تحقیق ساخت اسیلوسکوپ در متلب



وزارت علوم ، تحقیقات و فناوری
دانشگاه تفرش
دانشکده مهندسی برق

پایان نامه کارشناسی
گرایش الکترونیک

عنوان
ساخت اسیلوسکوپ با متلب

نگارش
مینا رجب زاده

استاد راهنما
دکتر علی محمد فتوحی

شهریور 1393

اینجانب …………………………….به شماره دانشجویی ……………………..دانشجوی رشته ……………………….
گرایش ……………………………….متعهد می شوم که مطالب مندرج در این پایان نامه حاصل کار پژوهشی اینجانب تحت نظارت و راهنمایی اساتید دانشگاه تفرش بوده و به دستاوردهای دیگران که در این پژوهش از آنها استفاده شده است مطابق مقررات و روال متعارف ارجاع و در فهرست منابع و مآخذ ذکر گردیده است. این پایان نامه قبلاً برای احراز هیچ مدرک هم سطح یا بالاتر ارائه نگردیده است.
در صورت اثبات تخلف در هر زمان، مدرک تحصیلی صادر شده توسط دانشگاه از درجه اعتبار ساقط بوده و دانشگاه حق پیگیری قانونی خواهد داشت.
کلیه نتایج و حقوق حاصل از این پایان نامه متعلق به دانشگاه تفرش می باشد. هرگونه استفاده از نتایج علمی و عملی، واگذاری اطلاعات به دیگران یا چاپ و تکثیر، نسخه برداری، ترجمه و اقتباس از این پایان نامه بدون موافقت کتبی دانشگاه تفرش ممنوع است.
نقل مطالب با ذکر مآخذ بلامانع است.

نام و نام خانوادگی دانشجو :
امضاء

چکیده
در این پروژه قصد داریم با استفاده از adc کارت صدا و نرمافزار متلب یک اسیلوسکوپ طراحی کنیم. در این پروژه علاوهبر این که از سختافزار خود کامپیوتر بهره گرفتیم ولی برای بهبود و ارتقای عملکرد سیستم از میکرو کنترلر و همچنین مدارات الکترونیکی استفاده کردهایم.
و همچنین این سیستم فرکانس و دامنه ولتاژ را بر روی lcd نمایش میدهد.

واژه های کلیدی:
متلب، کارت صدا، اسیلوسکوپ، adc
فهرست عناوین
صفحه
1 مقدمه 1
1 .1 نرمافزار متلب و کارت صدا 2
1 .2 آشنایی با AVR 3
2 اسیلوسکوپ 5
2 .1 اجزای اسیلوسکوپ 6
2 .2 مدارهای اصلی اسیلوسکوپ 8
2 .3 انواع اسیلوسکوپ 8
2 .3 .1 اسیلوسکوپ آنالوگ 9
2 .3 .2 اسیلوسکوپ دیجیتال 9
3 کارت صدا 11
3 .1 ﮐﺎرت ﺻﺪا ﭼﯿﺴﺖ 12
3 .2 انواع کارت صدا 13
3 .2 .1 کارت صداهای داخلی (Internal Sound Cards) 13
3 .2 .2 کارت صداهای خارجی (External Sound Card) 14
3 .3 اجزای تشکیلدهنده کارت صدا 15
3 .4 انواع اتصال کارت صدا به رایانه 16
3 .5 مبدل آنالوگ به دیجیتال 16
3 .6 فرآیند نمونهگیری 16
3 .7 کیفیت سیگنال نمونه گیری شده: 17
4 اسیلوسکوپ در متلب 19
4 .1 تنظیمات نرمافزار متلب 22
4 .2 ارتباط نرمافزار متلب با کارت صدا 23
4 .3 پیکرهبندی ورودی آنالوگ کارت صدا 23
5 سختافزار و نرمافزار پروژه 26
5 .1 مدار تضعیف کننده ولتاژ 27
5 .2 مدار نمونهگیری ولتاژ 28
5 .3 میکرو به زبان BASIC 29
5 .3 .1 کار با تایمر 31
5 .3 .2 کار با تایمر بهصورت کانتر Counter 33
پیوست ها 34
منابع و مراجع 36

فهرست اشکال
صفحه
شکل2 . 1 اسیلوسکوپ. 6
شکل ‏2 . 2 اسیلوسکوپ آنالوگ. 9
شکل ‏2 . 3 اسیلوسکوپ دیجیتال. 10
شکل 3. 1 Internal Sound Card. 14
شکل ‏3 . 2 External Sound Cards. 14
شکل ‏4 . 1 نرمافزار متلب. 20
شکل ‏4 . 2 اسیلوسکوپ متلب. 21
شکل ‏4 . 3 .Hardware configuration 21
شکل ‏4 . 4 .new sample rate 22
شکل ‏4 . 5 نمایش سیگنال در اسیلوسکوپ متلب. 23
شکل ‏5 . 1 سختافزار پروژه. 27
شکل ‏5 . 2 مدار تضعیفکننده ولتاژ. 28
شکل ‏5 . 3 مدار نمونهگیر ولتاژ. 28
شکل ‏5 .4 بلوک دیاگرام تایمر میکرو. 32

