Логічний щуп – осцилограф

М. Заєць.

Відомо велика кількість логічних щупів. Кожному, хто працює з логічними мікросхемами, хотілося б мати простий, надійний і з підвищеними метричними характеристиками прилад для перевірки та налаштування логічних схем. До цього хотілося б додати дешевизну і зручність у використанні.

Саме таку мету переслідував автор при розробці свого логічного щупа. Відомий "Імпульсний матричний осцилограф" [1] має великі розміри, громіздку схему і незручний в роботі. Перевага згаданого приладу перед пропонованим, тільки в наявності функції вимірювання амплітуди. Необхідність вимірювання розмаху імпульсів у межах 0,5:30 В, в широко поширеною логікою, є сумнівною.

Прилад, названий автором: логічний щуп – осцилограф (далі для стислості – щуп), має наступні можливості.



Мінімальна тривалість вимірюваного імпульсу – 1 мікросекунд.

Кількість точок дискретизації – 24 (48).

Загальна тривалість розгортки: 1; 10; 20; 100; 200 мікросекунд.

Можливість використання в якості джерела стабільної частоти.

Розмір (Д, Ш, В): 180x30x20, без урахування голки і дзьобик перемикача розгортки.

Споживаний струм при виключених світлодіодах (48) – 6,5 mA.

Споживаний струм при всіх включених світлодіодах (48) – 160mA.

Блок живлення – адаптер на 5В і 9В.

Схема щупа зображена на малюнку 1.


Відкрити схему в новому вікні з роздільною здатністю 1800Х1200 = 58 кБт.

Функціонально щуп складається з наступних блоків. Задає кварцовий генератор зібраний на елементах DD2.1; DD2.6; DD2.5. Дільник частоти – на мікросхемах DD4 і DD6. Блок управління, що складається з тригера пуску і ключа, зібраний на елементах DD1.2 – DD1.4. Формувач короткого імпульсу – C3; R4; DD2.2 – DD2.4. Вхідний формувач – DD1.1. Послідовні регістри розгортки зібрані на мікросхемах DD3; DD5; DD7. Індикатор – на світлодіодах HL1 – HL24 і резистора R6 – R29.

Ідея приладу полягає в тому, щоб запам'ятовувати послідовно у часі логічний рівень вхідного сигналу і відображати його на індикаторі. Точність вимірювання у такий спосіб не може перевищувати (за критерієм Нейквіста) половини часу квантування. Простіше кажучи, якщо ми вимірюємо імпульс тривалістю 1 мікросекунд на межі розгортки 1 мікросекунд, то результат отримаємо з точністю 50 відсотків. Якщо тривалість імпульсу 100 мілісекунд, на тому ж межі отримаємо точність 0,5 відсотка. Тому автор прагнув до збільшення кількості точок квантування. Схема показана на 24 розряду, хоча мною виготовлений щуп на 48 розрядів і всі дані, наведені вище, відносяться до останнього варіанта. Збільшення розрядності досягається збільшенням числа мікросхем регістрів, про що ми поговоримо нижче.

Кварцовий генератор зібраний за відомою схемою, багаторазово описуваної в журналі Радіо, тому в описі не потребує. Імпульси з частотою 1мГц, з виведення 10 DD2.5, надходять на вхід 2 пятіразрядного, двійково-десяткового лічильника DD4. Лічильник включений за схемою десяткового дільника з використанням п'ятого розряду для збільшення діапазону розгортки. Таким чином, лічильник ділить вихідну частоту на 10 і 20. Включення лічильника по відомих і рекомендованим [2] схемами викликало нестійку роботу. Тому керуючий висновок А (висновок 1) підключений до виходу третього розряду (вивод12). При такій схемі включення тимчасова діаграма роботи мікросхеми відповідає малюнку 16 книги С. А. Бірюкова [2]. Мікросхема працює стійко. Імпульси з тривалістю періоду 1, 10, 20, 100, 200 мікросекунд подаються на перемикач SA (розгортання), звідки, обрана тривалість розгортки надходить на ключ DD1.4 (13). Другий висновок ключа (12) підключений до RS-тригера блоку управління. Тригер управляється кнопкою S3 (пуск). При натиснутій кнопці S3 на висновок 12 ключа буде подаватися логічна одиниця, роздільна проходження імпульсів. На виході ключа DD1.4 (11) імпульси диференціюються ланцюжком C3, R4 формуються інверторами DD2.2-DD2.4 і подаються на синхронізуючі входу регістрів. Загострення імпульсів відбувається по фронту і необхідно для того, щоб виключити неоднозначність при збереженні даних в регістрах.

