Часы-осциллограф: время вашей инженерной жизни

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2013

Sam Davis

Power Electronics

Описанное как «Самая немодная вещь, которую вы можете носить на запястье», устройство Oscilloscope Watch совмещает в себе функции современных часов (время, календарь, будильник и пр.), осциллографа, генератора сигналов, логического анализатора, анализатора протоколов и частотомера. Прибор был разработан Габриэлем Анзиэни (Gabriel Anzziani), основателем и исполнительным директором небольшой компании Gabotronics, специализирующейся на создании современного, дешевого и малогабаритного измерительного оборудования.

Рисунок 1.	Ручной осциллограф Xprotolab.

Одним из первых изделий, выпущенных компанией Gabotronics, был ручной осциллограф Xprotolab (Рисунок 1), в дальнейшем послуживший прототипом при разработке Oscilloscope Watch. В настоящее время проект Watch, первый вариант которого показан на Рисунке 2, полностью финансируются через Kickstarter. Устройство начало продаваться в 2014 году по цене $150. Осциллограф Xprotolab тогда стоил $98.

Рисунок 2.	Прототип Oscilloscope Watch.

Мозгом устройства служит мощный 8-разрядный микроконтроллер XMEGA. Написать для него собственные приложения на Си или ассемблере не составит труда, поскольку пользователям предоставлен свободный доступ ко всей конструкторской и программной документации. Особое внимание уделялось увеличению продолжительности непрерывной работы аккумулятора. Когда осциллограф не нужен, и аналоговая секция прибора отключена, требуемая периодичность заряда аккумулятора составит 30 дней. При использовании осциллографа аккумулятор прослужит порядка 12 часов. Это предварительные оценки, которые могут измениться, если для уменьшения размеров прибора будет решено использовать аккумулятор другого типа. Основные режимы прибора проиллюстрированы Рисунком 3.

Рисунок 3.	Режимы и функции Oscilloscope Watch.

Корпус будет изготавливаться из пластмассы. Хотя, на первый взгляд, прототип выглядит крупным, все же, он не намного больше, чем обычные спортивные часы. Тем не менее, одной из заявленных целей проекта будет уменьшение размеров устройства.

Одним из сложных аспектов проекта являются щупы. Осциллограф, не укомплектованный щупами, не может быть истинно портативным. Проблема может решаться несколькими способами:

1. Носить щупы на брелоке для ключей.
2. Сделать из кабелей щупов браслет.
3. Использовать щупы в качестве часового ремешка.

Первый вариант реализуется проще всего. Возможно, это будет небольшой корпус, или же выдвижной кабель, аналогичный тому, который можно встретить в миниатюрных USB мышах. Варианты 2 и 3 также могут быть рассмотрены в том случае, если к ним проявят интерес спонсоры.

Кроме того, будет разработан подключаемый к 9-контактной вилке специальный адаптер разъема BNC, что позволит использовать стандартные щупы от любого осциллографа.

В оригинальном Xprotolab используется дисплей на основе OLED, которому было отдано предпочтение за высокий контраст и малую инерционность. Однако для устройств с ограниченным ресурсом питания OLED будут не лучшим выбором. В Oscilloscope Watch предполагается устанавливать дисплей 1.28" на основе электронной бумаги, совмещающий высокую скорость регенерации, отличный контраст и очень низкую мощность потребления.

Особенности

• Осциллограф смешанных сигналов с одновременной выборкой аналоговых и цифровых сигналов.
• Расширенные возможности синхронизации по переднему или заднему фронту с регулировкой уровня: нормальная/однократный запуск/ авто.
• Режимы измерений: среднее, пик-пик, частота.
• Режим XY (построение фигур Лиссажу или наблюдение сдвига фаз между сигналами).
• Анализатор спектра с различными опциями отображения и выбираемым форматом вертикальной оси.
• Режим автоматических измерений с горизонтальными и вертикальными курсорами.
• Генератор сигналов произвольной формы со свипированием всех параметров.
• Опции отображения: послесвечение, четыре варианта разметки (сетки) и прочее.
• Функция самописца.

Технические характеристики

Общие

• Микроконтроллер ATxmega256A3U: 256 КБ Flash, 16 КБ SRAM, 4 КБ EEPROM
• ЖК дисплей Sharp Memory 128 × 128 пикселей с диагональю экрана 1.28"
• Приблизительные габариты 51 × 41 × 15 мм
• Литий-ионный аккумулятор емкостью 400 мА×ч, заряжаемый через гнездо разъема micro USB
• Внутренний интерфейс PDI
• 8 тактильных переключателей.
• Интерфейс USB для работы с приложениями ПК и Android.

Логический анализатор

• 8 цифровых входов, совместимых с интерфейсами 3.3 В / 5 В
• Максимальная частота выборок 16 MSPS
• Частотомер с диапазоном измерений16 МГц
• Размер буфера 4096 байт

Анализатор протоколов

• UART: 5, 6, 7 или 8 битов данных, объем буфера 2560 байт
• SPI: максимальная частота 439 кГц, все комбинации CPOL и CPHA, объем буфера 2560 байт
• I²C: максимальная частота 400 кГц, объем буфера 2048 байт

Осциллограф

• 2 аналоговых входа
• Максимальная частота выборок 4 MSPS
• Полоса пропускания аналогового сигнала 200 кГц
• Разрешение 8 бит
• Входной импеданс 1 МОм / 15 пФ
• Размер буфера 4096 байт на канал
• Диапазон входных напряжений от –14 В до +20 В

Генератор сигналов произвольной формы

• Один аналоговый выход
• Максимальная скорость преобразования 1 MSPS
• Фильтр нижних частот 50 кГц
• Разрешение 8 бит
• Выходной ток не менее ±7 мА
• Размер буфера 512 байт
• Выходное напряжение ±4 В

Разработка электроники уже закончена. Прошивка микроконтроллера, в основном, будет позаимствована у Xprotolab, но в нее будет добавлено несколько специфических для часов функций. Готова вторая версия печатной платы.

Печатная плата четырехслойная (Рисунок 4). Большинство резисторов и конденсаторов имеют типоразмер 0603, а некоторые из использованных микросхем выпускаются в гораздо боле миниатюрных корпусах, так что у разработчиков остается еще много места и возможностей для будущих модификаций прибора. При разработке конструкции корпуса использовалась 3D модель печатной платы.

Рисунок 4.	Печатная плата Oscilloscope Watch в сборе.

Габриэль Анзиэни

Габриэль Анзиэни – инженер-элетронщик из Венесуэлы, в 2003 году окончивший университет имени Симона Боливара.

Компанию Gabotronics Анзиэни основал во Флориде в феврале 2009 года, однако название для нее придумал на много лет раньше, когда в детском возрасте начинал знакомство со своей будущей профессией, ломая игрушки и старые электронные устройства, чтобы понять, как и почему они работают.

Gabotronics включена компанией Atmel в список ее независимых поставщиков.

Помимо электроники, Габриэль увлекается музыкой, шахматами и ездой на велосипеде.