У радіоаматорського практиці часто необхідно спостерігати за допомогою осцилографа два і більше сигналу, у той час як наявний у розпорядженні осцилограф одноканальний або в кращому випадку двоканальний. У цьому випадку допоможе комутатор входів.

Основні вимоги до комутатора наступні:

досить висока вхідний опір (бажано не менше 100 кОм);

можливість регулювання рівня сигналу по кожному каналу окремо;

можливість зміщення зображення сигналів по висоті як для їх розносу, так і для накладення один на одного;

регулювання по можливості повинні мінімально впливати одна на одну.

В основному використовують наступні способи перемикання каналів:

1. Частоту перемикання каналів fп вибирають нижче або рівний найменшою частоті спектру досліджуваних сигналів Fс, але не нижче 50 … 100 Гц, щоб уникнути помітного мерехтіння. Синхронізацію розгортки при цьому здійснюють напругою одного з досліджуваних сигналів. Такий спосіб дозволяє досліджувати досить високочастотні сигнали (десятки і навіть сотні мегагерц).

2. Частоту перемикання каналів вибирають в межах fп (10 … 50) fc, причому верхня частота обмежується часом перемикання. Цей спосіб застосовується для дослідження низькочастотних сигналів. Частота перемикання при цьому рідко перевищує 100 кГц.

У першому випадку в якості керуючого сигналу зручно використовувати Пікоподібне напруга розгортки самого осцилографа (наростаюча або спадає пила), при цьому перемикання каналів комутатора відбувається в момент зворотного ходу променя. У якості пристроїв управління двома коммутірующімі елементами можна використовувати синхронізований мультівібратор на транзисторах або звичайний D-тригер. У разі, якщо каналів більше двох, використовують лічильники з дешифратора, наприклад, К561ІЕ8, К561ІЕ9, К155ІД3 та ін У другому випадку в якості керуючого сигналу використовують імпульсний сигнал генератора або мультівібратор.

В якості електронних ключів широко застосовуються діоди, транзистори (як біполярні, так і польові), а також готові комутатори напруги в мікросхемном виконанні. При цьому електронні ключі можуть включатися у трактах як послідовно, так і паралельно. При послідовному включенні на електронних транзисторних ключах відбувається нікчемне падіння напруги, тому ослаблення досліджуваних сигналів практично не відбувається. При паралельному включенні неминучі втрати досліджуваних сигналів на вхідних і підсумовують резистора, а в діодних комутаторах ще й на ланцюгах управління.

Діодні комутатори

Позитивні діодних перемикачів наступні:

  • простота;
  • малий струм в розімкнутого стані;
  • хороші динамічні характеристики.

Недоліком діодних комутаторів є неможливість електрично розділити керуючі та керовані ланцюга, що часто потрібно на практиці.

Рис.1. Спрощений варіант двоканального діодного комутатора
  Рис.1. Спрощений варіант двоканального діодного комутатора

Спрощений варіант двоканального діодного комутатора показаний на мал.1. Як комутуючих діодів можна використовувати будь-які малопотужні високочастотні діоди, наприклад Д311, КД503А (Б), КД510А, КД521, КД522 та інші, а також pin-діоди. Чим вище частота комутації, тим менше повинні бути номінали резисторів R1, R2 і резисторів в колах керування. Управляюче напруга повинна бути двухполярной. Джерелом такої напруги може бути симетричний мультівібратор, генератор, виконаний на логічних МОПелементах з D-тригером на виході, або Dтріггер, керований сигналом розгортки осцилографа. Можливий варіант комбінованої схеми управління буде розглянуто в кінці статті.

До недоліків даного комутатора можна віднести деяку взаємну залежність регулювань, так як опору регуляторів зміщення R3, R8 входять до подільники, утворені вихідними опорами атенюаторів, елементами зміщення і навантаженням.