فهرست جداول
صفحه
جدول ‏3 . 1 فرآیند نمونهگیری. 17
جدول ‏5 . 1 قطعات مدار. 29

1
فصل اول
مقدمه
مقدمه
بشر هر روز شاهد پیشرفت علم الکترونیک و بهدنبال آن علم کامپیوتر است. این گستردگی باعث شده که علم کامپیوتر دو زیر شاخه اصلی پیدا کند، یکی سختافزار و دیگری نرمافزار. مزیتهای کامپیوتر باعث جذب مهندسان و پژوهشگران به سمت خود شده است، طوری که هر کجا نیاز به پردازش، نمایش، یا ذخیره اطلاعات دریافتی از محیط باشد سریع از این ابزار قدرتمند کمک میگیرند. از این رو دانستن روشهایی که باعث تبادل اطلاعات بین کامپیوتر و دنیای خارج میشود، اهمیت بسیار دارد.
1 .1 نرمافزار متلب و کارت صدا
در این پروژه تبادل اطلاعات دنیای خارج با محیط نرمافزار متلب1 توسط کارت صدای کامپیوتر انجام می شود. بدون شک matlab یکی از قویترین نرمافزارهای مهندسی است. متلب یکی از زبانهای سطح بالا با تمرکز بر تکنیکهای محاسباتی است .این نرمافزار محیطی مناسب برای انجام عملیاتهای ریاضی، تحلیلهای آماری، بهینهسازیهای ایجاد محیطهای ویژوال و برنامهنویسی آن را همزمان فراهم کرده است. نرمافزاری که علاوه بر مهندسها خیلی از ریاضیدانها و پزشکها و … را به سوی خود جذب کرده است.
نرم افزار MATLAB برنامه کامپیوتری است که برای کسانی که با محاسبات عددی، و بهویژه جبرخطی سر و کار دارند، تهیه شده است. نام این نرم افزار از عبارت انگلیسی MATrix LABoratory اقتباس شده و هدف اولیه آن قادر ساختن مهندسین و دانشمندان به حل مسائل شامل عملیات ماتریسی بدون نیاز به نوشتن برنامه در زبانهای برنامه نویسی متداول همچون FORTRAN و C بود. با گذشت زمان قابلیتهای بسیار بیشتری به این نرمافزار افزوده شدهاند بهطوری که در حال حاضر MATLAB به ابزار پر قدرتی برای ترسیم داده ها، برنامه نویسی و انجام محاسبات مهندسی و پژوهشی تبدیل شده است.
ﮐﺎرت ﺻﺪا ﻗﺴﻤﺘﻰ از ﺳﺨﺖاﻓﺰار ﺳﯿﺴﺘﻢ اﺳﺖ ﮐﻪ ﺑـﻪﻣﻨﻈـﻮر ﺧﺮوجدﻫﻰ ﺻﺪاى ﮐﺎﻣﭙﯿﻮﺗﺮ درﻧﻈﺮﮔﺮﻓﺘﻪ ﺷﺪه اﺳﺖ. ﮐﺎرتﻫﺎى ﺻﺪا ﺑﻪ ﭼﯿﭗﻫﺎﯾﻰ ﻣﺠﻬـﺰ ﻫـﺴﺘﻨﺪ ﮐﻪ ﺑﺪون ﻧﯿﺎز ﺑﻪ CPU و ﯾﺎ اﺧﺘﻼل در ﺳﺎﯾﺮ ﻗﺴﻤﺖﻫﺎ، بهﻃﻮرﻣﺴﺘﻘﯿﻢ ﺑﻪ ﭘﺮدازش ﺻﺪا ﻣـﻰﭘﺮدازﻧـﺪ. در ﮐﺎرت ﺻﺪاﻫﺎى داﺧﻠﻰ، به دﻟﯿﻞ ﻗﺮارداﺷﺘﻦ آنﻫﺎ در ﻓﺎﺻﻠﻪ ﮐﻤﻰ از ﻣﺎدرﺑﺮد، اﻣﮑـﺎن ﺗـﺄﺛﯿﺮ ﻣﻨﻔـﻰ ﺳﺎﯾﺮ ﻣﺪارﻫﺎ روى ﮐﺎرت ﺻﺪا وﺟﻮد دارد. ﺑﻪ ﻫﻤﯿﻦ دﻟﯿﻞ ﻣﺴﺌﻠﻪ ﻧﺴﺒﺖ ﺳﯿﮕﻨﺎل ﺑـﻪ ﻧـﻮﯾﺰ (SNR) دراﯾﻦ ﻧﻮع ﮐﺎرتﻫﺎ از اﻫﻤﯿت وﯾﮋهای ﺑﺮﺧﻮردار اﺳﺖ و ﺣﺘﻰ در ﺑﺮخی ﻣﻮارد ﺑﺮای ﮐﺎﻫﺶ دﺧﺎﻟـﺖ ﻧـﻮﯾﺰ ﺗﻮﻟﯿﺪ ﺷﺪه ﺗﻮﺳﻂ ﻋﻮاﻣﻞ ﺧﺎرﺟﻰ، از ﯾﮏ ﭘﻮﺷﺶ ﻣﺤﺎﻓﻆ اﺧﺘﺼﺎصی اﺳﺘﻔﺎده میﺷـﻮد. ﻻزم ﺑـﻪ ذﮐـﺮ اﺳﺖ ﮐﻪ ﺑﻪ ﮐﺎرتﻫﺎی ﺻﺪای ﭘﯿﺸﺮﻓﺘﻪ Audio Interface (راﺑﻂ ﺻﻮﺗﯽ) ﻧﯿﺰ ﮔﻔﺘﻪ میﺷﻮد.
