【我的设想】关于硬件部分设计的讨论

dvhome · 发表于 2009-3-20 11:05:09

目前需求需要的功能分别是按键检测、电源管理、LCM、MCU数字部分、MCU模拟部分、OP运放、前端输入保护等

这些需要分模拟、数字，在抗干扰方面要多加考虑

在电源管理方面：
需要实现自动关机功能，实现低功耗待机。

按键检测部分：
需要实现5~10个轻触开关的识别、1~2个编码器的识别，另外，考虑单独拿一个按键出来作为电源开关的自锁，这样可以实现超低待机功耗（因为在关机状态，MCU都不用工作耗电）

LCM部分：
实现背光可控，延长电池使用时间

OP运放的选择，请大家多多推荐型号，我们再来挑选，我自己的推荐是OP07。又便宜又大碗~~哈哈……而且，为什么推荐这个，还有一个更重要的理由，稍后再说。

前端输入保护，这个我暂时只想到了用二极管箝位。还没有很好的方案，请有好方案的同学不吝赐教！！

Layout方面，务必注意好模拟与数字部分的隔离和抗干扰。

dvhome · 发表于 2009-3-20 11:43:51

对于硬件设计，我建议分工如下：

1位负责元器件封装的制作

1位负责实际原理图制作和PCB layout

1位负责后期的原理、PCB检查、校对

具体用什么软件、谁负责哪部分，有三位负责这部分的网友自行商量决定，确认好了就在论坛上发帖子报个计划。

另外，时间和具体工作上的安排：

在分工确认好以后，负责元器件封装的网友就可以开始动工了，制作中尽可能保证封装的准确和规范。特别是原理封装和PCB封装引脚的对应。尽可能不让这些低级错误出现。

Layout方面，请大家都来提提意见。特别是模拟部分，譬如应该用多粗的线，安全间距应该是多少。譬如3W规范。我们能否借助这个活动真正获得这方面的知识，而不再靠猜、大概、估计这样的方式去决定。

另外，请大家多提供经过生产验证的经验、技巧。我个人现在对于前端的输入保护电路没有太多的概念，不知道在仪表行业一般是怎么做。

sadf123 · 发表于 2009-3-20 12:07:11

OP07的GBP不到1M,在应用中不太方便,建议使用TLC082系列的.它的GBP有10MHz.

dvhome · 发表于 2009-3-20 12:33:49

sadf123 兄

我选择OP07主要是考虑他的失调非常小，而且还可以通过外部微调。

至于带宽，本身STM8的AD速度也不高，木桶原理已经决定了。

my_avr · 发表于 2009-3-20 12:35:26

dvhome 的建议很有价值

信号输入端加TVS效果也不错。

ifree64 · 发表于 2009-3-20 12:38:32

赞同dvhome的观点。
“Layout方面，请大家都来提提意见。特别是模拟部分，譬如应该用多粗的线，安全间距应该是多少。譬如3W规范。我们能否借助这个活动真正获得这方面的知识，而不再靠猜、大概、估计这样的方式去决定。”
既然是开源项目，我想我们应该将设计、开发过程中的问题、相关讨论、思路、解决方案都开放出来，让参与和关注这个项目的朋友都通过这个它获得知识，有所收获。

dvhome · 发表于 2009-3-20 12:42:36

前端保护，我主要考虑的是如何实现一不小心接了超出规定电压时，不会烧掉仪器

不知道有没有可能以简单的方式实现

如果太复杂，那就取消这个

烧掉就烧掉呗，接错了也不能怪谁 ^_^

dvhome · 发表于 2009-3-20 12:47:54

OP的选择，我觉得主要考虑以下几点：

首先是噪声，噪声要尽可能小。这个包括输入噪声和输出噪声。
其次是失调电压、包括温飘
再者是带宽，我刚刚打开OP07的规格书看了一下，带宽是0.6MHz，sadf123 兄说的没错，确实是一个问题。
另外就是输入阻抗，这个也要合适。