Рис.2. Простий двоканальний діодний комутатор з фіксованим зсувом між сигналами
  Рис.2. Простий двоканальний діодний комутатор з фіксованим зсувом між сигналами

На мал.2 показано простий двоканальний діодний комутатор з фіксованим зсувом між сигналами, які визначаються базоеміттерним зміщенням буферних транзисторів VT1, VT2 (близько 1,2 В) і падінням напруги на базових резистора R3, R4. З одного боку, відсутність регулювань зміщення не дозволяє здійснювати накладення осцілограм сигналів один на одного, а з іншого – виключає вплив цих регулювань на рівні сигналів і спрощує конструкцію комутатора в цілому. Управління ключами аналогічно попередньому випадку. Як транзисторів можна використовувати будь-які малопотужні транзистори. Чим більше високочастотні сигнали повинні досліджуватися, тим більше високочастотні повинні бути транзистори і діоди.

Транзисторні комутатори

На відміну від діодних комутаторів транзисторні комутатори дозволяють розділити керуючі та керовані ланцюга. Час перемикання ключів на біполярних транзисторах визначається бар'єрними ємностями pn-переходів і процесами накопичення та розсмоктування неосновних носіїв заряду в базі. Для підвищення швидкодії і вхідного опору застосовують ключі на польових транзисторах. Транзистори використовуються у двох режимах: у режимі насичення й у режимі відсічки. У режимі насичення біполярний транзистор являє собою короткозамкнений перемикач з падінням напруги на переході коллектореміттер НЕ більше 10 … 25 мВ в нормальному включенні і не більше 1 … 3 мВ в інверсної. Для зменшення вносяться ключами шумів слід використовувати малошумні транзистори, а також керувати ними від джерел з низькими вихідними опорами.

Рис.3. Найпростіший варіант двоканального транзисторного комутатора з паралельним включенням ключів та фіксованим зсувом між сигналами
  Рис.3. Найпростіший варіант двоканального транзисторного комутатора з паралельним включенням ключів та фіксованим зсувом між сигналами

Найпростіший варіант двоканального транзисторного комутатора з паралельним включенням ключів та фіксованим зсувом між сигналами показаний на рис.3. Для управління ключами, як і в попередніх випадках, необхідний двухполярный імпульсний сигнал від ТТЛ-логіки з харчуванням +3 В і 2 В. Управління може бути і від ТТЛ-логіки з однополярним живленням. У цьому випадку між базами транзисторів VT1, VT2 і мінусовим джерелом харчування необхідно включити резистор 3,9 кОм. Схема зміщення зібрана на резистора R9, R10, а рис.5 також на генераторах струму, виконаних на транзисторах VT3, VT4. Токозадающій резистор R12 визначає максимальну зсув між сигналами. Резистор R13 дозволяє регулювати відстань між зображеннями сигналів аж до їх накладення один на одного. Використання генераторів струму звело до мінімуму вплив регулювання зміщення на коефіцієнт передачі сигналів, що дорівнює приблизно 0,5.

Рис.4. Двоканальний комутатор з послідовним включенням ключів
  Рис.4. Двоканальний комутатор з послідовним включенням ключів

Можливий варіант двоканального комутатора з послідовним включенням ключів показаний на рис.4. В якості перемикачів застосовані компенсовані транзисторні ключі (переривники) на біполярних транзисторах. Завдяки гальванічної розв'язки сигналів управління базові керуючі струми не протікають через сигнальні ланцюга. Резистор R11 є навантажувальних і служить для забезпечення чіткої роботи ключів. Комутуючі трансформатор виконаний на кільці М2000НМ К10х6х4. При частоті комутації 100 кГц і управлінні від ТТЛ-логіки всі три обмотки намотують одночасно (містять по 50 витків дроту ПЕВ-2 0,12). Як трансформатора можна використовувати і готові імпульсні трансформатори типу МІТ. До недоліків даного комутатора слід віднести деякий вплив регулювань зміщення на коефіцієнти передачі каналів.

Мал.5. Простий 6-канальний комутатор
  Мал.5. Простий 6-канальний комутатор

Часто, навіть маючи двухлучевой осцилограф, виникає необхідність одночасного спостереження декількох сигналів. Можливий варіант простого 6-канального комутатора (кількість каналів може бути збільшено до необхідного) показаний на рис.5. При управлінні від сигналу розгортки комутатор дозволяє досліджувати сигнали частотою від 200 … 300 Гц до сотень кілогерц. Якщо необхідно підвищити робочу частоту комутатора до 1 МГц і вище, слід зменшити номінали резисторів R2-R7, R8-R13 і R22 приблизно на порядок.

