Mini Osciloscop Digital cu Generator de Semnal

• Proiectul constă în realizarea unui osciloscop digital standalone, capabil să captureze și să afișeze semnale analogice în timp real, cu un generator intern de semnal și intrare externă prin jack 3.5mm.

• Scopul lui: vizualizarea și analiza semnalelor electrice la un cost accesibil, fără echipamente comerciale costisitoare.

• Ideea de la care am pornit: Sincer sa fiu nici eu nu stiu, pur si simplu am avut o iluminare

• Utilitate: pentru alții, un instrument funcțional sub 300 RON care înlocuiește un osciloscop entry-level. Pentru mine, o integrare completă a tuturor temelor PM — ADC, SPI, I2C, timere și întreruperi — într-un singur sistem hardware coerent.

Osciloscopul este organizat în jurul a cinci module hardware și trei module software, toate coordonate de ATmega328P.

2.A Module hardware:

Semnalul analogic intră prin mufa jack PJ392 3.5mm, trece prin două diode 1N4148 care îl protejează, apoi prin op-amp-ul MCP6002 configurat ca buffer, și în final printr-un filtru RC care elimină zgomotul de înaltă frecvență înainte de ADC.

Placa ATmega328P Xplained Mini este centrul proiectului. Rulează la 16MHz, se programează direct prin USB și coordonează toate perifericele — ADC, SPI, I2C, timere și întreruperi.

Display-ul ILI9341 de 2.4” se conectează prin SPI și afișează forma de undă în timp real împreună cu scalele și măsurătorile automate. Deoarece operează la 3.3V, level shifter-ul Pololu 2595 face conversia de tensiune față de MCU-ul de 5V.

DAC-ul MCP4921 se conectează pe același bus SPI și generează semnalul intern de test (sinus, triunghi, dreptunghi), care se întoarce la intrarea analogică formând o buclă de demo completă.

Modulul EEPROM AT24C256 se conectează prin I2C și salvează setările utilizatorului între sesiuni.

2.B Module software:

Sampling engine — Timer1 în mod CTC cu polling, fără ISR, fără trigger detection. Capturează 240 eșantioane cu perioadă fixă de 800µs/eșantion.

Display renderer — desenează coloană cu coloană grila 6×6, cursorul vertical și semnalul. Panou de statistici cu Vpp, Vavg, T/div și tensiunea la cursor.

Measurement engine — calculează Vpp și Vavg din buffer.

Listă componente:

Total estimat: ~165 RON

Toate butoanele folosesc aceeași topologie: un terminal la GND, celălalt la pinul MCU prin rezistor de pull-up extern către VCC. Pin-ul MCU citește LOW când butonul este apăsat.

Schema este organizată în jurul plăcii ATmega328P Xplained Mini, reprezentată ca header 1×20 cu toate semnalele etichetate funcțional.

Lanțul de intrare analogică începe în mufa jack PJ-392, unde semnalul trece prin două diode 1N4148 montate ca dublu clamp (protecție 0–5V), apoi prin rezistorul R1 care limitează curentul. Op-amp-ul MCP6002 este configurat ca voltage follower pe canalul A, buffer-ând semnalul către filtrul RC anti-aliasing format din R2 și C2 (10nF). Ieșirea filtrului ajunge la pinul ADC A0 (PC0) al MCU.

Bus-ul SPI este partajat între display-ul ILI9341 și DAC-ul MCP4921. SCK și MOSI provin de la MCU, iar selectarea device-ului activ se face prin Chip Select separat (CS_DAC pe PB2, CS_TFT pe PD7). DAC-ul, alimentat la 5V, comunică direct; display-ul, cu logică 3.3V, primește semnalele prin level shifter-ul Pololu 2595 (conector 1×8 dedicat).

Bus-ul I²C conectează modulul EEPROM AT24C256 (header 1×4 cu pull-up-uri integrate pe modul) la pinii SDA/SCL ai MCU.

Interfața utilizator conține șase butoane (HOLD, MODE, TIME±, VOLT±) cu pull-up extern (R5–R10), și un potențiometru WH148 de 10kΩ (R11) conectat ca divizor între VCC și GND, cu wiper-ul ducând la ADC1 (PC1) pentru controlul cursorului de măsurare pe axa X a formei de undă.

Decuplarea alimentării este asigurată de condensatoarele C1 și C3 (100nF) montate fizic lângă pinii VDD ai op-amp-ului și DAC-ului.

