Двоканальна осцилографічні приставка до ПК

Відомо, що добре налагодити деякі пристрої без осцилографа вельми проблематично. Однак осцилографи досить дорогі, тому, якщо у вас є IBM-сумісний комп'ютер, значно дешевше зібрати щодо нескладну приставку до нього, наприклад, таку, як описується в опублікованій нижче статті.

Пропонована двоканальна осцилографічні приставка до ПК призначена для спостереження і дослідження форми електричних сигналів, вимірювання часових і амплітудних характеристик електричних процесів. Смуга пропускання кожного з каналів – 0 … 50 МГц, коефіцієнт відхилення променя – 0,1 … 20 В / справ., Вхідний опір – 1 МОм, вхідні ємність – 20 пФ, тривалість розгортки – від 0,1 мкс до 100 мс / справ. Мінімальні вимоги до ПК: 386, VGA, принтерний порт, MS DOS 3.3.

На високочастотних діапазонах пристрій працює за принципом стробоскопічному, на низькочастотних – в реальному часі. Програмне забезпечення допускає роботу в режимі спектроаналізатор. Число відліків сигналу, зображуваного на екрані, в звичайному режимі – 256, в режимі спектроаналізатор – 128. Програма використовує порт LPT1 (див. таблицю): базовий порт 378Н, порт сигналів стану принтера (Вхідний) 379Н, порт керуючих сигналів (вихідний) 37АН. У програмі прийнято, що стан біт портів стандартно і відповідає станам сигналів на контактах принтерного виводу [1].

Біт Контакт
Порт 378Н (базовий)
0 2

1 3

2 4

3 5

4 6

5 7

6 8

7 9

Порт 379Н (введення)
0 11 (інв.)
1 10

2 12

3 13

4 15

Біти 5-7 на роз'єм
не виведені

Порт 37АН (висновок)
Біти 0-3 на роз'єм
не виведені

4 17 (інв.)
5 16

6 14 (інв.)
7 1 (інв.)

Принципова схема приставки зображена на рис. 1.


Для збільшення клацніть по рис. лівої кнопки миші
Рис.1. Принципова схема приставки.

Досліджувані сигнали через вхідні гнізда XW1 і XW2 надходять на резистивної-ємнісні дільники, що складаються з перемикачів 1SA2, 2SA2, резисторів 1R1-1R8, 2R1-2R8 і конденсаторів 1С2-1С9, 2С2-2С9, які визначають максимальний розмах по вертикалі (префікси 1 і 2 тут і далі позначають приналежність елементів відповідно до каналів 1 і 2). До виходів дільників через повторювачі на транзисторах 1VT1, 1VT2 і 2VT1, 2VT2 підключені МОП-ключі мікросхеми 1DA1 (два з її напрямків використані в каналі 1, інші – в каналі 2). Ключі відкриваються імпульсами тривалістю близько 10 НC, що поступають від формувача на тригері DD1.2, і через них заряджаються конденсатори 1С10 і 2С10, до яких підключені неінвертуючий входи ОП 1DA2 і 2DA2. Напруги на конденсаторах, відповідні напруг сигналів під час відкривання ключів, посилюються ОУ в 10 разів. Загальна тривалість відкриваючого імпульсу відповідає мінімальній тривалості фронту вхідного сигналу, який відобразиться без спотворень, т. тобто визначає смугу пропускаються частот.

Реалізоване в програмі вимір напруг на виходах ОУ 1DA2 і 2DA2 шляхом послідовного наближення здійснюється наступним чином. Спочатку в порт 378Н виставляється число 2 7 (На виході ЦАП – 2,5 В) і перевіряється стан виходів компараторів (біт 3 та 4 порти 379Н). Якщо компаратор спрацював, до зазначеного числа додається 2 6 , Якщо ні – з першого віднімається друге. Потім ще раз перевіряється стан компараторів, додається або віднімається 2 5 . Процедура повторюється до додавання або віднімання 2 0 . Отримані в результаті числа відповідають значенням напруги на виходах 1DA2 і 2DA2. Дільник R20R29 встановлює межі зміни напруги на виході ЦАП від 0,5 до 4,5 В. Щоб формувач імпульсів не спрацьовував при визначенні напруг на виходах ОУ, на вхід D тригера DD1.2 в цей час подається лог. 0. Час перетворення АЦП при часі записи в порт, що дорівнює 2 мкс, становить 2×40 мкс.

Синхронізація здійснюється в каналі 1 за допомогою компаратора DA1, інвертується вхід якого через конденсатори С1 і С2 підключений до виходу повторювача на транзисторах 1VT1 і 1VT2. Для підвищення завадостійкості введені резистори R2 і R3, які визначають компаратор гістерезис 20 мВ. Рівень синхронізації регулюють змінним резистором R4.

