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Arduinoで作るペン型オシロ(振り返り編)

 この記事の内容は前の記事の末尾に追記しようと思っていたのですが、ちょっとボリュームが大きくなったので、こちらにまとめることにしました。

◆性能上の問題点
 実用上はあまり支障は無いのですが、以下のような問題点というか課題があります。もし同じ物を作られる方がいて、悩まれたりすると申し訳ないので、ここに開示しておきます。

1.残留ノイズが大きい
 感度を上げて行くとノイズが目立ってきて、入力をGNDに落としても20mVくらいの残留ノイズがあります。特にオートレンジ (A 5V, A50V) では自動的に縦軸を拡大するのでノイズが目立ちます。
▼残留ノイズ
残留ノイズ
 デカップリングの強化やCPUのAVcc にインダクタを入れるなどの対策を行ったのですが、効果はあまりありませんでした。

2.200usレンジの波形歪
 最高速レンジの200μsで波形の歪(ギザギザ)が目立ちます。歪が発生する電圧は同じなので、ADCの出力で桁上がりが発生する時に滑らかに値が変化していないような気がします。なお、500μsレンジではこの問題はありません。また、CPUを交換しても状況は同じでした。
▼200usレンジでの波形歪
200us時の波形歪
 三角波の観察結果です。波形のあちこちに引っ掛かりがあります。

◆使い方のTips
1.負電圧はプローブを入れ替えて測定
 このオシロはGNDに対してプラスの電圧波形しか観察出来ません。もし負の電圧を観察したい場合は、測定端子を入れ替えて接続すればOKです。電池式なのでこんな芸当が出来ます。
 こんなことをすると、相手の回路の信号側にオシロのアース側が接続されて、ノイズ増加などの影響が出ることがあります。そんなことで、万能ではありませんが、ともかくこういう手があることを知っておくと良いでしょう。
 ちなみにアナログテスターの時代は、逆接すると針が反対向きに振れるので、おっといけない、ということで本能的にテスター棒を逆に接続してましたが、あれと同じです。

2.交流電圧測定
 このオシロにはACカップルモードが無いので、GNDをまたいだ波形の負側を見ることが出来ません。これでは特にオーディオ信号を観察したい場合に不便だと思います。

 そういう時に作っておくと便利な物を紹介します。

▼電池式DCオフセットアダプタ
電池式オフセットアダプタ

電池式オフセットアダプタ
 アルカリのボタン電池にピンヘッダとピンソケットをはんだ付けした物です(電池へのはんだ付けはいろいろ問題があるので、推奨しません)。2ピンのピンソケットを使っているのは、形状的に安定するからで、他意はありません。なお、端子間に0.1μFくらいのコンデンサを入れておきたい感じですが、面倒なので省略しています。

 ともかくこれを使うと約1.5Vのオフセットを発生させることが出来るので、

▼使い方
1.5VオフセットでAC波形測定
 オシロのGND端子に取り付けることで、約1.5VがGNDレベルになり、AC波形の観察が出来るようになります。電圧が足らなければ電池を増やすか、リチウム電池を使うと良いでしょう。

▼残留ノイズ
1.5Vの残留ノイズ
 電池の先端を入力端子に接続した状態です。正負が見えるので、シングルエンドの時よりノイズが増えてます。これが本当のノイズの波形なんでしょう。

◆まとめ
 0.96インチのOLEDグラフィックディスプレイを買ったのがきっかけで、オシロ作りまで発展してしまいました。実際にやってみないと判らなかったことが沢山あって、楽しくかつ良い経験になりました。

 さて、表示デバイスはこのままで、もっと高性能なCPUを使えば性能を上げることが出来そうです。ただ、ATmega328のようなDipのチップは無さそうなのが辛いところです。何かうまい手があれば挑戦してみたいです。

Arduinoで作るペン型オシロ(ソフト解説編)

 ペン型オシロスコープ作りの話の最終回、今回はソフト解説というか操作解説編です。とは言っても細かいことを書いていると切りが無いし、プログラムのコメントにある程度のことは書いてあります。

