-
Автор текста: OldFashionedEngineer
-
Оригинальный материал содержит больше интересных фотографий и комментариев
Осциллограф – один из самых желанных приборов на столе радиолюбителя. Это устройство открывает большие возможности для отладки и ремонта различных электронных устройств. Но зачастую начинающие электронщики не до конца понимают, как это работает.
В этой статье мы предлагаем вместе разобраться, по какому принципу работает осциллограф. Для этого я буду использовать дискретные компоненты в моем любимом симуляторе ISIS Proteus, чтобы смоделировать схему простого осциллографа со светодиодным матричным дисплеем.
❯ Введение
При отладке электронных схем может возникнуть необходимость понять, как меняется форма (амплитуда и частота) сигнала при прохождении через электрическую цепь, поэтому полезно использовать осциллограф. Фактически, вы можете увидеть электрические сигналы своими глазами.
Большинство современных осциллографов являются цифровыми и на самом деле представляют собой специальные планшеты с усовершенствованными звуковыми картами, которые могут оцифровывать входные сигналы далеко за пределами слышимого диапазона. Он хранит информацию о сигнале в памяти и выполняет необходимые математические операции для построения графика сигнала на дисплее. Это позволяет реализовать множество автоматических функций, таких как измерение частоты, определение амплитуды и даже преобразование Фурье. С помощью таких устройств можно уловить и расшифровать даже одно цифровое сообщение.
Однако в эпоху аналоговой электроники прошлого века использовались осциллографы на основе световых трубок. Хоть они и не имели памяти вообще, использовались весьма успешно, главным образом потому, что в схемах преобладали аналоговые сигналы. Форма такого сигнала не сильно меняется за достаточно большое количество периодов повторения. Горизонтальное отклонение луча на трубке осциллографа синхронизировалось с частотой исследуемого сигнала, а вертикальное отклонение луча было пропорционально амплитуде измеряемого сигнала. На фоне маркировки экрана люминофорный «отпечаток пальца» образует график, называемый осциллограммой.
Схема, описанная в этой статье, имеет аналогичный принцип работы, за исключением того, что вместо электронно-лучевой трубки используется динамическая светодиодная матрица.
В Интернете о таких планах почти забыли, и удивительно, что в наше время еще есть энтузиасты, собирающие подобные устройства. Кажется, я был единственным, кто «обратился»…
На фото вы можете увидеть осциллограф со светодиодной матрицей. Дизайн придумал коллега из Бразилии Артур Зулиани, чтобы научить студентов навыкам сборки беспроводной электроники.
Подобные схемы осциллографов можно найти в старых журналах, а некоторые относительно недавние проекты мне удалось найти на YouTube. Одно из этих видео было загружено около пяти лет назад, но когда его смотришь, такое ощущение, что оно было снято очень давно.
Что ж, пришло время понять, как это работает. Давайте двигаться дальше!
❯ Структурная схема
Блок-схема осциллографа со светодиодной матрицей показана на следующем рисунке. В целом это очень похоже на схему осциллографа с электронно-лучевой трубкой.
Предположим, что светодиодная матрица в схеме имеет разрешение 10 х 10 пикселей. Этого достаточно, чтобы условно отличить синусоидальные волны от прямоугольных импульсов и пилообразных волн. На фото примерно показано, как это будет выглядеть. Красный оттенок указывает на яркость светодиода, но он неравномерен из-за динамического сканирования.
В отличие от люминесцентных масок электронно-лучевых трубок, светодиодные матрицы могут отображать изображение только в виде дискретных точек, а могут отображать очень большие точки. Исходя из этой особенности, нашу схему нельзя считать полноценным осциллографом и на ней не видно никаких подробностей и подробностей. Однако оценить форму сигнала вполне возможно. Поэтому данное устройство скорее следует называть щупом осциллографа.
❯ Канал вертикального отклонения
Для зажигания светодиодов в столбцах матрицы необходимо сформировать дискретный управляющий сигнал, для этого в схеме осциллографа используется аналоговый детектор уровня сигнала. Эта схема делит максимальный диапазон входного сигнала на уровни в зависимости от количества светодиодов в колонке. Кроме того, каждый светодиод должен светиться, пока входной сигнал находится в этом диапазоне. Технически это можно реализовать отдельным компаратором или специальной микросхемой индикатора уровня LM3914.
