для дальнейшей обработки микроконтроллером.
Выход вспомогательного ОУ соединен со входом АЦП через делитель напряжения и схему сдвига уровня (Voltage Divider and Level Shift) для того чтобы привести диапазон выходных напряжений ОУ (примерно -13,5...+13,5 В) к диапазону входных напряжений АЦП (0...4,096 В). - U6 - цветной графический ЖК дисплей, отображающий результаты измерений и различную служебную информацию. Для управления прибором предназначены три кнопки SW1-SW3, подключенные ко входам микроконтроллера.
- U7 - цифровой двунаправленный изолятор, передающий данные и сигналы управления шины I2C от микроконтроллера к микросхемам ЦАП и АЦП и обратно. Необходим для передачи данных между цифровой и аналоговой частями прибора без гальванического соединения этих частей между собой (при отсутствии общего провода).
Красными пунктирными линиями на рис. 4 обозначены те участки схемы, где проходит изоляция цифровой и аналоговой частей тестера ОУ. На плате регуляторов напряжения U1 эта изоляция обеспечивается за счет двух отдельных источников питания, не имеющих общего провода. На главной плате U5 изоляция реализована при помощи электромагнитных реле, обмотки которых вместе с управляющими ими электронными ключами находятся в цифровой части, а контакты - в аналоговой. И, наконец, шина I2C разделена на две части, не имеющие гальванической связи друг с другом, посредством цифрового двунаправленного изолятора U7.
Тестер ОУ выполняет измерения в соответствии с таблицей "Table 1. Switch Positions for Measuring the Key DC Parameters of an Op-Amp" из документа Renesas Electronics. Как именно это происходит, можно более подробно прочитать под спойлером ниже, но надеемся, что внимательный читатель, ознакомившийся с основополагающими документами и разобравшийся с функциональной схемой, уже и так все понял.
При включении тестера ОУ в рабочие регистры ЦАП программируемого источника питания (PPS) U2 записываются коды, соответствующие нулевым выходным напряжениям +V и -V, таким образом панелька, куда вставляется испытуемый ОУ, обесточена. Прибор находится в режиме ожидания, в это время можно установить в него ОУ, параметры которого будут измеряться.
При нажатии кнопки Start микроконтроллер, управляя PPS, выставляет на его выходах +V и -V необходимые напряжения питания испытуемого ОУ, например, ±12 В для стандартных ОУ или ±2,5 В для ОУ с низковольтным питанием.
Затем, управляя реле K1, K2 и K3 на главной плате U5 в соответствии с временной диаграммой рис. 3, рассмотренной нами в предыдущей части этой публикации, микроконтроллер последовательно переводит измерительную схему в режим измерения каждого из параметров. При этом для измерения некоторых параметров требуется также изменение напряжений питания испытуемого ОУ. Это достигается путем записи соответствующих значений в рабочие регистры ЦАП PPS.
Для вычисления каждого из параметров испытуемого ОУ микроконтроллер измеряет напряжение на выходе вспомогательного ОУ А2 (AUX), считывая данные из АЦП (канал A0), находящегося на главной плате. Далее измеренные значения напряжений пересчитываются в величины параметров ОУ по формулам, приведенным в документе Renesas Electronics.
В дополнение к шести основным параметрам ОУ, измеряемым и вычисляемым в соответствии с документом Renesas Electronics, тестер ОУ измеряет также потребляемый испытуемым ОУ ток. Для этого микроконтроллер измеряет напряжение на выходе дифференциального усилителя, считывая данные из АЦП (канал A2). Это напряжение пропорционально потребляемому микросхемой току, протекающему через шунт R7. Кроме того вычисляется дрейф напряжения смещения, о чем подробно было рассказано в предыдущей части этой публикации.
По окончанию всех вычислений результаты выводятся на дисплей.
Как видно из этого краткого описания, пользователю для измерения восьми основных параметров ОУ нет необходимости долго щелкать переключателями, записывать показания вольтметра и производить какие либо расчеты, как это предполагалось базовой схемой. Достаточно установить испытуемый ОУ в панельку, нажать кнопку Start и дождаться, когда готовые значения параметров будут отображены на экране. В этом и заключается одно из преимуществ автоматизированных измерений над традиционными, о чем мы уже говорили в предисловии к этой публикации, а также в других публикациях на этом сайте.
Из семи перечисленных функциональных узлов тестера ОУ три (микроконтроллер U3, дисплей U6 и цифровой двунаправленный изолятор U7) являются покупными, а четыре других необходимо будет изготовить самостоятельно.