1 .2 آشنایی با AVR
AVRﻫﺎ ﻣﻴﻜﺮوﻛﻨﺘﺮوﻟﺮﻫﺎی 8 ﺑﻴﺘﻲ از ﻧﻮع CMOS ﺑﺎ ﺗﻮان ﻣﺼﺮﻓﻲ ﭘﺎﻳﻴﻦ ﻫﺴﺘﻨﺪ ﻛﻪ ﺑــﺮاﺳـﺎس ﺳـﺎﺧﺘﺎر ﭘﻴﺸـﺮﻓﺘﻪRISC ﺳﺎﺧﺘﻪ ﺷﺪهاﻧﺪ. ﭘﺲ از ﺳﺎﺧﺖ اوﻟﻴﻦ ﻧﺴﺨﻪﻫﺎی AVR در ﺳـﺎل 1996، اﻳـﻦ ﺳـﺮی از ﻣﻴﻜﺮوﻛﻨﺘﺮﻟﺮﻫـﺎ ﺗﻮاﻧﺴـﺖ ﻧﻈـﺮ ﻋﻼﻗﻤﻪﻣﻨﺪان اﻟﻜﺘﺮوﻧﻴﻚ را ﺑﻪ ﺧﻮد ﺟﺬبﻛﻨﺪ ﺑﻪ ﻃﻮری ﻛﻪ اﻣﺮوزه ﻳﻜﻲ از ﭘﺮﻣﺼﺮفترین اﻧﻮاع ﻣﻴﻜﺮوﻛﻨﺘﺮوﻟﺮﻫﺎ ﺑﻪ ﺣﺴــﺎب ﻣﻲآﻳـﺪ. ﻧﻤﻲﺗﻮان ﻫﻴﭻ ﻧﻮع ﻣﻴﻜﺮوﻛﻨﺘﺮوﻟﺮی را ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﺑﻬﺘﺮﻳﻦ ﻣﻌﺮﻓﻲ ﻛﺮد ﭼﺮا ﻛﻪ ﻫﺮ ﻣﻴﻜﺮوﻛﻨــﺘﺮوﻟﺮ، ﻛﺎرﺑﺮدﻫـﺎی ﺧﺎص ﺧﻮد را دارد و ﺑﺮاﺳﺎس ﺧﺼﻮﺻﻴﺎت داﺧﻠﻲ، ﻣﻲﺗﻮاﻧﺪ ﺗﻨﻬﺎ ﺑﺮای ﻣﻮارد وﻳﮋهای ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﺑﻬﺘﺮﻳﻦ اﻧﺘﺨــﺎبﮔﺮدد.
در این پروژه از میکرو atmega32 استفادهشدهاست که مهمترین مشخصات این میکروکنترلر 40 پایه عبارت است از:
* کارایی بالا و توان مصرفی کم
* 32 رجیستر (ثبات) 8 بیتی
* سرعت با سقف 16 میلیون دستور در ثانیه (فرکانس Mhz 16)
* 32 کیلو بایت حافظه FLASH داخلی قابل برنامهریزی با قابلیت ده هزار بار نوشتن و پاککردن
* 2 کیلو بایت حافظه داخلی SRAM
* 1024 بایت حافظه EEPROM داخلی قابل برنامهریزی با قابلیت صد هزار بار نوشتن و خواندن
* قابلیت ارتباط JTAG
* دو تایمر/شمارنده هشت بیتی
* یک تایمر/شمارنده شانزده بیتی
* چهار کانال PWM
* هشت کانال مبدل A/D ده بیتی
* یک مقایسه کننده آنالوگ داخلی
* WATCHDOG قابل برنامهریزی با اسیلاتور داخلی
* ارتباط سریال برای برنامه ریزی: ISP
* USART سریال قابل برنامه ریزی
* دارای شش حالت SLEEP
* منابع وقفه داخلی و خارجی
* اسیلاتور داخلی RC
* کار با ولتاژ 4.5 تا 5.5
* فرکانس کاری 0 تا 16 مگاهرتز
* 32 خط داده ورودی و خروجی قابل برنامهریزی
در فصل بعد توضیح مختصری در مورد اسیلوسکوپ و انواع آن داده میشود و در فصل سوم مبحث کارت صدا بیان میشود. و در ادامهی فصلها نحوهی ارتباط نرمافزار متلب با کارت صدا و تنظیمات آن توضیح داده شده است. و در فصل آخر توضیحاتی در مورد میکروکنترلر و نحوه برنامهنویسی آن به زبان بیسیک (زبان بیسیک توسط پروفسور جان کمنی و توماس کرتز از دانشگاه کالج دارتموث فرانسه، برای نوشتن برنامههای ساده ایجاد شد) و مدارات الکترونیکی برای نشان دادن فرکانس و ولتاژ یک سیگنال ac بیان شده است.