Codul rulează simultan 5 module hardware care comunică între ele. DAC-ul (prin SPI) generează un semnal digital, care iese pe pinul 8 ca tensiune analogică. Această tensiune trece prin op-amp ca buffer, ajunge la pinul ADC, este eșantionată și raportată pe UART. În paralel, butoanele (GPIO) schimbă forma de undă generată, iar potențiometrul (alt canal ADC) reglează amplitudinea. Faptul că valorile DAC și ADC afișate pe Serial Monitor sunt aproape identice (diferență sub 20mV) confirmă că întregul lanț — SPI → DAC → op-amp → ADC → UART — funcționează corect.

Aceasta este “bucla de demo” a osciloscopului — DAC-ul produce semnal de test, iar restul lanțului îl procesează exact ca pentru un semnal real venit din jack. Înlocuind sursa (DAC → jack cu intrare externă), arhitectura rămâne identică. Practic, am validat hardware-ul de procesare a semnalului înainte să-l alimentez cu semnal real, ceea ce înseamnă că proiectul are deja partea cea mai critică funcțională: achiziția de date analogice prin op-amp + ADC, coordonată de MCU prin SPI și raportată prin UART.

Firmware-ul este complet funcțional și rulează pe ATmega328P Xplained Mini la 16 MHz, scris în C pur (fără Arduino HAL), compilat cu avr-gcc prin PlatformIO.

Funcționalități implementate:

• Generator de semnal intern (DAC MCP4921 pe SPI): sinusoidă, triunghi, dreptunghi
• Captură de semnal analogic prin ADC intern (10-bit, canal 0, Vref = 5V)
• Afișare în timp real pe display ILI9341 2.4” TFT (SPI) la ~1 fps
• Grilă osciloscop 6×6 (240×216 px zona de semnal, 0.83V/div)
• Cursor de măsurare controlat cu potențiometrul (poziție continuă pe ecran)
• Panou de statistici: Vpp, Vavg, T/div, tensiune la cursor
• 6 butoane cu întreruperi hardware (fără polling):
  • MODE (INT1): ciclează forma de undă SIN → TRI → SQR
  • HOLD (INT0): îngheață / reia captura
  • VOLT+ / VOLT− (PCINT): crește / scade amplitudinea (5 niveluri: 20%–100%)
  • TIME+ / TIME− (PCINT): crește / scade numărul de perioade vizibile (1–4)
• Potențiometru (ADC canal 1): controlează cursorul de măsurare pe axa X
• Persistență setări în EEPROM AT24C256 (I²C): mod, amplitudine, timebase — restaurate la repornire

Structura modulelor software:

Proiectul nu folosește biblioteci externe — tot codul este scris de la zero folosind doar headere AVR-libc standard (avr/io.h, avr/interrupt.h, util/delay.h, avr/pgmspace.h)

Bucla principală (main.c):

while (1) {
    // 1. Citire potențiometru → cursor_x (mapare liniară cu calibrare hardware)
    // 2. Procesare flaguri ISR (mode/hold/volt/time) → update stare + EEPROM
    // 3. dacă !hold:
    //      capture_frame() → warm-up 128 iter. (OCR=35) + 240 eșantioane (OCR=200)
    //      draw_frame()    → grilă + cursor + semnal coloană cu coloană
    //      draw_cursor_label() → tensiune la cursor, lângă linie
    //      draw_status_bar()   → mod, T/div, V/div, HOLD
    //      draw_stats_panel()  → Vpp, Vavg, T/div, CUR
    // 4. dacă hold:
    //      detectare schimbare cursor_x → redesenare frame din buffer (fără captură)
}

Fluxul de date:

DAC (MCP4921) -> semnal analogic -> condensator cuplaj AC 10µF
-> op-amp MCP6002 (buffer unitar, protecție diode) -> ADC canal 0
-> sample_buffer[240] -> calcul Vpp/Vavg/CUR -> display ILI9341

Sincronizarea DAC–ADC în capture_frame():

1. Timer1 CTC resetat la începutul fiecărei perioade
2. DAC scrie eșantionul → _delay_us(5) settling → ADC citit → așteptare OCR1A
3. Perioadă fixă: 200 × 4µs = 800µs/eșantion → rata de captură ~1.25 kHz

Validare funcționalități:

• ADC + DAC: semnal generat intern trimis și citit înapoi prin ADC; varianță < 20mV confirmată prin UART (uart_send_uint16 în faza de debug)
• Butoane: testate prin apăsare individuală — flagurile pending_* setate din ISR și procesate în bucla principală; debounce prin condiția if (!pending_x) pending_x = 1
• EEPROM: verificat prin cicluri de scoatere/rebranșare USB — setările (mod, amplitudine, timebase) restaurate corect; magic byte 0xAB la adresa 0x0000 previne încărcarea de date corupte
• Timer1 CTC: confirmat vizual — forma de undă stabilă la rata corectă de eșantionare
• Cursor: validat în modul HOLD — potențiometrul mută cursorul lin, CUR în statistici se actualizează în timp real