Затримка часу від моменту спрацьовування компаратора DA1 до моменту відкриття ключів мікросхеми 1DA1 встановлюється програмно-апаратно на високочастотних діапазонах і програмно – на низькочастотних. У першому випадку програма, коли вона готова до прийому чергового значення вхідних сигналів, встановлює, а потім прибирає сигнал "Reset" з тригера DD1.1 (біт 7 порту 37А = "1 / 0", контакт 1 принтерного роз'єму = "0 / 1"). "Зведений" таким чином тригер спрацьовує при перемиканні компаратора DA1, і транзистор VT3 закривається. В результаті від джерела струму, виконаного на елементах VT2, R8, R9, починає заряджатися один з времязадающіх конденсаторів С7-С21. Коли напруга на ньому досягає значення напруги на виході ЦАП, спрацьовує компаратор DA2 і запускає формувач імпульсу (DD1.2, R11, С22), керуючий ключами мікросхеми 1DA1. Спрацьовування компаратора DA2 програма визначає за значенням 0 на контакті 11 принтерного роз'єму (біт 0 порту 379Н). Після цього запускається підпрограма визначення напруги на виходах 1DA2 і 2DA2. Величини напружень записуються в пам'ять, в ЦАП встановлюється таке значення, тригер DD1.1 знову "зводиться", і цикл повторюється до моменту, коли буде натиснуто будь-яка клавіша.

На елементах VT1, R5, R6, VD1, СЗ, С6 реалізований вузол визначення наявності синхронізації. Коли компаратор DA1 періодично спрацьовує, на контакті 10 роз'єму ХР1 (біт 1 порту 379Н) присутня лог. 1, і після "взведення" тригера DD1.1 програма чекає спрацьовування компаратора DA2. В іншому випадку цей тригер запускається з програми шляхом послідовної установки сигналів "Reset" і "Set" (біти 4, 7 порту 37А = "10/01", контакти 1, 17 принтерного роз'єму = "01/10").

На виході ЦАП програмно встановлюються значення від 0 до 255, відповідно затримка від моменту синхронізації до моменту відкриття ключів змінюється від мінімального значення до максимального, і формується зображення сигналу. Період розгортки Т (у секундах на поділ) визначається за формулою Т = CU/2I, де С – ємність підключеного конденсатора в Фарадах; U = 4,5 В – максимальна напруга ЦАП; I = 0,001 А – струм колектора транзистора VT2.

При великій ємності времязадающего конденсатора зображення сигналу формується надто повільно. Тому в програмі реалізована процедура визначення його ємності, що перевіряє, скільки разів програма може вважати значення сигналів за час його зарядки. Якщо цей час велика (задана велика тривалість розгортки), після перемикання компаратора DA1 ключі комутатора 1DA2 можуть відкриватися кілька разів. При цьому на виході ЦАП встановлюються проміжні значення, а тригер DD1.1 запускається з програми шляхом послідовної установки сигналів "Reset" і "Set".

Якщо обрана тривалість розгортки більше 5 мс / справ. (Перемикач SA2 в нижньому – за схемою – положенні), затримка після перемикання компаратора DA1 формується програмно. Програма "дізнається" про це по нульовому значенню біта 2 порти 379Н. Тригер DD1.1 запускається з програми шляхом послідовної установки сигналів "Reset" і "Set" через задані проміжки часу. Час розгортки задають з клавіатури клавішами "0" – "9".

Зсув променя по вертикалі змінюють змінними резисторами 1R13 і 2R13, тривалість розгортки (плавно) – резистором R28.

Програма написана на мові Turbo Pascal. У ній реалізовано швидке перетворення Фур'є (спектроаналізатор). Перетворюється сигнал, зображений на екрані. Для того щоб спектр був показаний правильно, необхідно, щоб на екрані вкладалося ціле число періодів сигналу. Цього можна домогтися, підбираючи тривалість розгортки змінним резистором R8. Підпрограма швидкого перетворення мовою Фортран наведена в [2]. Там же можна знайти пояснення способу визначення спектру сигналу через перетворення Фур'є.

Для живлення приставки необхідне джерело стабілізованих напруг +12, 5, і -6 В. Споживаний струм по ланцюгам +12 і -6 У не перевищує 50, по ланцюгу +5 В – 150 мА. Рівень пульсацій не повинен перевищувати 1 мВ. Можна використовувати блок живлення (адаптер) китайського виробництва на 3 … 12 В, 1А, допрацювавши його, як показано на рис. 2.