В чипе уже имеется 12 компараторов с драйверами светодиодов и источник опорного напряжения для каждого драйвера. Мы видим, что входной сигнал можно разделить на 10 уровней и матрица может содержать по 10 светодиодов в каждом столбце.
❯ Аттенюатор и предварительный усилитель
Мы используем предусилитель и аттенюатор, чтобы наша схема масштабировала амплитуду сигнала по вертикали на светодиодной матрице и измеряла значение амплитуды в ячейке. Именно они обеспечивают связь между ячейками и напряжением на экране осциллографа, а это означает, что вы сможете получать драгоценные вольты на каждом такте.
Поскольку мы не претендуем на звание «Измерительного прибора года», мы ограничиваем регулировку вертикальной развертки двумя пределами: 1 В на деление и 100 мВ на деление.
Для начала нам необходимо определить напряжение питания всей схемы. Предположим батарея «Крона» напряжением 9 В.
Теперь помните, что измеренный сигнал может иметь не только положительную амплитуду. Амплитуда сигнала может увеличиваться при отрицательной полярности. Следовательно, входной сигнал правильно подключен к «центру» источника питания схемы.
Для удобства проектирования схемы добавьте дополнительные резисторы в цепь опорного напряжения LM3914 относительно положительного и отрицательного потенциалов питания так, чтобы опорное напряжение находилось в пределах 5 В относительно центра источника питания. Диапазон переключения светодиода составляет 0,5 В.
Чтобы получить вертикальное сканирование с разрешением 1 В/дел, коэффициент аттенюатора должен быть 1:2. Для развертки 100 мВ/деление входной сигнал после аттенюатора должен быть усилен в 10 раз. Поэтому добавьте в схему делитель напряжения и усилитель с переключаемым коэффициентом усиления. Также помните, что входной сигнал должен усиливаться относительно центра источника питания.
Получается, что аттенюатор резисторов R1, R2 делит измеряемый сигнал пополам, и в зависимости от положения кнопки усилитель либо усиливает сигнал в десять раз, либо отправляет его без усиления. В открытом положении кнопки получается значение сканирования «100 мВ/дел», а в закрытом — «1 В/дел».
Этот усилитель основан на операционном усилителе LM358. По параметрам это не лучшая микросхема, но в нашем случае ее достаточно.
Обратите внимание: Что меня бесит как фотографа.
Поскольку опорное напряжение LM3914 уже напряжения питания, не имеет значения, что выходной сигнал LM358 не «достигает» диапазона питания. Микросхема LM3914 предназначена для аудиодиапазона, поэтому низкочастотные характеристики LM358 вас тоже не должны смущать.Клапан A LM358 усиливает измеренный сигнал в 10 раз, когда кнопка открыта, и передает сигнал без усиления, когда кнопка закрыта. Элемент B LM358 образует искусственную среднюю точку, к которой должен быть приложен входной сигнал. Совмещать предусилитель и искусственную среднюю точку в одном корпусе, конечно, неправильно. Затвор Б генерирует шум вдоль общей подложки микросхемы, которым можно пренебречь, из-за низкого разрешения он все равно неразличим на светодиодной матрице.
❯ Горизонтальная развертка
Горизонтальную развертку изображения сигнала на светодиодной матрице обеспечивает счетчик Johnson CD4017. На этом рисунке показан график выходного сигнала переключающего счетчика при подаче импульса на счетный вход.
Выход счетчика подключен к цепочке светодиодных матриц, одна из которых включается по очереди. Если частота этих переключателей достаточно высока, они становятся визуально неразличимы, и на глаз создается впечатление, будто светодиоды во всех столбцах матрицы светятся одновременно.
Примерно посмотреть, как это выглядит, можно на фото. Из-за особенностей виртуальной модели LM3914 время моделирования на компьютере отличается от реального времени в 10 раз.
Выбор серии компакт-дисков здесь не случаен. Данная микросхема имеет широкий диапазон напряжений питания и позволяет напрямую управлять выбором рядов светодиодной матрицы без необходимости использования отдельного стабилизатора напряжения.