ZealotNH · 发表于 2009-3-20 12:48:45

选则运放要先看电源部分如何设定。
手持示波器，应该用9V层叠电池供电，也就是单电源
粗略看了OP07 TLC082 DS 似乎不是轨至轨。
这样需要负压，电源部分就复杂了。

dvhome · 发表于 2009-3-20 13:08:22

电源部分，如果用层叠电池，要考虑整机能工作多长时间。

因为LCM的耗电比较大，层叠电池的容量都是比较小的。我看过最大的好像也才几百毫安时

而且，层叠电池，能充电的好像非常少吧？？

运放的选择，要考虑后面ADC的特性

我们是直接使用STM8的ADC，不能直接采集负压。

如果需要采集负压，那就必须在前端做电平平移了。

这个选择确实是一个非常重要非常关键的地方

请大家推荐！

pcj2007 · 发表于 2009-3-20 13:15:41

提个小小的建议，留下一个串口用于把AD触发的数据发到上位机上去，那样界面可以做得更大一点，也可以用上位机来设置系统参数，比如触发方式，扫描时间等等。这样功能更强一点，外出时就用LCM。
我计算过，1M的AD速度，采1ms时长也就1000个点，如果配合触发延迟，可以求得高速AD和用慢点的串口获得采样长度与显示的平衡。
vc上位机程序我正在写。本来是用于AVR m16的。看起来也用得上。
现在上位机可以定时的显示两个不同的波形。正在实现其它功能。。。代码公开GPL的。
只要楼主的程序中能接受上位机的串口发来的命令，和把触发引发的AD采样数据发上来，我想上位机是可以通用的。

0 (原文件名:Image00000.jpg)

ilikemcu · 发表于 2009-3-20 13:21:20

电源是否可以使用市面上拥有量很大的5号镍氢电池，经过升压IC升压，然后再做一级LDO稳压的方式给系统供电？现在这些芯片都很便宜，而且更利于把体积作小，叠层电池耗电太大的话，成本比较高。

sadf123 · 发表于 2009-3-20 13:25:02

dvhome 兄:

如果按照STM8的ADC有500KHZ的转换速率的话,输入带宽要大于500KHZ比较好.如果前级要放大一下的话,N倍的放大,就要N*500KHZ的带宽.
用带宽低的运放,我个人认为不太合适.

至于低失调和噪声的话,TLC082也是比较合适的.

对于 ZealotNH 发仔所言,最好使用轨对轨的运放,那是不错的.可是最好是使用双电源,可以提升运放的利用率和性能.

banyan_city · 发表于 2009-3-20 13:26:54

也喜欢用5号镍氢电池，方便

ZealotNH · 发表于 2009-3-20 13:28:11

几节5号或7号电池串联供电也不错

ZealotNH · 发表于 2009-3-20 13:31:16

或者用一节7号电池作为负压，就不用负压产生电路，运放选择就容易很多，甚至焊只通用运放TL082上去也勉强可以。
但似乎没见过有人这么做……

smallsnail · 发表于 2009-3-20 13:49:29

考虑不考虑内部输出自校准的信号？

sadf123 · 发表于 2009-3-20 14:18:00

15楼的方法好，值得采用．

dvhome · 发表于 2009-3-20 14:38:32

pcj2007 庞兄：
这个是肯定会做的。但第一版暂时不考虑，留个接口出来就行了

ilikemcu 我爱单片机兄：
主要是担心DC/DC的干扰。我们只有一个月的时间。

sadf123 兄：
你说的对，这个我确实欠考虑。因为我印象中OP07有6MHz左右的带宽。原来是0.6MHz，汗……

ZealotNH 发仔兄：
这样产生负压，好像不是很保障，有没有更好的方案？

smallsnail 燕青兄：
你是指做软件自校准？？还是指跟一般示波器一样，有一个标准信号源作为参考？

smallsnail · 发表于 2009-3-20 15:19:18

【18楼】 dvhome

就是每个数字示波器都具有的那个标准的3V 1KHz的方波信号。
数字示波器都具有自校正功能，自校正就是通过内部继电器切换将这个方波信号切换到通道输入端，然后通过内部软件进行的自校正。