Принципова схема блоку живлення
Рис.2. Принципова схема блоку живлення

Приставка змонтована на звичайній макетної платі. При повторенні слід врахувати, що пристрій чутливо до зовнішніх і внутрішніх наведеннях. Наприклад, проникання вхідного сигналу під времязадающую ланцюг може викликати спотворення форми спостереження сигналу. Тому монтаж необхідно виконати таким чином, щоб зв'язок цих ланцюгів приставки між собою і проникання в них зовнішніх сигналів були мінімальними. Конденсатори С4, С5 слід припаяти безпосередньо до висновків компаратора DA1, елементи 1DA1, 1С10, 2С10, 1DA2, 2DA2 розташувати поруч. Резистори 1R1-1R8, 2R1-2R8, конденсатори 1С1-1С9, 2С1-2С9, С7-С21 доцільно змонтувати на відповідних перемикачах.

У приставці можна застосувати наступні деталі. Резистори R12-R19, R21-R28 – з допускається відхилення від номіналу не більше ± 0,25%, наприклад, С2-29. Номінал резисторів R12-R19, R28 – 1 … 10 кОм, R21-R27 – 0,5 … 5 кОм, причому опір друге повинно бути точно в два рази менше, ніж перших (цього можна добитися паралельним з'єднанням резисторів з номіналом перших). Решта резистори – Будь-якого типу з допускаються відхиленням ± 5%. Як времязадающіх (С7-С21, 1С1-1С8, 2С1-2С8) бажано використовувати конденсатори з можливо меншим відхиленням від номінальних значень і малим ТКЕ.

Транзистори 1VT1, 2VT1 – високочастотні польові з напругою відсічення не менше 5 В (КПЗОЗГ-КПЗОЗЕ, КП307Ж і т. п.), 1VT2, 2VT2 – високочастотні структури npn зі статичним коефіцієнтом передачі струму п21Е не менше 50 (КТ316Д, КТ325Б, КТ325В), VT1, VT2 – будь-які відповідної структури з п21е не менше 400, VT3 – з імпульсним струмом колектора не менше 300 мА та робочою частотою не менше 200 МГц (КТ3117А, 2N2222).

Вхідні струми ОУ 1DA2 і 2DA2 повинні бути не більше 0,1 нА, швидкість наростання вихідної напруги – не менше 20 В / мкс (КР544УД2А, LF356). Компаратори 1DA3, 2DA3, DA2 – з коефіцієнтом посилення напруги не менше 10 5 , Вхідними струмами не більше 0,5 мкА і часом перемикання не більше 0,5 мкс (КР554САЗ, LM211N, К521САЗ), DA1 – з часом перемикання не більш 15нс (КР597СА2, АМ686).

В якості мікросхеми DD1 можна застосувати КР1594ТМ2 (74ACT74N), КР1533ТМ2 (74ALS74AN), DD2, DD3-КР1594ЛН1 (74ACT04N), КР1554ЛН1 (74AC04N), КР1564ЛН1 (74HC04N). При використанні КР1594ТМ2 смуга частот – 0 … 50 МГц (у цьому випадку конденсатор С22 не встановлюють, a R11 замінюють резистором опором 4,7 кОм), КР1533ТМ2 – 0 … 15 МГц. Застосування мікросхеми КР1564ЛН1 вимагає зміни номіналів резисторів R12 – R19, R28 і R21 – R27: опір перших повинно бути не менше 5 кОм, друге – не менше 2,5 кОм (при збереженні відносин 2R / R).

Опір відкритого каналу МОП ключів 1DA1 повинно бути не більше 100 Ом, час включення / вимикання – не більше 10 не (КР590КН8, SD5002).

Налагодження приставки починають з перевірки режимів вхідних повторювачів. Якщо напруги на емітера 1VT1, 2VT1 виходять за межі 1,5 … 2,5 В, підбирають резистори 1R9 або 2R9. Потім, використовуючи джерело сигналу з каліброваної частотою, підбором конденсаторів С7-С21 і резистора R9 встановлюють необхідні значення частоти розгортки на високочастотних діапазонах (на низькочастотних вона встановлюється програмно).

При роботі з приставкою слід враховувати особливості стробоскопічного ефекту, що виражаються, наприклад, в значній спотворенні форми сигналу з амплітудною модуляцією, якщо частота модулюючого коливання близька до частоти вибірки. Крім того, компаратор DA2 вносить затримку близько 300 НC, це може створити труднощі при спостереженні фронтів сигналів з великою шпаруватістю. Найбільшу користь приставка може принести при використанні в режимі реального часу – як запам'ятовуючий осцилограф, а також при тривалості розгортки менше 1 мкс / справ. – Як альтернатива дорогим високочастотним приладів.

Завантажити: [ Програму ]

Джерела

  1. Гук М. Інтерфейси ПК: довідник. -СПб.: Пітер Ком, 1999.
  2. Гоноровський І. С. Радіотехнічні ланцюги і сигнали: підручник для вузів. – М.: Радіо і зв'язок, 1986.

Автор: А. Хабаров, г.Ковров