Никакого дополнительного усиления на выходе счетчика не требуется. Декодер уровня аналогового сигнала LM3914 настроен так, что на выходе может гореть одновременно только один светодиод и ток светодиода не превышает 20 мА. Следовательно, выход счетчика не будет перегружен током.
Каждый новый период измеряемого сигнала, показанный в этом примере, расположен в той же точке, что и предыдущий период. Это происходит потому, что частота этого сигнала синхронизирована с тактовой частотой схемы строчной развертки. То есть время, в течение которого последовательно переключаются все 10 столбцов матрицы, в точности соответствует длительности периода входного сигнала. Однако на практике добиться такого результата очень сложно. Этому не способствуют точность управления, различные дрейфы в схеме и нестабильность частоты самого измерительного сигнала. Это возможно только с помощью симулятора.
Если частота синхронизации не соответствует частоте измеряемого сигнала, то кадры на экране осциллографа меняются настолько часто, что появляются шумы, из-за которых различение отдельных периодов сигнала становится практически невозможным, либо отображается частота измеряемого сигнала. Сигнал будет «протекать» по экрану, что опять-таки не способствует удобству измерения.
❯ Синхронизация
Схема триггера развертки необходима для стабилизации отображения сигнала на экране осциллографа от постоянного «прыгания». Принцип его работы очень прост. Эта схема контролирует уровень входного сигнала и позволяет формировать горизонтальный сигнал только в том случае, если амплитуда входного сигнала превышает заданный уровень.
Когда входной сигнал превышает порог запуска, схема развертки должна отсчитать 10 тактовых импульсов и остановиться до следующего запуска. Такой подход позволяет стабилизировать изображение, если входной сигнал является периодическим.
Видно, что масштабирование измерительного сигнала по ширине экрана определяется периодом тактовых импульсов счетчика, переключающего ряды светодиодов в матрице. Другими словами, устанавливая период тактового сигнала, вы можете настроить важное «время на деление.
Самый простой способ остановить счетчик Джонсона, когда он достигает максимального значения, — это подключить его высокий выход к входу разрешения тактового сигнала. Такое решение было найдено в нескольких схемах из интернета.
Однако компромиссом ради простоты является потеря одной колонки светодиодной матрицы, которую необходимо отключить от выхода высокой мощности. Если вы этого не сделаете, столбец 10 все равно не будет работать должным образом.
Схема запуска развертки может быть реализована в компараторе LM393. Порог запуска определяется положением подстроечного резистора RV1. Конденсатор С1 действует как детектор фронта и используется для получения короткого положительного импульса и сброса счетчика при переключении компаратора. Это снова запустит сигнал развертки.
У этого плана есть один недостаток. Невозможно отобразить на экране несколько периодов измерительного сигнала. Счетчик может быть сброшен до достижения максимального значения.
Для настоящего осциллографа лучше всего использовать источник строчной развертки с высокой стабильностью частоты. Однако для нашей схемы очень подходит генератор на базе таймера NE555, а лучше использовать вариант CMOP. Таким образом, можно будет получить более высокую частоту развертки. Импульсы, генерируемые таймером, можно использовать для синхронизации декодера CD4017. Изменение периода импульсов можно добиться переключением синхронизирующего конденсатора, номинал которого можно выбирать в зависимости от необходимого значения времени для каждого деления.
параметры таймера выбраны так, чтобы тактовый сигнал составлял 5 кГц. Это позволяет просмотреть один полный период измерительного сигнала с частотой 500 Гц. Его можно будет подключить к выходу ФНЧ аудиоусилителя и оформить по схеме осциллографа.
❯ Заключение
Рассмотренные до сих пор схемы осциллографов со светодиодными матрицами не имеют практической ценности в качестве измерительных приборов. Однако он может подойти в качестве украшения самодельного усилителя звука. Полная схема осциллографа со светодиодной матрицей представлена на рисунке.
Если бы меня не потеряли, я бы хотел встроить его аппаратно.. кто-то это придумал за 30 лет до меня))) А по функционалу и схемотехнике я уже собирал нечто подобное. Надеюсь, вам понравится эта схема так же, как мне понравилось анализировать, как она работает.
______________________________________________________
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.