สิ่งที่น่าสนใจที่สุดอย่างหนึ่งในการเป็นผู้สร้างสรรค์คือคุณจะไม่ต้องเสียเวลาไปกับเครื่องมืออีกต่อไป เมื่อมีส่วนประกอบที่เหมาะสม ผู้สร้างสรรค์มักจะสามารถสร้างเครื่องมือชั่วคราวได้ทุกที่ทุกเวลา วันนี้เราจะมาดูวิธีสร้างเครื่องมือที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งสำหรับวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ นั่นก็คือ ออสซิลโลสโคปในราคาประหยัด

ออสซิลโลสโคปเป็นเครื่องมือทดสอบที่ใช้สำหรับการแสดงภาพและสังเกตแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณที่เปลี่ยนแปลง โดยปกติจะเป็นกราฟสองมิติที่มีสัญญาณหนึ่งสัญญาณหรือมากกว่านั้นแสดงตามเวลา ออสซิลโลสโคปใช้ในการออกแบบและแก้ไขข้อบกพร่องของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อดูและเปรียบเทียบรูปคลื่น กำหนดระดับแรงดันไฟฟ้า ความถี่ สัญญาณรบกวน และพารามิเตอร์อื่นๆ ของสัญญาณที่ใช้ที่อินพุตเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงตามเวลา ซึ่งทำให้ออสซิลโลสโคปเป็นเครื่องมือที่สำคัญมากบนโต๊ะของวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์หรือผู้ผลิต อย่างไรก็ตาม ออสซิลโลสโคปมีราคาค่อนข้างแพง ซึ่งทำให้เกินขอบเขตของผู้ใช้ทั่วไป แต่จะเป็นอย่างไรหากเราสามารถสร้างสิ่งที่ถูกกว่า กะทัดรัด และใช้งานได้ดีโดยใช้ส่วนประกอบที่ผู้ผลิตคุ้นเคย นั่นคือคำถามที่นำไปสู่บทช่วยสอนในวันนี้

สำหรับบทช่วยสอนในวันนี้ เราจะสร้างออสซิลโลสโคป HS101 ออสซิลโลสโคป HS101 ประกอบด้วยออสซิลโลสโคปแบบพกพาและกะทัดรัด HS101 ที่เชื่อมต่อกับโทรศัพท์มือถือหรือแท็บเล็ตที่ใช้ระบบปฏิบัติการ Android และรันแอป HScope ออสซิลโลสโคปนี้ใช้ ไมโครคอนโทรลเลอร์ STM32F103 ซึ่งมี ADC 12 บิต 2 ตัวที่ทำงานรวดเร็ว และจะสุ่มตัวอย่างสัญญาณที่จะตรวจสอบ (หลังจากผ่านองค์ประกอบเงื่อนไข เช่น เครือข่ายตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และไดโอด) บนบอร์ด

คุณสมบัติบางประการของ HS101 ได้แก่:

• ออสซิลโลสโคปแบบช่องสัญญาณเดี่ยว
• ความละเอียด ADC 12 บิต
• ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุต0-20v
• อัตราการสุ่มตัวอย่างระหว่าง3KS/s – 1800KS/s
• แบนด์วิธ200kHz
• การรับข้อมูลต่อเนื่องสูงสุด100KSa/s
• สัญญาณรบกวนอินพุตขึ้นอยู่กับอัตราการสุ่มตัวอย่าง < 15mV สำหรับอัตราการสุ่มตัวอย่าง <=100KSa/s

ออสซิลโลสโคปสามารถใช้ในสถานการณ์มาตรฐานสำหรับงานต่างๆ เช่น การวัด DC และยังมีประโยชน์สำหรับการบันทึกแรงดันไฟฟ้าระยะยาวและการตรวจเช็ครถยนต์พื้นฐาน เช่น

• การบันทึกระดับแบตเตอรี่
• การบันทึกข้อมูลการปิดจุดระเบิดแบตเตอรี่ (IOD)
• ระดับระลอกไฟฟ้ากระแสสลับ
• การทดสอบแรงอัดภายในกระบอกสูบ

ส่วนประกอบที่จำเป็น

จำเป็นต้องมีส่วนประกอบต่อไปนี้เพื่อสร้างโครงการนี้:

1. STM32F103C8 ยาเม็ดสีน้ำเงิน
2. สาย USB ถึง TTL
3. 1N4007 (2)
4. ตัวต้านทาน 10K
5. ตัวต้านทาน 2k
6. ตัวเก็บประจุ 470pF
7. สายเคเบิล USB OTG (Micro USB ถึง Micro USB / USB Type-C ถึง Micro USB)
8. แผงวงจร PCB ที่มีรูพรุน (แผงวงจรอะไรก็ได้ที่มีรู 6 ถึง 7 รูก็พอ)
9. พินเฮดเดอร์ 6 พิน แถวเดี่ยว ตัวเมีย 2.54 มม. (2)
10. โพรบและขั้วต่อ BNC (สามารถใช้สายธรรมดาหรือแจ็คเสียงขนาด 3.5 มม. ก็ได้)