Вхідні імпульси надходять на інвертор DD1.1 і, в залежності від положення перемикача S1, проходять на вхід регістра в прямому або інвертованому вигляді. При надходженні імпульсу синхронізації на вхід С, в перший розряд регістра записується логічне стан присутнє в цей момент на вході D. У наступних розрядах інформація зсувається у бік збільшення на один розряд. Кожна мікросхема ІР2 складається з двох секцій четирехразрядних зсувних регістрів. Тому інформаційний вхід D (15) наступної секції підключений до виходу (10) четвертого розряду попередньої секції. Таким чином, три корпуси дають 24 розряду квантування вхідного сигналу.

Оскільки всі мікросхеми ТТЛ і КМОП мають більший вихідний струм в стані логічного нуля, то і світлодіоди HL підключені так, щоб запалювалися при логічному нулі на виходах регістрів. Звичніше бачити в палаючому світлодіоді рівень логічної одиниці, тому на кнопці S1 вхідний сигнал позначений як інверсний.

При натиснутій кнопці S3 (пуск) інформація записується в регістри, при відпущеної – зберігається. При перегляді індикатору необхідно враховувати те, що кожен світлодіод відповідає тривалості встановленої розгортки. Якщо розгортка встановлена на "1" і поспіль горить 5 розрядів, то тривалість імпульсу дорівнює 5 мікросекунд. Якщо горять усі розряди, то треба переключитися на більший час розгортки. Власне, вибором часу розгортки щуп і виправдовує свою приставку – осцилограф. Конденсатор С4 і резистор R3 утворюють диференціюються ланцюжок, через яку, по спаду імпульсу з останнього розряду, перекидається тригер. Низький рівень з виходу DD1.2 10 закриє елемент DD1.4 для проходження імпульсів запису на регістри. Низький рівень на виході регістра включає світлодіод. Таким чином, початок інвертованого досліджуваного одиночного (періодичного) імпульсу завжди буде спостерігатися на останньому розряді. Тобто останній розряд завжди буде світитися.

Для контролю працездатності приладу введено додатковий перемикач S2 (контроль 0,1 ms). Цей контроль був обраний тому, що імпульс з виходу 11 лічильника ІЕ2 має шпаруватості 5. 20ms тривалість логічної одиниці і 80ms тривалість логічного нуля.

Гніздо XS, у варіанті щупа 24 розряду, використовується для видачі імпульсів на перевіряються мікросхеми, утримуючи кнопку "пуск". За наявності на перемикачі SA вільного положення кнопка "пуск" буде задавати на XS поодинокі імпульси, що буває необхідно при перевірці тригерних схем.

Варіант щупа 48 розрядів може використовуватися як двох променевої по 24 розряду і як однопроменевими на 48 розрядів. Збільшення числа розрядів, як говорилося вище, дає збільшення точності вимірювання тривалості імпульсу. Схематично 48 розрядів виходить додаванням трьох регістрів ІР2, підключених ідентично регістрів DD3, DD5, DD7, але без вхідного інвертора. При підключенні обох входів щупа на перегляд одного сигналу і при включенні одного променя на перегляд прямого сигналу, а другого променя – інверсного сигналу, на індикаторі висвічується імпульс, як на екрані осцилографа. При підключенні входу додаткового блоку регістрів до 24 розряду отримуємо 48 розрядів, причому, імпульс спостерігається в полярності, визначеної перемикачем S1.

Для роботи з ТТЛ логікою необхідно знизити напругу живлення до 5 В. При цьому яскравість світіння індикатора зменшиться.

