Автор текста: OldFashionedEngineer
Оригинальный материал содержит больше интересных фотографий и комментариев
Осциллограф – это, без преувеличения, один из самых важных и желанных приборов для любого радиолюбителя. Он открывает огромные возможности для диагностики, отладки и ремонта электронных устройств, позволяя буквально увидеть электрические сигналы. Однако для новичков принцип его работы часто остается загадкой.
В этой статье мы детально разберем, как работает осциллограф, собрав его виртуальную модель из дискретных компонентов в симуляторе ISIS Proteus. Нашей целью будет создание простейшего осциллографа с отображением сигнала на светодиодной матрице.
❯ Введение в принцип работы
При работе с электронными схемами часто возникает необходимость проанализировать, как меняется форма сигнала – его амплитуда и частота. Именно для этого и нужен осциллограф. По сути, это устройство дает возможность визуализировать невидимые глазу электрические процессы.
Современные осциллографы – это цифровые устройства, напоминающие специализированные планшеты с высокоскоростными аналого-цифровыми преобразователями. Они оцифровывают сигнал, сохраняют его в памяти и с помощью процессора строят график на дисплее. Такая архитектура позволяет реализовать множество автоматических функций: измерение параметров, математический анализ и даже декодирование цифровых протоколов.
Однако в аналоговую эпоху повсеместно использовались осциллографы на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ). Несмотря на отсутствие памяти, они были чрезвычайно эффективны для работы с аналоговыми сигналами, форма которых оставалась стабильной. Луч на экране ЭЛТ отклонялся по горизонтали синхронно с исследуемым сигналом, а по вертикали – пропорционально его амплитуде. В результате на люминофорном покрытии оставался светящийся след – осциллограмма.
Схема, которую мы будем разбирать, работает по схожему принципу, но вместо громоздкой ЭЛТ в ней используется компактная светодиодная матрица.
Подобные проекты сегодня почти забыты, что делает энтузиастов, которые их собирают, настоящими хранителями знаний. Интересно, что автор статьи оказался одним из немногих, кто глубоко погрузился в эту тему…
На фотографии представлен реальный осциллограф на светодиодной матрице. Это разработка бразильского коллеги Артура Зулиани, созданная для обучения студентов основам схемотехники.
Схемы таких осциллографов можно отыскать в старых журналах или в относительно свежих, но сделанных в ретро-стиле, видео на YouTube.
Итак, давайте перейдем к сути и поймем, как же это все работает!
❯ Общая архитектура устройства
Структурная схема нашего светодиодного осциллографа во многом повторяет классическую схему прибора на ЭЛТ.
Предположим, что наша светодиодная матрица имеет разрешение 10x10 пикселей. Этого достаточно, чтобы грубо, но наглядно отличить, например, синусоиду от меандра (прямоугольных импульсов) или пилообразного сигнала. На иллюстрации показан пример такого отображения. Красный цвет условно обозначает свечение светодиода, а неравномерность яркости вызвана особенностью динамической развертки.
В отличие от плавного луча ЭЛТ, светодиодная матрица может отображать сигнал только дискретными точками. Это накладывает ограничения на детализацию. Поэтому данное устройство правильнее называть не полноценным осциллографом, а скорее осциллографическим пробником или индикатором формы сигнала.
❯ Формирование вертикального отклонения
Чтобы зажечь нужные светодиоды в столбце матрицы, необходимо преобразовать аналоговый уровень сигнала в дискретный код. Для этого в схеме используется детектор уровня. Его задача – разделить весь диапазон входного напряжения на несколько равных интервалов, количество которых соответствует числу светодиодов в столбце (в нашем случае – 10). Каждый светодиод должен гореть, пока сигнал находится в пределах своего диапазона. Технически это реализуется с помощью набора компараторов, например, входящих в состав специализированной микросхемы LM3914.
Микросхема LM3914 содержит 10 компараторов со встроенными драйверами для светодиодов и источник опорного напряжения. Это позволяет легко разделить входной сигнал на 10 уровней и управлять соответствующим количеством светодиодов в каждом столбце матрицы.
❯ Масштабирование сигнала: аттенюатор и усилитель
Чтобы соотнести амплитуду реального сигнала с высотой светодиодного столбца, необходимы аттенюатор (ослабитель) и предварительный усилитель. Они позволяют настроить масштаб отображения по вертикали, то есть определить, сколько вольт будет соответствовать одному делению (одному светодиоду) на экране.
Поскольку мы создаем учебный макет, ограничимся двумя диапазонами: 1 В на деление и 100 мВ на деление.
В качестве источника питания выберем распространенную батарею «Крона» на 9 В. Важный нюанс: измеряемый сигнал может иметь как положительную, так и отрицательную полярность относительно общего провода. Поэтому вход схемы нужно сместить на «виртуальную землю», расположенную посередине между полюсами питания. Для LM3914 опорное напряжение также настраивается относительно этой средней точки, устанавливая шаг переключения светодиодов, например, в 0.5 В.
Для получения шкалы 1 В/дел. коэффициент ослабления аттенюатора должен быть 1:2. Для шкалы 100 мВ/дел. ослабленный сигнал нужно, наоборот, усилить в 10 раз. Поэтому в схему добавляется переключаемый делитель напряжения и неинвертирующий усилитель на операционном усилителе (ОУ). Важно, чтобы усиление также происходило относительно средней точки питания.