Potențiometru (ADC canal 1):

Potențiometrul fizic nu acoperă întregul rang teoretic 0–1023 al ADC-ului. Valorile reale au fost măsurate prin UART în faza de debug:

• Capăt minim fizic: ADC ≈ 173
• Capăt maxim fizic: ADC ≈ 954

Aceste valori sunt definite ca constante POT_MIN = 173 și POT_MAX = 954. Formula de calibrare cu clamp:

pot_clamped = (pot_raw <= POT_MIN) ? 0 :
              (pot_raw >= POT_MAX) ? (POT_MAX - POT_MIN) :
              (pot_raw - POT_MIN);
cursor_x = 1 + (uint32_t)pot_clamped * (SAMPLE_COUNT - 2) / (POT_MAX - POT_MIN);

Rezultat: la capătul minim fizic → cursor la x=1, la capătul maxim → cursor la x=239. Fără calibrare, ultimul sfert al cursei rămânea fără efect vizibil.

Scalarea tensiunii (ADC → Volți):

ADC 10-bit cu Vref = 5V → 1 LSB = 5V/1023 ≈ 4.89 mV. Vpp și Vavg sunt calculate direct din valorile ADC brute:

vpp_x10  = (uint32_t)(vmax - vmin) * 50 / 1023;  // zecimi de volt
vavg_x10 = (uint32_t)vavg          * 50 / 1023;

Consistența afișaj–calcul:

Funcția adc_to_y() mapează ADC 0→fundul grilei, ADC 1023→vârful grilei, fără margini de compresie — grila de 6 diviziuni × 36px corespunde exact cu 5V / 6 ≈ 0.83V/div, consistent cu valorile numerice afișate.

1. Font în PROGMEM (Flash, nu RAM)

Tabelul font 5×7 (59 caractere × 5 bytes = 295 bytes) este declarat cu atributul PROGMEM și citit cu pgm_read_byte(). ATmega328P are doar 2KB SRAM — fără această optimizare, fontul ar ocupa ~15% din SRAM-ul disponibil.

2. Warm-up cu 128 iterații (artefact triunghi)

Problema: condensatorul de cuplaj AC (10µF, RC ≈ 50ms) nu se poate stabili rapid dacă DAC-ul face un salt brusc de la warm-up la captură. Soluția: 128 iterații de warm-up cu OCR=35 (rapid, 140µs/pas) garantează că phase = 0 la final pentru orice phase_step din intervalul 1–4, deoarece 128 × k mod 64 = 0 ∀k. Astfel nu există salt DAC la tranziția warm-up → captură.

3. Desenare coloană cu coloană (fără buffer de ecran)

ATmega328P nu are suficient RAM pentru un framebuffer complet (240×320×2 = 150KB). Soluția: draw_frame() procesează ecranul coloană cu coloană — șterge coloana, desenează grila, desenează semnalul. Se evită flickerul global și se elimină necesitatea unui buffer secundar.

4. ISR minim + flaguri volatile

ISR-urile de butoane nu fac nimic altceva decât să seteze un flag: if (!pending_x) pending_x = 1. Procesarea efectivă (UART, display, EEPROM) se face în bucla principală. Astfel ISR-ul durează < 10 cicli, minimizând latența pentru alte întreruperi.

5. SPI bus partajat DAC + Display

Ambele periferice SPI (ILI9341 și MCP4921) partajează MOSI/SCK; chip-select separat (CS_DAC pe PB2, CS_DISPLAY pe PD7) permite comunicație fără conflicte și elimină necesitatea unui al doilea controler SPI.

Filmare care demonstreaza modul de functionare al Osciloscopului: https://youtube.com/shorts/OEblZLtn7qA

• ATmega328P Xplained Mini User Guide — Microchip Technology: https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/50002659A.pdf
• ATmega328P Xplained Mini — OCW PM UPB: https://ocw.cs.pub.ro/courses/pm/proiect/xplainedmini
• ILI9341 TFT LCD Driver Datasheet — ILI Technology: https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/ILI9341.pdf
• MCP4921 DAC Datasheet — Microchip Technology: https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21897B.pdf
• MCP6002 Op-Amp Datasheet — Microchip Technology: https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/MCP6001-1R-1U-2-4-1-MHz-Low-Power-Op-Amp-DS20001733L.pdf
• AT24C256 EEPROM Datasheet — Microchip Technology: https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/doc0670.pdf
• Pololu 2595 Level Shifter — Pololu: https://www.pololu.com/product/2595