У щупі використовуються резистори МЛТ 0,125, конденсатори: C2 – КМ6, С3 – КМ5б, С1 – малогабаритний імпортний. Перемикач SA – мпн-1 на один напрям і 10 положень. Кварц – РГ-06 1000кГц. Кнопки S1-S3 – МП7. Світлодіоди – АЛ102БМ в металевому корпусі. Гніздо XS – малогабаритне, діаметром 1мм. Мікросхеми 564 серії з планарних висновками. Можливі будь-які заміни деталей з підходящими характеристиками, що вплине на розміри друкованої плати та корпусу. При заміні мікросхем бажано вибирати 164 серію. Мікросхеми серії 561 не мають у своєму складі лічильників ІЕ2 і, їх доведеться міняти серією 176. Хоча багато мікросхеми з цієї серії можуть працювати при напрузі живлення 5В, з'явиться необхідність підбору на стійкість роботи при зниженому напрузі. При заміні кварцу максимальна частота становить 8мГц, тому що паспортна частота КМОП – мікросхем – 5мГц. При цьому необхідно пам'ятати про незручність підрахунку тривалості імпульсу і орієнтуватися на що стоять перед вами завдання. Скажімо, якщо доводиться часто вимірювати імпульси великий тривалості, то частоту кварцу можна відповідно зменшити і навпаки.

Друкована плата представлена на рис.2, а схема розташування елементів – на рис.3. Червоним кольором позначено сполучні лінії і елементи розташовані із зворотного боку установки мікросхем. Плата виготовлена з двостороннього фольгованого склотекстоліти товщиною 1мм. Перехідні отвори просвердлені свердлом діаметром 0,6 мм. Два отвори в передній частині плати мають діаметр 3 мм. Перше отвір – Кріпильний, друге необхідно для проходження кінця гнізда. Саме гніздо кріпиться до верхньої кришки корпусу. 4 отвори діаметром 1мм призначені для кріплення кнопок МП7, який здійснюється заклепками з мідного дроту. Кнопка S1 встановлена зі зворотного боку плати навпроти кнопки S2. Два повзунка для фіксування кнопок S1, S2 виточені надфілем з підходящої пластмаси. Пружинка для кнопки S3 зроблена з контактної пластини реле типу РПУ, кнопка пуску – з текстоліту. Конденсатори С1, С2 встановлені із зворотного боку. Резистор R4 розташований під мікросхемами, а резистори R1, R2 запаюються після установки кварцу.

На рис. 4 дана друкована плата індикатора і розташування елементів на ній. Спочатку встановлюються світлодіоди так, щоб їх корпусу не стикалися, потім, з боку друкованої плати, запаюються резистори.

Корпус склеєний епоксидної смолою з склотекстоліти. У корпусі виконані отвори для кріплення щупа, повзунків, перемикача та три отвори для стяжних гвинтів. Гвинти встановлюються таким чином: один у центрі попереду і до нього прикручується плата з елементами, два інших – по краях ззаду. У місці кріплення плати з елементами є корпусні майданчик, тому на гвинт подається негативне напругу напруга. Під гайкою цього гвинта прикріплюється провід із затиском "крокодил" для з'єднання з мінусом досліджуваної схеми.

Монтаж виконаний проводом МГТФ-0, 07. Плата з елементами встановлюється в корпус елементами вниз, зверху кладеться без кріплення плата індикації й притискається верхньою кришкою. Кришка має отвори під світлодіоди і кріпильні отвори. На ній встановлено також гніздо XS. З блоком живлення щуп з'єднаний проводом МГТФ-0, 07.

Література:

1. Сергєєв В. Імпульсний матричний осцилограф. – Радіо, 1986, N3, с.42-45.

2. Бірюков С. А. Цифрові пристрої на МОП-інтегральних мікросхемах. – М.: Радіо і зв'язок, 1990 (с.14, 15).

3. Шило В. Л. Популярні цифрові мікросхеми. – Челябінськ, Металургія, 1989.

Радіо № 2, 2000 р., с.28-29 (зі скороченнями з сайту автора).

Джерело матеріалу