Резисторы R1 и R2 образуют делитель, ослабляющий сигнал в 2 раза. Далее сигнал поступает на ОУ LM358. В зависимости от положения переключателя, схема либо просто передает сигнал (коэффициент усиления 1, режим 1 В/дел.), либо усиливает его в 10 раз (режим 100 мВ/дел.).
LM358 – не самый современный ОУ, но для наших задач его параметров достаточно. Поскольку опорное напряжение LM3914 не привязано к шинам питания, не критично, что выходное напряжение LM358 не достигает этих шин. Низкочастотные характеристики LM358 также нас устраивают, так как LM3914 изначально рассчитана на аудиодиапазон.
Один канал LM358 (A) работает как переключаемый усилитель, а второй (B) формирует искусственную среднюю точку (виртуальную землю). Конечно, совмещать эти функции в одном корпусе не совсем корректно с точки зрения помех, но для нашего простого устройства этим можно пренебречь.
❯ Организация горизонтальной развертки
За последовательное включение столбцов светодиодной матрицы отвечает горизонтальная развертка. Её сердцем является счетчик Джонсона на микросхеме CD4017. На диаграмме показано, как по тактовым импульсам высокий уровень последовательно появляется на его выходах.
Выходы счетчика поочередно подключают к питанию строки матрицы. Если частота переключения достаточно высока (более 50 Гц), благодаря инерции зрения создается эффект, будто все столбцы светятся одновременно.
На фото показан пример работы развертки в симуляторе. Из-за особенностей моделирования виртуальной LM3914, время в Proteus может отличаться от реального.
Выбор CD4017 не случаен: эта микросхема работает в широком диапазоне напряжений и может напрямую управлять светодиодами матрицы без дополнительных драйверов. Ток через каждый светодиод ограничен схемой LM3914 и не превышает 20 мА, что безопасно для выходов счетчика.
В идеале, чтобы изображение «застыло» на экране, период тактовых импульсов развертки должен быть строго кратен периоду исследуемого сигнала. Тогда каждый новый период будет отображаться поверх предыдущего. Однако на практике из-за нестабильностей и неточностей добиться этого сложно. В симуляторе такая идеальная синхронизация возможна.
Если частоты не синхронизированы, изображение на экране будет «плыть» по горизонтали или дрожать, что сильно затрудняет наблюдение за формой сигнала.
❯ Система синхронизации для стабильного изображения
Чтобы стабилизировать «плывущее» изображение, в осциллографах используется схема синхронизации (триггер). Её принцип прост: она отслеживает уровень входного сигнала и запускает генератор развертки только в тот момент, когда сигнал превышает заданный порог и имеет определенный наклон (фронт).
После запуска генератор должен сформировать ровно 10 тактовых импульсов (для 10 столбцов), после чего остановиться и ждать следующего запускающего события. Это позволяет «привязать» начало развертки к одной и той же точке сигнала, стабилизируя картинку для периодических процессов.
Масштаб по горизонтали (секунды на деление) задается периодом тактовых импульсов генератора развертки.
Простейший способ остановить счетчик CD4017 после полного цикла – подать сигнал с его последнего (десятого) выхода на вход разрешения тактирования. Такое решение встречается в некоторых найденных схемах.
Однако плата за простоту – потеря одного столбца матрицы (десятого), который приходится отключать, иначе он будет работать некорректно.
Схему запуска можно реализовать на компараторе, например, LM393. Порог срабатывания задается подстроечным резистором RV1. Конденсатор C1 формирует короткий импульс сброса для счетчика в момент переключения компаратора, что инициирует новый цикл развертки.
У этого подхода есть недостаток: невозможно отобразить на экране несколько периодов сигнала, если счетчик сбрасывается досрочно.
В качественном осциллографе используется высокостабильный генератор развертки. В нашем же случае отлично подойдет генератор на базе таймера NE555 (лучше в CMOS-исполнении для более высокой частоты). Переключая времязадающие конденсаторы, можно менять масштаб развертки («время/дел.»).
Параметры таймера можно подобрать так, чтобы тактовая частота составляла, например, 5 кГц. Это позволит наблюдать один полный период сигнала частотой 500 Гц. Такой осциллограф можно подключить к выходу низкочастотного фильтра аудиоусилителя для визуализации звуковых сигналов.
❯ Заключение и итоговая схема
Рассмотренный проект осциллографа на светодиодной матрице, конечно, не претендует на звание точного измерительного прибора. Однако он обладает большой образовательной ценностью и может стать эффектным дополнением, например, в самодельном аудиоусилителе. Полная принципиальная схема устройства представлена на рисунке ниже.
Автор отмечает, что идея не нова – подобные схемы собирали еще 30 лет назад. Тем не менее, разбор принципов их работы остается увлекательным занятием. Надеюсь, этот анализ был для вас таким же интересным, как и для меня.
______________________________________________________
Также подписывайтесь на наш блог и Telegram-канал.
[mine]Электроника Технологии Электрический осциллограф Time Веб-гаджет Длинный пост Видео YouTubeGif 6Больше интересных статей здесь: Гаджеты.
Источник статьи: Осциллограф из рассыпухи на светодиодной матрице. Разбор схемы в Proteus.