dvhome · 发表于 2009-3-20 15:36:40

那这个就是单独做一个信号源了。暂时不考虑吧。

我是从几个方面来考虑的：

1、时间太短，没有办法做到这么多的东西，特别是内部自动校正，这个不是一时半会可以弄好的。
2、信号源的准确度的问题。要做到失真小，那电路相对就复杂了。这样空间、布局都有压力。
3、使用频率的问题。自校正功能的使用频率是很低的。一般都不会去用。手持设备的校准大部分都是通过另外的仪器来做的。在手持设备上去做自我校正，成本上不是很合算。

smallsnail · 发表于 2009-3-20 15:55:05

【20楼】 dvhome
明白，O(∩_∩)O~
期待更详细的规划出来！

my_avr · 发表于 2009-3-20 16:02:30

是否可以采用浮地的电源方式来解决负压问题？

my_avr · 发表于 2009-3-20 16:10:18

浮地供电 (原文件名:未命名.JPG)

ifree64 · 发表于 2009-3-20 16:39:40

可否考虑采用DC2DC转换芯片，转换得到负电压，然后再稳压。

ZealotNH · 发表于 2009-3-20 16:54:57

类似MAX232的电荷泵。MCU 出一个100K 50％的方波。

(原文件名:电荷泵.jpg)

sadf123 · 发表于 2009-3-20 17:10:27

那就用个232的片子,以便今后扩展与电脑通信.负压也有了.

dvhome · 发表于 2009-3-20 18:06:33

我的想法跟【23楼】 my_avr 不谋而合

但不能采用简单电阻分压，这样效率太低

我觉得采用三极管来做，或者是TDA2030来做，这样噪声、稳定性就有保障

这样做的问题就是功耗比较大，电源效率相对低

而采用DC/DC的话，在测量方面我个人没有什么成功经验，因此我本身是持谨慎意见的。

如果确实需要采用DC/DC，务必要用成熟方案，要加滤波方案。尽可能减低电源的噪声。

ywl0409 · 发表于 2009-3-20 19:29:10

23的图中,如果把上面那个R换成4节电池,下面那个R换成一节电池,就可以有双电源输出了.

ZealotNH · 发表于 2009-3-20 20:31:55

ywl0409 老黄牛

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23的图中,如果把上面那个R换成4节电池,下面那个R换成一节电池,就可以有双电源输出了.

这个方法是最实际、简单的。电池没电就拿出来充电或换。
只是用一只电池作负电的方法比较少见，但做事不必墨守成规。
正电源用LDO稳压供电就是了。噪音问题全无。

用运放产生中点电压，把单电源变成正负电源。
在这里MCU怎么接？MCU接中点电压？还是接电池负？
两种接法都有问题。一个是损耗大、MCU大电流时中点电压不稳定；另一个是白做。

dvhome · 发表于 2009-3-20 20:38:57

我原来是担心电池有个体差异，这样造成比较大的浪费

不过仔细想了一下，不管采用什么方式。只要是多节电池，都是存在这种问题。

如此看来，ywl0409 老黄牛和 ZealotNH 发仔提出的直接用电池做负电是可行的。而且这样避免的用电阻或三极管分压造成的损耗！

ifree64 · 发表于 2009-3-20 20:50:25

如下电路大家怎么看呢？

(原文件名:image001.png)

ywl0409 · 发表于 2009-3-20 21:59:57

MCU的地应该接中点,电池的负端接运放的负电源处,电池稳压后的输出接单片机的Vcc,电池的输出可以直接连到运放的正电源处.