 ということで、ここでは重要な項目や、特に注意した点などを書いておきます。

1.仕様
◆オシロ機能
・最高サンプリング速度:8μs, 記録長:200データー、表示範囲:100データー(固定)
・水平軸: 200ms. 100ms, 50ms, 20ms, 10ms, 5ms, 2ms, 1ms, 500us, 200us
・垂直軸: 0.2V, 0.5V, 1V, 2V, 5V, 10V, 20V, 50V, A 5V. A50V
 測定範囲は正の電圧のみ。最小電圧は0V固定。但し、A 5VとA50Vレンジでは信号の最小/最大に追従して自動拡大。
・トリガ:PP中間点のAutoトリガ機能のみ実装 (Normal, Singleトリガは無し)。正負スロープの選択可能。トリガ検出ミス表示(Unsync表示)
・その他機能:波形平均値表示機能。波形ホールド機能。設定状態保存機能(リジューム機能)。

◆デジタルマルチメーター機能
 電源ON時のボタン同時押しでデジタル電圧モードが起動。
 +ボタン:5Vレンジ、-ボタン:50Vレンジ、SELボタン:バッテリー電圧表示。

◆電源
 単四電池(ニッケル水素も可)2本、電池消費電流:52mA@2.4V、電池寿命:約12時間

2.プログラム
 ペン型オシロのスケッチ20190226版 (V1.1)

◆特記事項
・RAM不足対策:PROGMEMを使用
・スイッチの取りこぼし対策:スイッチの状態をダイオードで合成してPin2からAttachInterruptで割り込み
 (私のやり方がへぼい可能性大ですが、、)
・低速スイープ時のレスポンス改善:ボタン操作があれば、波形メモリの書き込みを中断(低速スイープ時のみ)。

▼動画


◆まとめ
・結構実用的な物が出来たと思います。

・出来ればスイープ速度がもっと早くなるといいのですが、このCPU(ATmaga328P, 16MHz)では限界に近いと思います。世の中にはもっと高速なCPUがあるので、機会があれば勉強して挑戦してみたいです。

・性能的にちょっと気になる点があるので、あとで追記します。次の記事にまとめました。

※ このオシロに関する記事は、ペン型オシロスコープのカテゴリにまとめています。

Arduinoで作るペン型オシロ(ハード解説編)

 ペン型オシロの製作の話です。前回のケース製作編に続き、今回はハード解説編です。

▼ペン型オシロ
ペン型オシロ

▼回路図 (図をクリックで別窓に大きな図を表示)
ペン型オシロ、回路図
 コネクタで分割出来るようにしたので、やや複雑な回路図に見えますが、実際にはさほどでもありません。

 DCDCコンバーターは以前秋月で買った小型(6ピンDipサイズ)の物ですが、現在では販売されていないようです。まあ同等品はいろいろあると思います。

 電池の電圧検出ラインに入っているR6とC3は、DCDCコンバーターの運転で発生するリップル除去のために入れたのですが、ソフトで100回くらい測定して平均を出せば、たぶん省略しても大丈夫だと思います。

 では内部を見ていきます。

▼内部
ペン型オシロの内部
 構造編で説明したように、ケースはダイソーの箸箱を加工して作っています。文字は箸箱の名残り、ケースの上蓋の部分はヒンジで開く構造になっています。

▼基板を外した状態
基板を外した状態
 基板は4つのコネクタで接続されており、この写真のように完全に取り外すことが出来ます。なお、基板は特に固定していません。

▼基板(部品面)
ペン型オシロの基板(部品面)
 干渉する部分を削ったらこんな変な形の基板になってしまいました。ケースをもう少し長くしておけば、基板の面積を増やすことが出来たのですが、後の祭りでした。ということで、根性で部品を詰め込みました。なお、回路図には無い部品も載っていますが、調査の過程で追加した物なので、気にしないでください。

▼基板(配線面)
ペン型オシロの基板(配線面)
 例によって、青線が信号、赤線が電源で配線しています。

▼先端付近
ペン型オシロ、先端付近
 プローブの軸が黒いのは、収縮チューブを被せているためです。

▼裏面
側面、裏面
 電源を入れる時に上面のスイッチを押しておくと電圧計モードになります。先端のスイッチから順に、+ボタンは5V、-ボタンは50Vレンジ、SELECTボタンは内部バッテリー電圧測定モードが起動します。

 ちなみに、ボタンの機能を忘れそうなので、裏面に書いておきましたが、これが本当の裏メニューww

▼電圧測定モード
ペン型オシロ、電圧測定モード
 こんなことが出来ちゃいます。

◆まとめ
 ということで、ハードと実装の解説編でした。次回の記事はソフトの解説編を予定しています。

 なお、現在のスケッチは以下の通りです。以前の記事の回路図でもほとんどの機能は問題無く動くはずです。
 ペン型オシロのスケッチ20190226版


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