2
فصل دوم
اسیلوسکوپ
اسیلوسکوپ
اسیلوسکوپ (Oscilloscope) یک دستگاه اندازهگیری است که از آن برای مشاهده شکل موج ها و اندازه گیری ولتاژ، زمان تناوب، اختلاففاز و همچنین مشاهده منحنی مشخصه ولت – آمپر عناصر نیمه_هادی مانند دیود و ترانزیستور استفاده می شود. اسیلوسکوپ یک ولتمتر دقیق است ولی توانایی اندازه_گیری جریان را به طور مستقیم ندارد و برای اندازهگیری جریان باید از روش های غیرمستقیم مانند قانون اهم استفاده کرد. یکی از مزایای اسیلوسکوپ این است که برخلاف مولتیمترهای معمولی، در فرکانسهای بالا نیز بهخوبی کار میکند. اندازه گیری و مشاهده شکل موج ها در اسیلوسکوپ از ولتاژ با فرکانس صفر (DC) شروع و به فرکانس مشخصی ختم می شود که معمولاً اسیلوسکوپ را با این فرکانس مشخص میکنند.

شکل2 . 1 اسیلوسکوپ.
2 .1 اجزای اسیلوسکوپ
اسیلوسکوپ از یک لامپ پرتو کاتدی که قلب دستگاه است و تعدادی مدار برای کارکردن لامپ پرتو کاتدی تشکیل شده است. قسمتهای مختلف لامپ پرتو کاتدی عبارتند از:
* تفنگ الکترونی: تفنگ الکترونی باریکه متمرکزی از الکترونها را بهوجود می آورد که شتاب زیادی کسب کرده اند. این باریکه الکترون با انرژی کافی به صفحه فلوئورسان برخورد می کند و بر روی آن یک لکه نورانی تولید می کند. تفنگ الکترونی از رشته گرمکن، کاتد، شبکه آند پیش شتاب دهنده، آند کانونی کننده و آند شتاب دهنده تشکیل شده است. الکترونها از کاتدی که بطور غیر مستقیم گرم می شود، گسیل می شوند. این الکترونها از روزنه کوچکی در شبکه کنترل می گردند. شبکه کنترل معمولاً یک استوانه هم محور با لامپ است و دارای سوراخی است که در مرکز آن قرار دارد. الکترونهای گسیل شده از کاتد که از روزنه می گذرند (به دلیل پتانسیل مثبت زیادی که به آندهای پیش شتاب دهنده و شتاب دهنده اعمال می شود)، شتاب می گیرند. باریکه الکترونی را آند کانونی کننده، کانونی می کند.
* صفحات انحراف دهنده: صفحات انحراف دهنده شامل دو دسته صفحه است. صفحات انحراف قائم که بهطور افقی نصب می شوند و یک میدان الکتریکی در صفحه قائم ایجاد می کنند و صفحات y نامیده می شوند. صفحات انحراف افقی بطور قائم نصب می شوند و انحراف افقی ایجاد می کنند و صفحات x نامیده می شوند. فاصله صفحات به اندازه کافی زیاد است که باریکه بتواند بدون برخورد با آنها عبور کند.
* صفحه فلوئورسان: جنس این پرده که در داخل لامپ پرتو کاتدی قرار دارد، از جنس فسفر است. این ماده دارای این خاصیت است که انرژی جنبشی الکترونهای برخورد کننده را جذب می کند و آنها را به صورت یک لکه نورانی ظاهر می سازد. قسمتهای دیگر لامپ پرتو کاتدی شامل پوشش شیشه ای، پایه که از طریق آن اتصالات برقرار می شود، است.
* مولد مبنای زمان: اسیلوسکوپها بیشتر برای اندازهگیری و نمایش کمیات وابسته به زمان بهکار می روند. برای این کار لازم است که لکه نورانی لامپ روی پرده با سرعت ثابت از چپ به راست حرکت کند. بدین منظور یک ولتاژ مثبت به صفحات انحراف افقی اعمال می شود. مداری که این ولتاژ مثبت را تولید می کند، مولد مبنای زمان یا مولد رویش نامیده می شود.
2 .2 مدارهای اصلی اسیلوسکوپ
* سیستم انحراف قائم: چون سیگنالها برای ایجاد انحراف قابل اندازهگیری بر روی صفحه لامپ به اندازه کافی قوی نیستند، لذا معمولاً تقویت قائم لازم است. هنگام اندازهگیری سیگنالهای با ولتاژ بالا باید آنها را تضعیف کرد تا در محدوده تقویت کننده های قائم قرار گیرند. خروجی تقویت کننده قائم، از طریق انتخاب همزمانی در وضعیت داخلی، به تقویت کننده همزمان نیز اعمال می شود.
* سیستم انحراف افقی: صفحات انحراف افقی را ولتاژ رویش که مولد مبنای زمان تولید می کند، تغذیه می کند. این سیگنال از طریق یک تقویت کننده اعمال می شود، ولی اگر دامنه سیگنالها به اندازه کافی باشد، می توان آن را مستقیماً اعمال کرد. هنگامی که به سیستم انحراف افقی، سیگنال خارجی اعمال می شود، باز هم از طرق تقویتکننده افقی و کلید انتخاب رویش در وضعیت خارجی اعمال خواهد شد. اگر کلید انتخاب رویش در وضعیت داخلی باشد، تقویت کننده افقی، سیگنال ورودی خود را از مولد رویش دندانه داری که با تقویت کننده همزمان راه اندازی می شود، می گیرد.
* همزمانی: هر نوع رویشی که بهکار می رود، باید با سیگنال مورد بررسی همزمان باشد. تا یک تصویر بیحرکت بهوجود آید. برای این کار باید فرکانس سیگنال مبنای زمان مقسومعلیه ای از فرکانس سیگنال مورد بررسی باشد.
2 .3 انواع اسیلوسکوپ
اسیلوسکوپ دو نوع آنالوگ و دیجیتال دارد و هرکدام آنها میتواند تککاناله و دوکاناله و … باشند. امروزه با اسیلوسکوپهای دیجیتالی (و رنگی) میتوان به طور اتوماتیک مقدار ولتاژ و زمان (یک پریود) را با درج مقادیر بهصورت عددی مشاهده نمود و شکل موجهایی با فرکانسهای خیلی کم را روی صفحه اسیلوسکوپ مشاهده کرده و پرینتگرفته یا مستقیماً به مانیتور کامپیوتر جهت بزرگنمایی وصل کرد.
2 .3 .1 اسیلوسکوپ آنالوگ
اسیلوسکوپ در حقیقت رسامهای بسیار سریع هستند که سیگنال ورودی را در برابر زمان یا در برابر سیگنال دیگر نمایش میدهند. قلم این رسام یک لکه نورانی است که در اثر برخورد یک باریکه الکترون به پردهای فلوئورسان بهوجود میآید. به علت لختی بسیار کم باریکه الکترون میتوان این باریکه را برای دنبالکردن تغییرات لحظهای (ولتاژهایی که بسیار سریع تغییر میکنند، یا فرکانسهای بسیار بالا) بهکار برد. اسیلوسکوپ براساس ولتاژ کار میکند. البته به کمک مبدلها (ترانزیستورها) میتوان جریان الکتریکی و کمیتهای دیگر فیزیکی و مکانیکی را به ولتاژ تبدیل کرد.

شکل ‏2 . 2 اسیلوسکوپ آنالوگ.
2 .3 .2 اسیلوسکوپ دیجیتال
اسیلوسکوپ دیجیتال در واقع تشکیل شده از یک مبدل آنالوگ به دیجیتال بهعلاوه یک مبدل دیجیتال به آنالوگ سیگنال توسطadc دیجتال شده و توسط dac برای نمایش به شکل اولیه بازتبدیل میشود.

