Design of Signal Generator & Monitor

Purpose and Scope

이 문서는 Signal Generator & Monitor디자인 관련 문서이다. 이 문서에는 다음과 같은 설계 사항을 다룬다.

  • GUI
  • Mechanical
  • Electrical
  • S/W

System Design

System Overview

System

  • Signal Generator & Monitor는 신호를 모니터링하고 생성하는 디바이스이다.
  • 3.3V/5V 디지털신호 또는 아날로그 신호와 인터페이스 할 수 있으며, 디지털 입출력 각각 2채널, 아날로그 입출력 각각 2채널, 총 8채널 사용 가능하다.
  • XMC4500과 Signal Interface Shield로 구성되며, Signal Interface Shield는 XMC4500이 외부 디바이스와 인터페이스하기 위해 필요한 추가회로를 포함한다.
  • PC를 통해서 신호들을 확인하고 발생시킬 수 있다.

Internal Interfaces

XMC4500와 Signal Interface Shield와 연결

  • XMC4500 X1, X2(핀헤더 수) - Signal Interface Shield(핀헤더 암)
  • 실제 사용 시 장착/해제를 쉽게 하기 위해서 Signal Interface Shield 상에서 사용하는 핀만 핀헤더를 사용한다.
  • 사용하는 핀은 다음과 같다.
Pin Name Pin Configuration Description
X1 1 GND
X1 10 P14.0 아날로그 출력 채널 0번
X1 12 P14.2 아날로그 출력 채널 1번
X1 14 P14.8 아날로그 입력 채널 0번
X1 16 P14.9 아날로그 입력 채널 1번
X1 11 P14.1 기준전압 측정
X1 38 VDD3.3
X2 17 P1.4 디지털 입력 채널 0번
X2 16 P1.5 디지털 입력 채널 1번
X2 19 P1.2 디지털 출력 채널 0번
X2 18 P1.3 디지털 출력 채널 1번

External Interfaces

  • 외부와 인터페이스 하기위해서 핀 헤더(수)를 사용

PC 연결(USB)

  • PC USB - XMC4500 Micro USB

External Power

  • 필요에 따라 외부에서 5V 전압을 입력
  • 5V 외부 전원 1핀 - GND 1핀으로 구성

Digital Input 0 / Digital Input 1

  • Power Selector 모드에 따라 전압 범위가 다르다.
  • 3.3V 선택 시 전압범위 : 0 ~ 3.3 [V]
  • 5V 선택 시 전압범위 : 0 ~ 5 [V]

Digital Output 0 / Digital Output 1

  • Power Selector 모드에 따라 전압 범위가 다르다.
  • 3.3V 선택 시 전압범위 : 0 ~ 3.3 [V]
  • 5V 선택 시 전압범위 : 0 ~ 5 [V]

Analog Input 0 / Analog Input 1

  • 전압 범위 : 0 ~ 5 V

Analog Output 0 / Analog Output 1

  • Power Selector 모드에 따라 전압 범위가 다르다.
  • 3.3V 선택 시 전압범위 : 0.6 ~ 3.3 [V]
  • 5V 선택 시 전압범위 : 0.6 ~ 5 [V]

Component Description

XMC4500

  • KIT_XMC45_RELAX_LITE_V1 사용

Signal Interface Shield

  • External Power로 외부에서 5V 파워소스를 입력

  • Power Selector로 기준 전압(VDDS) 선택

    • 5V 또는 3.3V로 기준전압을 선택할 수 있다. 이 기준전압은 Signal Generator & Monitor가 인터페이스 할 디바이스 전압범위를 결정한다.
    • 5V는 External Power로부터 입력되는 파워소스이며, 3.3V는 PC USB로부터 XMC4500을 거쳐들어오는 파워소스이다.
    • 핀 헤더(수) 사용
    • 5V 핀 - 선택 핀 - 3.3V 핀으로 구성되며, 점퍼를 사용하여 선택 핀과 사용하고자 하는 전압 핀을 점퍼로 연결한다.
  • 디지털 입력신호를 0 ~ 3.3V 전압으로 변환 뒤 XMC4500으로 전달.
  • XMC4500의 디지털 출력 전압 범위를 0 ~ VDDS V로 변환 뒤 외부로 출력
  • 아날로그 신호 입력 시, 신호의 전압 범위를 0 ~ 3.3 V로 변환하고 10 kHz 이상의 고주파 신호성분을 제거한다.
  • XMC4500 아날로그 신호 출력 범위를 0.6 ~ 5 V로 변환한다.

PC

  • 신호를 모니터링하고 신호를 생성 할 수 있는 사용자 인터페이스

PC GUI Design

Data screen

gui

  • Signal Generator & Monitor 인터페이스 신호 모니터링과 신호 생성이 가능한 GUI
  • Micrium uC-Probe XMC로 GUI 구현
  • Digital Input은 LED로 구현
  • Digital Out은 custom switch 사용
  • Analog Input 값은 Numeric Indicator 사용
  • Analog Output 값은 Text box 사용
    • 변수 값을 실시간으로 변경
  • Analog Output의 값이 범위를 초과시 다음의 동작을 한다.
    • 0.6 V보다 작은 값을 입력하면 0.6V로 입력된다.
    • 3.3V 모드 일 때, 3.3V 보다 높은 값을 입력하면 3.3V로 포화된다.
    • 5V 모드 일 때, 5V보다 높은 값을 입력하면 5V로 포화된다.