dvhome · 发表于 2009-3-21 00:59:00

要考虑电平平移的问题

到MCU的电压应该是0~VCC的

那么运放输出就应该是 -1/2 VCC ~ +1/2 VCC

因此运放不要求轨到轨

如何实现可靠的电平平移呢？

Grant · 发表于 2009-3-21 01:00:01

不知道7660是否可以胜任？成本可是比上面的一堆外围电路省多了，反正都是DC-DC。

我记得ST、国半、TI、Intersil、Vishay、Microchip都有这样的编码器件，算得上是通用料，也便宜。

Microchip的编号是TC7660。
http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en010576

The TC7660 is a pin-compatible replacement for the Industry standard TC7660 charge pump voltage converter. It converts a +1.5V to +10V input to a corresponding – 1.5V to -10V output using only two low-cost capacitors,eliminating inductors and their associated cost,size and EMI. The on-board oscillator operates at a nominal frequency of 10kHz.Operation below 10kHz (for lower supply current applications)is possible by connecting an external capacitor from OSC to ground (with pin 1 open). The TC7660 is available in both 8-pin DIP and 8-pin SOIC packages in commercial and extended temperature ranges.

TC7660 Datasheet (Chinese)
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21465b_cn.pdf

dvhome · 发表于 2009-3-21 01:04:06

【31楼】 ifree64

根据老黄牛和发仔的建议，直接使用多节电池，从中间引出作为中点电压。正负两端再分别做线性稳压。你觉得这样可行吗？？

我觉得线性稳压比较保险一些，毕竟开关电源的噪声、谐波是很难消除的。

armok · 发表于 2009-3-21 03:14:50

提示: 作者被禁止或删除内容自动屏蔽

smallsnail · 发表于 2009-3-21 07:20:12

更正19楼部分回复，原文如下：
【19楼】 smallsnail 燕青
就是每个数字示波器都具有的那个标准的3V 1KHz的方波信号。
数字示波器都具有自校正功能，自校正就是通过内部继电器切换将这个方波信号切换到通道输入端，然后通过内部软件进行的自校正。

更正内容如下：

就是每个数字示波器都具有的那个标准的3V 1KHz的方波信号。，此信号用于探头的补偿调节，不用于内部通道的校正。
数字示波器都具有自校正功能，自校正就是通过内部继电器切换到一路内部输出的信号（与3V1KHz的信号一样都是通过FPGA产生），然后通过内部软件进行通道的自校正，包括CH1、CH2的Vertical System、horizontal System 、External trig System等。

newbier · 发表于 2009-3-21 11:21:01

看了下STM8的资料，这mcu不咋样啊，建议换掉^_^
另外更正下楼上的错误，正规示波器的内部校准用的是高精度DAC产生的直流信号来校准的，而不是用FPGA产生的波形来校准的，FPGA输出的信号幅度的准确度只能用垃圾两字来形容。

smallsnail · 发表于 2009-3-21 11:30:07

【38楼】 newbier
看了下STM8的资料，这mcu不咋样啊，建议换掉^_^
另外更正下楼上的错误，正规示波器的内部校准用的是高精度DAC产生的直流信号来校准的，而不是用FPGA产生的波形来校准的，FPGA输出的信号幅度的准确度只能用垃圾两字来形容。
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我们不是做产品，这里的STM8示波仪仅是提供一个共同的兴趣平台，让大家在开源中学到知识。
其实用什么MCU都是一样的，如果是追求示波仪的精度与效果的话，那我们就不必自己DIY了，直接买一个FLUKE的算了！
O(∩_∩)O~
乐在其中。。。。

FPGA后面是有信号处理电路的！

fsclub · 发表于 2009-3-21 11:38:03

楼上能找来新赞助商吗？

smallsnail · 发表于 2009-3-21 11:40:18

大胡子叔叔说的是楼上的楼上哈！不要误解！

【我的设想】关于硬件部分设计的讨论

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