شکل ‏2 . 3 اسیلوسکوپ دیجیتال.
اسیلوسکوپهای دیجیتال مزایای زیادی دارند که 9 مورد آن در زیر ذکر شده است :
* ذخیرهسازی شکل موجها
* قابلیت اتصال به کامپیوتر
* دارای امکانات جانبی )مالتیمتر(
* قابلیت نمایش تمام شکل موجها با فرکانسهای بالا
* دارای کلیه امکانات اسیلوسکوپ آنالوگ
* نرخ نمونهبرداری بالا
* زمان صعود پایین (14ns)
* رنج زمان اولیه اسکن وسیع 5ns~50s/div

3
فصل سوم
کارت صدا
کارت صدا
کارت صدا یکی از عناصر سختافزاری استفاده شده در کامپیوتر است که باعث پخش و ضبط صدا (صوت) میگردد. قبل از مطرحشدن کارتهای صدا، کامپیوترهای شخصی برای پخش صدا، صرفاً قادر به استفاده از یک بلندگوی داخلی بودند که از برد اصلی توان خود را میگرفت. در اواخر سال 1980 استفاده از کارت صدا در کامپیوتر شروع و همزمان با آن تحولات گستردهای در زمینه کامپیوترهای چندرسانهای ایجاد گردید. در سال 1989 شرکت Creative labs کارت صدای خود را با نام Creative Labs soundBlaster Card عرضه نمود. در ادامه شرکتهای متعدد دیگری تولیدات خود را در این زمینه عرضه نمودند.
3 .1 ﮐﺎرت ﺻﺪا ﭼﯿﺴﺖ
فرض کنید، قصد داشته باشیم که از طریق میکروفن صدای خود را به کامپیوتر انتقال دهیم. در این حالت کارت صدا یک فایل صوتی با فرمت wav را ایجاد و دادههای ارسالی توسط میکروفن در آن ذخیرهگردند. فرآیند فوق شامل مراحل زیر است :
1. کارت صدا از طریق کانکتور میکروفن سیگنالهای پیوسته و آنالوگی را دریافت میدارد.
2. از طریق نرمافزار مربوطه نوع دستگاه ورودی برای ضبط صدا را مشخص مینماییم .
3. سیگنال آنالوگ ارسالی توسط میکروفن بلافاصله توسط تراشه مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) تبدیل و یک فایل حاوی صفر و یک تولید میگردد.
4. خروجی تولیدشده توسطADC در اختیار تراشهDSP (ﭘﺮدازﻧﺪه ﺳﯿﮕﻨﺎل دﯾﺠﯿﺘﺎل) برای انجام پردازشهای لازم گذاشته میشود DSP توسط مجموعه دستوراتی که در تراشه دیگر است برای انجام عملیات خاص برنامهریزی میگردد. یکی از عملیاتی که DSP انجام میدهد فشردهسازی دادههای دیجیتال بهمنظور ذخیرهسازی است .
5. خروجی DSP با توجه به نوع اتصالات کارت صدا در اختیار گذرگاه داده کامپیوتر قرار میگیرد.
6. دادههای دیجیتال توسط پردازنده اصلی کامپیوتر پردازش و در ادامه برای ذخیرهسازی در اختیار کنترلکننده هارددیسک گذاشته میشوند. کنترلکننده هارددیسک اطلاعات را بر روی هارد و بهعنوان یک فایل ضبط شده صوتی ذخیره خواهدکرد.
3 .2 انواع کارت صدا
کارتهای صوتی حرفهای در کل به دو دستهی داخلی2 و خارجی3 تقسیم میشوند.
3 .2 .1 کارت صداهای داخلی (Internal Sound Cards)
کارت صداهایی هستند که معمولاً بر روی پورتPCI 4 (اتصال اجزای جانبی) داخل Case بسته میشوند و از نظر سرعت پاسخگویی نسبت به External ها برتری دارند. به این صورت که وقتی یک نُت روی کیبورد نواخته میشود، یک سری اطلاعات 16 بیتی از طریق کابل MIDI5 به کارت صوتی منتقل میشوند که کارتصوتی آنها را به سیستم ارسال میکند و پس از پردازش توسط نرمافزار آهنگسازی صدای موردنظر با ساز مورد نظر دوباره از سیستم دریافت میشود و به خروجی یکی از چهار مورد زیر فرستاده میشود:
1- کارت صوتی On Board آنالوگ.
2- کارت صوتی On Board دیجیتال.
3- کارت صوتی معمولی Internal آنالوگ که به پورت PCI متصل میشوند.
4- کارت صوتی حرفهای با کیفیت بسیار عالی صدا (همان که اطلاعات اولیه را فرستاده است و پس از این فرآیند صدا به گوش میرسد)

شکل 3. 1 Internal Sound Card.
3 .2 .2 کارت صداهای خارجی (External Sound Card)
کارتهایی هستند که معمولاً با پورت USB و یا Fire – Wire به سیستم وصل میشوند ولی برای اتصال با پورت Fire – Wire شما نیاز به یک کارت Fire – Wire دارید که به پورت PCI متصل میشود که نسبت به انواع USB آنها از سرعت انتقال دیتای بیشتری برخوردار هستند ولی باز نسبت به انواع Internal سرعت کمتری دارند.

شکل ‏3 . 2 External Sound Cards.
3 .3 اجزای تشکیلدهنده کارت صدا
* پردازنده سیگنالهای دیجیتال که عملیات موردنظر را انجام میدهند.
* مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) برای صوت ورودی به کامپیوتر
* مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC)
* حافظه ROM یا فلش جهت ذخیرهسازی اطلاعات
* اینترفیش دستگاههای موزیکال دیجیتالی (MIDI) جهت اتصال دستگاههای موزیک خارجی
* کانکتورهای لازم جهت اتصال به میکروفن یا بلندگو
* پورت مخصوص بازی برای اتصال Joystick6
کارتهای صوتی قدیمی عمدتاً از نوع ISA بودهاند، اما کارت صداهای امروزی از نوع PCI هستند که بر روی برد اصلی نصب میگردند. بیشتر مادربردها در حال حاضر کارت صدا را به صورت یک تراشه بر روی برد اصلی دارند.
یک کارت صدا قادر به انجام چهار عملیات خاص در رابطه با صدا است :
* پخش موزیکهای از قبل ضبط شده
* ضبط صدا با حالات متفاوت
* ترکیبنمودن صداها
* پردازش صوتهای موجود
عملیات دریافت و ارسال صوت (صدا) برای کارت صدا از طریق بخشهای DAC و ADC انجام میگیرد. پردازشهای لازم و موردنیاز بر روی صوت توسط DSP انجام میگیرد و بدین ترتیب عملیات اضافهای برای پردازنده اصلی کامپیوتر بهوجود نخواهد آمد.