แผนผัง

แผนผังสำหรับโครงการนี้ทำได้ง่ายอย่างไม่น่าเชื่อ โมดูลอินพุตที่ประกอบด้วยตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และไดโอดถูกสร้าง/บัดกรีบนบอร์ดที่มีรูพรุน (โปรโต) จากนั้นจึงติดตั้งบน บอร์ด STM Blue Phil โดยใช้ขั้วต่อตัวเมียที่เสียบเข้ากับ Blue Phil โดยตรง วิธีนี้ทำให้การออกแบบเป็นแบบโมดูลาร์และกะทัดรัด เชื่อมต่อส่วนประกอบต่างๆ บนบอร์ดโปรโตตามที่แสดงในแผนผังด้านล่าง

หลังจากบัดกรีชิ้นส่วนต่างๆ แล้ว ให้เสียบโมดูลอินพุตบนยาเม็ด STM Blue ตามที่แสดงในภาพด้านล่าง

การแฟลชเฟิร์มแวร์

สิ่งที่น่าสนใจอย่างหนึ่งเกี่ยวกับโครงการในวันนี้คือเราจะอัปโหลดโค้ดไปยังบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์โดยใช้สมาร์ทโฟน ซึ่งหมายความว่าคุณไม่จำเป็นต้องใช้คอมพิวเตอร์สำหรับส่วนใดๆ ของโครงการนี้สำหรับบทช่วยสอนในวันนี้ เราจะใช้แอป STM32 Utils แอปนี้มาพร้อมเฟิร์มแวร์สำหรับออสซิลโลสโคป HS101 ดังนั้นสิ่งที่เราต้องทำคือเชื่อมต่อไมโครคอนโทรลเลอร์ Blue pill เข้ากับโทรศัพท์ของคุณผ่าน ตัวแปลง USB เป็น Serial และ สาย OTG ดังที่แสดงในภาพด้านล่าง

แผนผังพินสำหรับการเชื่อมต่อสายอนุกรมกับ USB และยาเม็ด STM32 Blue แสดงอยู่ด้านล่างนี้

ยาเม็ดสีฟ้า – USB-UART

• 5V - 5V (หรือ VBus)
• PA9 - ใบสั่งยา
• PA10 - เท็กซัส
• จีเอ็นดี-จีเอ็นดี

เมื่อเชื่อมต่อเสร็จแล้ว ให้กดปุ่ม “ Init Chipset” บนแอป คุณจะเห็นไฟบน STM สว่างขึ้น คลิกปุ่ม “ DIY Library ” บนแอป เลือกเฟิร์มแวร์ HS101 แล้วคลิก “ Flash Firmware ”

เมื่อการอัปโหลดเฟิร์มแวร์เสร็จสมบูรณ์แล้ว คุณสามารถถอดสาย USB เข้ากับซีเรียล และเชื่อมต่อบอร์ดกับโทรศัพท์ผ่านสาย OTG

เท่านี้ออสซิลโลสโคปของคุณก็พร้อมแล้ว!

การสาธิต

STM32 ใช้พลังงานจากสมาร์ทโฟนผ่านสาย OTG ทันทีที่เชื่อมต่อกับโทรศัพท์ ไฟ LED สีแดงของบอร์ด Blue Pill จะสว่างขึ้น ทันทีที่ STM32 เปิดขึ้น ให้เปิดแอป HScope แอปจะจดจำออสซิลโลสโคปโดยอัตโนมัติและเริ่มแสดงข้อมูล

เชื่อมต่อสัญญาณใดๆ เข้ากับอินพุตของ HS101 แล้วคุณจะเห็นข้อมูลที่แสดงบนแอปตามที่แสดงด้านล่าง

แอป HScope เวอร์ชันฟรีช่วยให้ใช้ HS101 เป็นเครื่องทดสอบแรงดันไฟฟ้าและเป็นออสซิลโลสโคปแบบง่ายซึ่งอาจเพียงพอสำหรับงานง่ายๆ ในทางกลับกัน แอป HScope เวอร์ชันเต็มให้การเข้าถึงสถิติแบบเรียลไทม์ FFT และใช้แปลง HS101 ให้เป็นเครื่องบันทึกข้อมูลได้

การเพิ่มประสิทธิภาพของออสซิลโลสโคป

สัญญาณรบกวนเป็นความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดของออสซิลโลสโคป HS101 ซึ่งขึ้นอยู่กับรุ่นโทรศัพท์เป็นอย่างมาก และสามารถเอาชนะปัญหานี้ได้โดยการเพิ่มตัวเก็บประจุระหว่างพิน GND และ 3.3V บนบอร์ด Blue Pill ค่าของตัวเก็บประจุที่อยู่ใกล้กับขั้วต่อ USB มากที่สุดอาจอยู่ที่ประมาณ 470uF เพื่อปรับปรุงคุณภาพข้อมูล

ออสซิลโลสโคปที่อธิบายไว้ในบทช่วยสอนนี้อาจไม่สามารถแทนที่ออสซิลโลสโคป Lab มาตรฐานได้ แต่ออสซิลโลสโคปนี้จะช่วยให้คุณทำภารกิจเล็กๆ น้อยๆ บางอย่างเสร็จได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ต้องจ่ายเงินจำนวนมาก นอกจากนี้ยังพกพาสะดวก จึงมีประโยชน์หากคุณต้องเคลื่อนย้ายบ่อยๆ

‍