Oscilloscope

  • 아날로그 입력 2 채널 신호 파형 출력
    • sampling rate : 1 [kHz]
    • display voltage range : 0 ~ 5 [V]

Mechanical Design

Mech

Electric Design

Digital Input/Output

digital

  • XMC4500과 디지털 디바이스 간 인터페이스 하기 위한 회로
  • 전압 범위 : 0 ~ VDDS [V]

Analog Input

analogin

  • 아날로그 신호를 입력받기 위한 회로이다. 전압 범위를 조정하기 전압분배회로, 전압증폭회로 그리고 고주파 신호를 차단하기위한 저역통과필터를 포함

  • 전압 범위 : 0 ~ 5 [V]

  • Op-amp Biasing Voltage : 3.3 [V]

    • XMC4500 ADC 전압 범위가 최대 3.3 [V]

  • 아날로그 입력회로 이득 : 0.652

    • 전압분배회로 이득 : $ \frac{1}{2}$

      $$ Gain = \frac{R2}{R1+R2} = \frac{13k}{13k+13k}=\frac{1}{2}$$

    • Op-amp 전압 증폭회로 이득 : 1.303

      $$ Gain = 1+\frac{R3}{R4} = 1+\frac{9.1k}{30k} = 1.303$$

    • 따라서, 총 이득은 $$ AiGAIN = \frac{1}{2}\times 1.303 = 0.652 $$

  • Cutoff Frequency : 10 [kHz]

    ​ $$ CutoffFrequency = \frac{1}{2\pi R5C1} = \frac{1}{2\pi \times 15k \times 1000p} = 10610$$ [Hz]

  • R2, R4 저항 값을 변경하여 사용자가 전압 이득 변경 가능

    • 핀 소켓 사용

  • R5 저항 값을 변경하여 사용자가 Cutoff Frequency 변경가능

    • 핀 소켓 사용

Analog Output

analogout

  • 아날로그 신호를 출력하기 위한 회로이며, 전압 증폭회로로 구성
  • 전압 범위 : 0.6 ~ VDDS [V]

  • Op-amp 전압 증폭회로 이득 : 2

    $$ AOGain =1+\frac{R2}{R3} = 1+\frac{10k}{10k} = 2$$ * R2 저항을 변경하여 이득 변경 가능

    • 핀 소켓 사용

Software Design

Software Description

  • 모든 변수는 전역 변수로 사용
  • 다음의 함수들은 하드웨어로 입출력되는 수치를 실제 물리값으로 변환

Software1

Sense_DI

  • Digital Input 0 / Digital Input 1 상태를 읽고 u32DI0State/u32DI1State 변수에 상태 정보 저장

Sense_AI

  • Analog Input 0 / Analog Input 1 신호 샘플링

  • ADC 변환값을 실제 전압(f32AI0Vol/f32AI1Vol)으로 변환

    $$ AiVol = \frac{AdcCh}{4095}\times3.3\times \frac{1}{AiGAIN} $$

    • $ AiVol$는 실제 입력되는 아날로그 전압으로 f32AI0Vol/f32AI1Vol 변수가 이에 해당한다.
    • $ AdcChannel $는 ADC Ch0/Ch1의 변환값이다.
    • $ AiGAIN $ 값은 Electric Design-Analog Input 참고

Sense_Vdds

  • Signal Interface Shield 기준전압 측정

  • ADC 변환값에서 실제 전압으로 변환

    $$ f32Vdds = \frac{AdcCh2}{4095}\times3.3\times \frac{1}{GAIN} $$

    • AdcCh2는 ADC Ch2의 ADC 변환값이다.
    • GAIN 값은 2이다. 관련된 정보는 도면 참고

Software2

Actuate_DO

  • u32DO0State/u32DO1State 변수에 따른 디지털 신호 출력

Actuate_AO

  • 출력 전압(f32AO0Vol/f32AO1Vol)을 만들기 위해서 DAC에 입력 할 값 연산

    $$ Dac = \frac{4095}{2.2}(AoVol\times \frac{1}{AoGAIN}-0.3)$$

    • $ Dac $는 DAC 하드웨어에 써야 할 값이다.
    • $ AoVol $는 실제 출력되는 아날로그 전압으로 f32AO0Vol/f32AO1Vol 변수가 이에 해당한다.
    • $ AoGAIN $ 값은 Electric Design-Analog Output 참고
    • 출력전압에 해당하는 아날로그 신호 출력

  • f32AO0Vol/f32AO1Vol 변수가 아날로그 출력 범위를 넘어설 경우 다음의 동작을 한다.

    • 0.6 V 미만의 전압이 입력 됐을 때, 0.6V로 변환
    • 3.3 V 모드 일 때, 3.3 V보다 높은 값이 입력 됐을 때, 3.3 V로 변환
    • 5V 모드 일 때, 5V보다 높은 값이 입력 됐을 때, 5V로 변환

Hardware Configuration

  • Pin mapping 정보는 System Internal Interfaces 항목 참고

dhADC_MEASUREMENT_0

  • Number of measurements : 2
  • Trigger edge selection : No External Trigger
  • Enable continuous conversion : Enable
  • Start conversion after initialization : Enable
  • Conversion mode : 12 Bit Conversion
  • Desired sample time [nsec] : 67

dhDIGITAL_IN_0/dhDIGITAL_IN_1

  • Pin direction : Input
  • Mode : Tristate
  • Positive True

dhDIGITAL_OUT_0/dhDIGITAL_OUT_1

  • Pin direction : Input/Output
  • Mode : Push Pull
  • Initial output level : Low
  • Positive True

dhDAC_0/dhDAC_1

  • Waveform selection : Single Value
  • Sign selection : UnsignedValue