3 .4 انواع اتصال کارت صدا به رایانه
* هدفون
* بلندگو (Speaker)
* یک منبع ورودی آنالوگ (میکروفن ضبطصوت و CD-Player)
* یک منبع ورودی دیجیتال نظیر CD-ROM
* یک منبع آنالوگ خروجی نظیر ضبطصوت
* یک منبع دیجیتال خروجی
3 .5 مبدل آنالوگ به دیجیتال
زمانیکه در حال ضبط صداهای آنالوگ هستید (مثلاً هنگام ضبط صدا از میکروفن) به یک مبدل آنالوگ به دیجیتال احتیاج دارید و مبدل دیجیتال به آنالوگ نیز زمانی استفاده می شود که صدای دیجیتال باید مجدداً برای آمپلیفایر اسپیکرهای شما به سیگنال آنالوگ تبدیل شود.
امواج صدا پس از این که از طریق میکروفن به کارت صدا منتقل میشوند، در آنجا به یک سری پالسهای دیجیتال تبدیل میگردند که هر از چندگاهی در یک فایل ذخیره میشوند. بنابراین ضبط یک صوت در کامپیوتر شامل یک فرآیند تبدیل آنالوگ به دیجیتال میباشد. اما در حالت اجرای یک فایل صوتی جریان بیتهای صفر و یک اطلاعاتی تبدیل به سیگنالهای آنالوگی میشوند که در نهایت به بلندگوی اسپیکر کامپیوتر ختم میگردد.

3 .6 فرآیند نمونهگیری
عملیات نمونهگیری نیز میتواند با روشها و کیفیتهای متفاوت انجام پذیرد: نمونهگیری 8 بیتی یا 16 بیتی، 11.22 یا 44 کیلو هرتز، استریو یا مونو عددی که بر حسب کیلوهرتز بیان میشود نشان میدهد که صدا نمونههای صوتی چند هزار بار در ثانیه ضبط میشود.
3 .7 کیفیت سیگنال نمونه گیری شده:
یک نمونه صدا مانند صدای ضبط شده روی نوار کاست است که کیفیت آن میتواند خوب یا بد باشد در بخش بر نحوه تنضیمات برای کیفیت گذری میکنیم.
در هنگام ضبط صدای دیجیتالی در هر ثانیه چندین نمونه از صدا گرفته میشود هر چه تعداد این نمونهها در واحد زمان بیشتر باشد کیفیت بهتر است. طبیعتاً یک نمونهگیری بدون وقفه از سیگنال صوتی بهترین کیفیت را خواهد داشت ولی در عمل غیرممکن است.
برای ضبط سیدیهای صوتی ( Audio CD ) به تعداد 44100 بار در ثانیه از سیگنال صوتی نمونهگیری میشود. کیفیت با واحد Hz و رزولوشن با تعداد بیت اندازهگیری میشود. هر چه مقدار KHz بیشتر باشد کیفیت بهتر میشود اما فایل شما هم بزرگتر میشود. نمونهگیری 8 بیت یا 16 بیت به این اشاره دارد که چه مقدار اطلاعات از سیگنال صوتی در هر بار نمونهگیری ذخیره شود. 16 بیت یک کیفیت خوب به ما تحویل میدهد.
همانطور که میدانید 8 بیت برابر یک بایت است بنابراین اندازه فایلها با کیفیت CD در حالت استریو به صورت جدول 1.3 خواهد بود.
جدول ‏3 . 1 فرآیند نمونهگیری.
زمان اجرا
حجم فایل
1 دقیقه
10 مگابایت
1 ساعت
605 مگابایت
74 دقیقه
746 مگابایت

آنچه در اینجا میبینید مربوط به فایل با فرمت Wave است. استریو 16 بیت و KHz 44 کیفیت بسیار خوبی در اختیار شما قرار میدهد اما فایلهای با فرمت Wave حجم زیادی اشغال میکنند فایلهایMP3 بسیار فشردهشدهاند.

4
فصل چهارم
اسیلوسکوپ در متلب
اسیلوسکوپ در متلب
با توجه به قابلیتهای نرمافزار متلب میتوان به صورت زیر برای اسکوپکردن، عمل کرد.
پس از ورود به نرم افزار متلب به منوی start رفته

شکل ‏4 . 1 نرمافزار متلب.

وارد toolboxes می شویم. و گزینه Data Acquisition انتخاب می کنیم. سپس نرم افزار oscilloscope اجرا می کنیم.

شکل ‏4 . 2 اسیلوسکوپ متلب.
راه دیگر برای اجرای اسیلوسکوپ متلب این است که دستور softscope را در محیط command window اجرا کنیم.
با اجرای اسیلوسکوپ متلب پنجره زیر باز میشود.

شکل ‏4 . 3 .Hardware configuration
بر روی گزینه ok کلید کرده و تنظیمات زیر را انجام می دهیم.
وارد تب edit شده و گزینه sample rate را انتخاب می کنیم و مقدار آن را بر روی ۶۴٠٠٠ تنظیم
می کنیم.

شکل ‏4 . 4 .new sample rate
حال در داخل نرمافزار در قسمت vertical نوع کانال را انتخاب می کنیم. اگر از دو کانال بخواهیم استفاده کنیم هر دوی آنها را در حالت on قرار داده. حال برای نمایش سیگنال کلید Trigger را فعال می کنیم.
4 .1 تنظیمات نرمافزار متلب:
پس از اعمال ولتاژ ورودی به کارت صدا با فشردن دکمهی Trigger میتوانید شکل موج را مشاهده نمایید. چنانچه بخواهید شکل موج را در زمان خاصی ثابت (HOLD) کنید بایستی مجدداً دکمهی Trigger را بفشارید. در ضمن میتوانید با راست کلیککردن روی صفحهی نمایش و انتخاب گزینهی Autoscale انتخاب TimeDivision مناسب را بر عهدهی خود نرمافزار بگذارید.