В якості електронних ключів застосовані польові транзистори типу КП103Л (Г, М, Д). Можна також використовувати транзисторні збирання типу 504НТ3 (4) Б. Для формування керуючих сигналів з сигналу розгортки осцилографа застосована мікросхема К561ІЕ8. Вихідний сигнал розгортки осцилографа може бути у вигляді наростаючої або спадаючої пили. На схемі показана диференціюються ланцюжок для спадаючої пили, яка має крутий передній фронт. У разі, якщо у вашому осцилографі наростаюча пила, необхідно використовувати інверсний вхід лічильника (висновок 13), підключивши резистор R1 і висновок 14 до шині живлення.

Сигнали всіх каналів підсумовуються суматором на операційному підсилювачі DA1. Для отримання відкривають сигналів у вигляді лог. "0" в даний момент тільки для одного каналу застосована мікросхема DD2 типу К561ЛН2. Зсув між сигналами фіксоване (близько 0,8 … 1 В на виході), забезпечується подачею напруги за допомогою резисторів R14-R19 на прямий вхід ОП. Для отримання негативного зміщення використана негативна підставка на діодах VD9, VD10. Діоди VD3-VD8 зменшують взаємний вплив ланцюгів зсуву. В якості операційного підсилювача застосований швидкодіючий підсилювач типу К544УД2. Напруга живлення цифрових мікросхем +10 В, а операційного підсилювача може бути в межах 6 … 15 В.

Рис.6. Варіант двоканального комутатора з комбінованим керуванням
  Рис.6. Варіант двоканального комутатора з комбінованим керуванням

Варіант двоканального комутатора з комбінованим керуванням (від вбудованого генератора і від сигналу розгортки осцилографа) показаний на рис.6. Запросах генератор виконаний на елементах DD1.1, DD1.2 мікросхеми типу К561ЛА7. Частота генерації близько 200 кГц. З виходу генератора сигнал надходить на Dтріггер, виконаний на одній половині мікросхеми К561ТМ2. З виходу тригера парафазние сигнали надходять на управління електронними ключами на мікросхемі К561КТ3. Для зведення до мінімуму взаємного впливу регулювань зміщення, пов'язаного з перезарядив розділових конденсаторів С4, С5, застосовані буферні емітерний повторювачі на VT2, VT4. Для мінімізації спотворень, що вносяться повторювачами, як їх навантаження використані відбивачі струму на транзисторах VT3, VT5. Діоди VD2-VD5 служать для захисту входів електронного комутатора від перенапруги. Харчування мікросхем двухполярной 5 … 7,5 В.

Формувач сигналу, що управляє
  Рис.7. Формувач сигналу, що управляє

У деяких осцилографах, наприклад С165, сигнал розгортки має форму спадаючої пили на позитивній підставці. Амплітуди фронту цього сигналу недостатньо для перемикання лічильника (D-тригера) через диференціюються ланцюжок. У цьому випадку формувач керуючого сигналу необхідно виконати за схемою рис.7. Вхідний дільник R2R3 необхідний для створення початкового запірного напруги для транзистора VT2.

Конструкція та деталі

Рис.8. Креслення друкованої плати комутатора
  Рис.8. Креслення друкованої плати комутатора

Рис.9. Складальне креслення
  Рис.9. Складальне креслення

Креслення друкованої плати комутатора (рис.6) розмірами 100х70 мм з провідниками на просвіт показаний на рис.8, складальний креслення – на рис.9. Всі постійні резистори типу С2-230, 125 Вт, змінні – Типу СП3-33-32П. Перемикач S1 типу ПКН-61Н2-1-1-4. Транзистор VT1 типу КТ3107Б, транзистори VT2-VT6 типу КТ315Б. Для кріплення змінних резисторів на платі використаний невеликий куточок. Конденсатори С6, С7 типу К50-35 на напругу 16 В.

А.А. Петров, м. Могилів
Радіоаматор 2005 № 07