U3. Микроконтроллер
В качестве микроконтроллера использована плата на базе STM32F103CBT6 - версия популярной платы "blue pill" с увеличенным до 128 kB объемом FLASH-памяти. Обратите внимание на букву "B" в обозначении микроконтроллера, именно эта буква означает объем программной памяти равный 128 kB. Повышенный расход памяти связан с использованием в приборе графического дисплея, что требует значительного пространства для хранения шрифтов и довольно объемной графической библиотеки. Важно также, что запас свободной памяти позволит в будущем развивать программное обеспечение прибора, улучшая его характеристики и добавляя в него новые функции без каких-либо изменений в аппаратной части.
Тактовая частота 72 МГц, разрядность 32 бита и аппаратная поддержка различных шин для связи с периферией позволяет строить на основе такого микроконтроллера достаточно производительные и при этом недорогие устройства для самых разных целей. Программировать его можно в среде Arduino IDE, причем многие библиотеки, которые мы привыкли использовать с микроконтроллерами Arduino, будут работать и с STM32, так что читателям, имеющим опыт работы с Arduino, сильно переучиваться не придется.
Возвращаясь к функциональной схеме тестера ОУ (рис. 4) отметим, что микроконтроллер взаимодействует со всеми остальными частями прибора при помощи трех шин и нескольких входов-выходов общего назначения:
- Шина I2C служит для обмена информацией с программируемым источником питания U2 и с АЦП, находящимся на главной плате U5. Учитывая, что питание цифровой части прибора, включая микроконтроллер, изолировано от аналоговой части, шина I2C также разделена на две изолированные друг от друга части при помощи микросхемы двунаправленного цифрового изолятора ISO1540 или ADuM1250 (Digital bidirectional isolator).
- Шина SPI используется для вывода информации на дисплей U6.
- Шина Serial необходима для подключения к внешнему программатору (USB-to-TTL конвертеру). Он не нужен для работы прибора и используется только для загрузки прошивки в микроконтроллер при изготовлении прибора и для последующего обновления прошивки в процессе его эксплуатации.
- Три выхода общего назначения микроконтроллера (PB8, PB9 и PB10) через электронные ключи управляют реле на главной плате прибора, переключая тем самым измеряемые параметры ОУ.
- Три входа микроконтроллера (PB12, PB13 и PB14) использованы для подключения кнопок управления.
U6. Графический дисплей
В приборе используется модуль цветного графического ЖК дисплея с диагональю экрана 2.4 дюйма. Разрешение экрана - 240*320 точек, размер видимой области - 36.72*48.96 мм. Интерфейс для связи с микроконтроллером - SPI, драйвер дисплея - ST7789V. В продаже такие модули имеются как с сенсорным экраном (тачскрином), так и без него, в нашем случае тачскрин не используется, поэтому можно приобретать более дешевый вариант. На задней стороне печатной платы модуля имеется гнездо для установки карты памяти формата SD, которую, в принципе, можно было бы использовать для хранения какой-нибудь полезной информации, например, справочных данных ОУ, результатов измерений или каких-либо графических файлов. Однако, в текущей версии тестера ОУ эта возможность пока не используется. Читатели могут самостоятельно придумать, для чего им могут понадобиться большие объемы данных, хранимые на карточке памяти, и добавить соответствующие функции в прошивку.
U7. Цифровой двунаправленный изолятор
В качестве двунаправленного цифрового изолятора использован готовый модуль на базе микросхемы ISO1540 (фото справа). Он специально предназначен для изоляции шины I2C, обеспечивая двунаправленную передачу сигналов SDA и SCL без гальванической связи между цифровой и аналоговой частями прибора. В нашем случае он также выполняет функцию преобразователя уровней логических сигналов, поскольку цифровая часть тестера ОУ (микроконтроллер) питается напряжением +3.3 В, а модули ЦАП и АЦП, находящиеся в аналоговой части - напряжением +5 В. На плате имеются резисторы для подтяжки цепей SDA и SCL к плюсу источников питания как с аналоговой стороны микросхемы изолятора, так и с цифровой.
При отсутствии готового модуля изолятора можно изготовить его самостоятельно, купив микросхему ISO1540 или ее аналог ADuM1250 и припаяв ее к плате-адаптеру, показанному на фото слева. Кроме микросхемы нужно будет установить на эту плату два резистора сопротивлением 2,2...4,7 кОм для подтяжки цепей SDA и SCL к цепи +3,3 В с цифровой стороны микросхемы изолятора. С аналоговой стороны соответствующие резисторы имеются на модулях ЦАП и АЦП, поэтому устанавливать их на плату цифрового изолятора нет необходимости.
Далее в этой публикации мы подробно рассмотрим принципиальные схемы и конструкции каждого из самостоятельно изготавливаемых функциональных узлов, а затем - полную электрическую схему прибора.