شکل ‏4 . 5 نمایش سیگنال در اسیلوسکوپ متلب.
توسط این نرمافزار، نیز میتوانید خروجی را با فرمت موردنظر مثلاً Figure (فرمت نمایشی فایلهای تصویری و نمودارهای متلب) ذخیره کنید. برای اینکار از منوی File و زیر منوی Export و Channels اقدام نمایید.
4 .2 ارتباط نرمافزار متلب با کارت صدا
یکی دیگر از روشهای ارتباط متلب با دنیای خارج استفاده از ورودی و خروجی آنالوگ کارت صدا میباشد. کارت صدا سیگنال آنالوگ را مستقیماً از ورودی استریو خود گرفته و به دیجیتال تبدیل میکند.
4 .3 پیکرهبندی ورودی آنالوگ کارت صدا
پیکرهبندی ورودی :
x = analoginput('winsound');
توسط این دستور کارت صدا پیکرهبندی و به نرمافزار شناسانده میشود. پیکرهبندی کانال ورودی کارت صدا :
Addchannel (x,c);

با این دستور کانال مورد نیاز برای ذخیره سازی از ورودی کارت صوتی (x) تنظیم میشود. درصورتی که بخواهیم به صورت mono یا یک کانال ذخیره شود، از مقدار ١ برای c استفاده میشود و در صورت استفاده از حالت strio یا دو کانال، باید از حالت 1:2 برای c استفاده میشود.

set(x,'SampleRate',48000);
با این دو دستور نرخ نمونهبرداری از ورودی کارت صوتی (x) تنظیم میشود.
تنظیم زمان موردنیاز برای ضبط از ورودی کارت صدا :
set(x,'samplesperTrigger',96000);
توسط این دستور زمان موردنیاز برای ذخیرهسازی از ورودی کارت صوتی محاسبه می شود. اما این محاسبه بر حسب ثانیه و با در نظر time میزان زمان موردنیاز توسط مقدارگرفتن میزان نرخ نمونهبرداری میباشد.
برای مثال برای ضبط به مدت زمان دو ثانیه و نرخ نمونهبرداری ۴٨٠٠٠ هرتز باید به صورت زیر عمل کنیم.
Time = 2 * 48000
با قراردادن مقدار ٩۶٠٠٠ به جای time میتوان مدت ضبط را برای دو ثانیه تنظیم نمود.
شروع ضبط از ورودی کارت صدا:
start(x);
ذخیره اطلاعات ضبط شده از ورودی کارت صدا :
data = getdata(x);
توسط این تابع اطلاعات ضبط شده را در متغیر data ذخیره میشوند. data به صورت یک ماتریس n سطری و یک ستونی میباشد که تعداد سطرهای آن بستگی به زمان ذخیره اطلاعات و نرخ نمونهبرداری دارد.
بازشدن پنجره اسیلوسکوپ و نمایش اطلاعات ذخیره شده:
softscope;
حذف پیکره بندی کارت صدا :
clear x;
برنامه کامل متلب این پروژه:
x = analoginput('winsound');
Addchannel (x,1);
set(x,'SampleRate',48000);
set(x,'samplesperTrigger',96000);
start(x);
data = getdata(x);
data= data*100
softscope;
clear x;

5
فصل ششم
سختافزار و نرمافزار پروژه
سختافزار و نرمافزار پروژه
عملکرد مدار به این صورت است که سیگنال به سه قسمت فرستاده می شود.
* سیگنالی که توسط مدار تضعیفکننده ولتاژ ارسال می شود به کارت صدا کامپیوتر.
* سیگنالی که فرستاده میشود به ADC میکروکنترلر.
* سیگنالی که فرستاده می شود به سمت تایمر T0 و T1 میکروکنترلر.
شکل ‏5 . 1 سختافزار پروژه.
5 .1 مدار تضعیف کننده ولتاژ
ابتدا برای جلوگیری از آسیب رسیدن به مدارات ورودی کارت صدا بایستی تا حد ممکن ولتاژ ورودی را کاهش دهیم و ماکزیمم آنرا به 0.5 ولت برسانیم. که این کار توسط مدار شکل 2.6 صورت میگیرد.

شکل ‏5 . 2 مدار تضعیفکننده ولتاژ.
5 .2 مدار نمونهگیری ولتاژ
از آنجایی که میخواهیم دامنه ولتاژ یک سیگنال AC را اندازهگیری کنیم باید این سیگنال را به DC تبدیل کنیم که برای این منظور مدار شکل 3.6 طراحی شده است.
شکل ‏5 . 3 مدار نمونهگیر ولتاژ.

مدار شکل 3.5 مدار یکسوکننده تمام موج میباشد که ابتدا قسمتهای منفی سیگنال را مثبت کرده و سپس توسط شارژ خازن ولتاژ سر خازن یک ولتاژ DC برابر با دامنه سیگنال میباشد.

جدول ‏5 . 1 قطعات مدار.
نام قطعه
تعداد
میکرو ATMEGA32
1
LCD 16*2
1
دیود 1N4001
4
خازن 1000µ
1
رگولاتور 7805
1
مقاومت 1k, 100k
1
پتانسیومتر 10k
1

5 .3 میکرو به زبان BASIC
در این پروژه فرکانس و دامنه سیگنال AC با استفاده از میکرو و نرمافزار بسکام بر روی LCD نمایش
داده می شود.
برنامه میکرو به صورت زیر میباشد:
1) $regfile "m32def.dat"
2) $crystal = 8000000
3) Config Lcdpin = Pin , Db4 = Pind.4 , Db5 = Pind.5 , Db6 = Pind.6 , Db7 = Pind.7 , Rs = Pind.0 , E = Pind.2
4) Config Lcd = 16 * 2
5) Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Avcc
6) Config Timer1 = Counter , Edge = Rising
7) Config Timer0 = Timer , Prescale = 1024
8) Enable Interrupts
9) Enable Timer0
10) Enable Timer1
11) On Ovf1 Pulse
12) On Ovf0 Ovf0
13) Dim A As Long , I As Long , B As Byte
Dim W As Word
Dim Input_mv As Single
Dim Input_v As Single
14) Start Adc
B = 0
15) Cls
16) Lcd " porozhe "
17) Start Timer0
Do
Loop
End
Ovf0:
18) Incr I
19) If I > 30 Then
Stop Timer0
Cls
A = B * 65536
A = A + Counter1
A = A / 10
A = A + 1000
20) W = Getadc(6)
Input_mv = W * 4.8
Input_v = Input_mv / 1000
Cls
21) Home : Lcd "F= " ; A
22) Lowerline : Lcd "Input: " ; Fusing(input_v , "#.#") ; "V"
Counter1 = 0 : B = 0 : I = 0
Start Timer0
End If
Return
23) Pulse:
Incr B
Counter1 = 0
Return
توضیحات کد برنامهنویسی:
1) تعریف میکرو ATMEGA32
2) تعیین فرکانس میکرو بر حسب هرتز
3) تعریف LCD و اتصالات آن
4) تعریف نوع LCD
5) تعریف ADC، SINGLE: باید از دستور GETADC برای فراخوانی استفاده شود. همچنین به طور خودکار کلاک آن با فرکانس سیستم هماهنگ میشود و مرجع 5 ولت است.
6) تایمر1 به عنوان کانتر معرفی شده است.
7) تایمر0 به عنوان تایمر معرفی شده است.
8) فعالسازی وقفههای داخلی
9) فعالسازی تایمر0
10) فعالسازی تایمر1
11) اگر تایمر0 سرریز شد برو به Pulse
12) اگر تایمر1 سرریز شد برو به Ovf0
13) تعریف متغیرها
14) شروع ADC
15) پاک کردن lcd
16) نوشتن کلمه porozhe بر روی lcd
17) شروع Timer0 و حلقهی آن و پایان حلقه
18) I یک واحد افزایش یابد.
19) اگر I بزرگتر از 30 بود تایمر0 متوقف شود و با محاسبات تعداد پالسها (فرکانس) محاسبه میشود.
20) مقدار از پایه ADC خوانده میشود و دامنه ولتاژ محاسبه میگردد.
21) نمایش مقدار فرکانس در سطر اول lcd
22) نمایش مقدار ولتاژ گردشده تا یک رقم اعشار در سطر دوم lcd
23) زیربرنامه آن تعداد پالسهای سیگنال را میشمارد.

5 .3 .1 کار با تایمر
در داخل AVR دو عدد تایمر وجود دارد که ساختار هر کدام بهصورت زیر است:

شکل ‏5 .4 بلوک دیاگرام تایمر میکرو.
برای هر تایمر یک شمارنده بهنام Prescale که در تعریف اولیه مقداردهی میشود (تقسیم بر 1 یا 8 یا 16 یا 64 یا 1024) تخصیص دادهشدهاست. بلوک دوم ثابت میباشد برای تایمر 0، شمارنده 8 بیتی و برای تایمر 1، 16 بیتی درنظرگرفتهشدهاست. برای استفاده از تایمر ابتدا در مقدمهسازی نوع تایمر را مشخص میکنیم آنگاه در Prescale یکی از اعداد تقسیمی را انتخاب مینماییم. در برنامه بعد از تعریف اولیه و راهاندازی تایمر 0 وارد حلقه شده و صبر میکند تا شمارش تایمر تمام شود و به زیر برنامه خودش پرش نماید و برنامههای نوشته شده در زیر برنامه را اجرا میکند. بدین وسیله ایجاد تاخیر خواهد شد که برابر T=t×1024×256 در این فرمول T زمان تاخیر و t مقدار پریود فرکانس کلاک سیستم میباشد که اگر 1 مگاهرتز باشد 1 میکرو ثانیه خواهد شد. پس کل تاخیر 262144/. ثانیه میشود. (دستور OVF0 بهمعنی سرریز است که اگر شمارش تمام شود وقفه ایجاد شده و به زیر برنامه میپرد)

5 .3 .2 کار با تایمر بهصورت کانتر Counter
در برنامه بعد از تعریف اولیه و راهاندازی تایمر بهصورت کانتر وارد حلقه شده و صبر میکند تا شمارش تایمر تمام شود (برای تایمر 0 هشت بیتی 256 میباشد) و به زیربرنامه میرود. در هر لحظه تعداد پالس ورودی برابر است با A × 256 میباشد. مثلاً اگر 5 مرتبه به زیربرنامه رفته باشیم تعداد کل پالس ورودی 1280 است.
256 × 1024 × 30/8000000 ≈ 0.983040S

پیوست ها
شکل پ-1: .data sheet of atmega16

شکل پ-2: .data sheet of lcd 16*2
منابع و مراجع
[1]

دکتر سید میر عشقی، علی؛ مبانی الکترونیک؛ عنوان فرعی کتاب، انتشارات اصفهان، جلد دوم، ویرایش دهم، 1386.
[2]

مهندس کاهه، علی؛ میکروکنترلرهای AVR، انتشارات وزارت فرهنگ و ارشاد اسلامی، تهران، چاپ سوم، 1384 .
[3]
مهندس گودرزوند، امیر؛ جعبه ابزارهای matlab؛ انتشارات ناقوس، ویرایش دوم، سال 1386.
[4]
www.Iranmicro.ir
[5]
سایت ویکیپدیا، دانشنامهی آزاد، تقویت کنندههای عملیاتی

Ministry of Science, Research and Technology
Tafresh University

Electronic Department

B. Sc.

Title
Oscilloscope in matlab

By
Mina Rajabzadeh

Supervisor
Dr. Ali.m Fotouhi

oct & 2014
1 matlab
2 Internal
3 External
4 peripheral component interconnect
5 Musical Instrument Digital Interface
6 دسته فرمان
—————

————————————————————

—————

————————————————————

چکیده

16

فهرست عناوین

فهرست اشکال

فهرست جداول

فصل اول: مقدمه

فصل دوم: اسیلوسکوپ

فصل سوم: کارت صدا

فصل چهارم: اسیلوسکوپ در متلب

فصل پنجم: سختافزار پروژه

پیوست ها

منابع و مراجع