ВХОДНЫЕ УЗЛЫ ОСЦИЛЛОГРАФОВ – 3. УСИЛИТЕЛЬ

Осциллограф

Радиоэлектроника для начинающих

Если спросить профессионального регулировщика электронной аппаратуры или радиоинженера: “Какой самый главный прибор на вашем рабочем месте?” Ответ будет однозначным: “Конечно, осциллограф!”. И это действительно так.

Конечно, невозможно обойтись без мультиметра. Измерить напряжение в контрольных точках схемы, замерить сопротивление и ток, «прозвонить» диод или проверить транзистор все это важно и нужно.

Но когда речь заходит о регулировке и настройке любого электронного устройства от простого телевизора до многоканального передатчика орбитальной станции, то без осциллографа обойтись невозможно.

Осциллограф предназначен для визуального наблюдения и контроля периодических сигналов любой формы: синусоидальной, прямоугольной и треугольной. Благодаря широкому диапазону развёртки он позволяет так развернуть импульс, что можно контролировать даже наносекундные интервалы. Например, измерить время нарастания импульса, а в цифровой аппаратуре это очень важный параметр.

Осциллограф – это своего рода телевизор, который показывает электрические сигналы.

Как работает осциллограф?

Чтобы понять, как работает осциллограф, рассмотрим блок-схему усреднённого прибора. Практически все осциллографы устроены именно так.

На схеме не показаны только два блока питания: высоковольтный источник, который используется для вырабатывания высокого напряжения поступающего на ЭЛТ (электронно-лучевая трубка) и низковольтный, обеспечивающий работу всех узлов прибора. И отсутствует встроенный калибратор, который служит для настройки осциллографа и подготовки его к работе.

Исследуемый сигнал подаётся на вход “Y” канала вертикального отклонения и попадает на аттенюатор, который представляет собой многопозиционный переключатель, регулирующий чувствительность. Его шкала отградуирована в V/см или V/дел.

Имеется в виду одно деление координатной сетки нанесённой на экран ЭЛТ. Там же нанесены сами величины: 0,1 В,10 В, 100 В. Если амплитуда исследуемого сигнала неизвестна, мы устанавливаем минимальную чувствительность, например 100 вольт на деление.

Тогда даже сигнал амплитудой 300 вольт не выведет прибор из строя.

Кроме того при работе с короткими импульсами они компенсируют ёмкость коаксиального кабеля. Вот так выглядит внешний делитель от осциллографа С1-94. Как видим, коэффициент деления его составляет 1 : 10.

Благодаря внешнему делителю удаётся расширить возможности прибора, так как при его использовании становится возможным исследование электрических сигналов с амплитудой в сотни вольт.

С выхода входного делителя сигнал поступает на предварительный усилитель. Здесь он разветвляется и поступает на линию задержки и на переключатель синхронизации.

Линия задержки предназначена для компенсации времени срабатывания генератора развёртки с поступлением исследуемого сигнала на усилитель вертикального отклонения.

Оконечный усилитель формирует напряжение, подаваемое на пластины “Y” и обеспечивает отклонение луча по вертикали.

Генератор развёртки формирует пилообразное напряжение, которое подаётся на усилитель горизонтального отклонения и на пластины “X” ЭЛТ и обеспечивает горизонтальное отклонение луча. Он имеет переключатель, градуированный как время на деление (“Время/дел”), и шкалу времени развёртки в секундах (s), миллисекундах (ms) и микросекундах (μs).

Устройство синхронизации обеспечивает начало запуска генератора развёртки одновременно с возникновением сигнала в начальной точке экрана. В результате на экране осциллографа мы видим изображение импульса развёрнутое во времени. Переключатель синхронизации имеет следующие положения:

• Синхронизация от исследуемого сигнала.
• Синхронизация от сети.
• Синхронизация от внешнего источника.

Первый вариант наиболее удобный и он используется чаще всего.

Осциллограф С1-94

Кроме сложных и дорогих моделей осциллографов, которые используются при разработке электронной аппаратуры, нашей промышленностью был налажен выпуск малогабаритного осциллографа C1-94 специально для радиолюбителей. Несмотря на невысокую стоимость, он хорошо зарекомендовал себя в работе и обладает всеми функциями дорогого и серьёзного прибора.

В отличие от своих более “навороченных” собратьев, осциллограф С1-94 обладает достаточно небольшими размерами, а также прост в использовании. Рассмотрим его органы управления. Вот лицевая панель осциллографа С1-94.

Справа от экрана сверху вниз.

• Ручка: «Фокус».
• Ручка «Яркость».Этими регуляторами можно настроить фокусировку луча на экране, а также его яркость. В целях продления срока службы ЭЛТ желательно выставлять яркость на минимум, но так, чтобы показания были видны достаточно чётко.
• Кнопка «Сеть». Кнопка включения прибора.
• Кнопка установки времени развёртки. Грубое переключение коэффициентов развёртки. Можно установить миллисекунды (ms) и микросекунды (μs). Напомним, что 1 ms = 1000 μs. Подробнее о сокращённой записи численных величин.
• Кнопка режима «Ждущ-Авт».Это кнопка выбора ждущего и автоматического режима развёртки. При работе в ждущем режиме запуск и синхронизация развёртки производится исследуемым сигналом. При автоматическом режиме запуск развёртки происходит без сигнала. Для исследования сигнала чаще используется ждущий режим запуска развёртки.
• Вот этой кнопкой производится выбор полярности запускающего импульса. Можно выбрать запуск от импульса положительной или отрицательной полярности.
• Кнопка установки синхронизации «Внутр-Внешн».Обычно используется внутренняя синхронизация, так как для использования внешнего синхросигнала нужен отдельный источник этого внешнего сигнала. Понятно, что в условиях домашней мастерской это в подавляющем случае не нужно. Вход внешнего синхросигнала на лицевой панели осциллографа выглядит вот так.
• Кнопка выбора “Открытого” и “Закрытого” входа.Тут всё понятно. Если предполагается исследование сигнала с постоянной составляющей, то выбираем “Переменный и постоянный”. Этот режим называется “Открытым”, так как на канал вертикального отклонения подаётся сигнал, содержащий в своём спектре постоянную составляющую или низкие частоты.При этом, стоит учитывать, что при отображении сигнала на экране он уйдёт вверх, так как к амплитуде переменной составляющей добавиться и уровень постоянной составляющей. В большинстве случаев лучше выбирать “закрытый” вход (~). При этом постоянная составляющая электрического сигнала будет отсечена и не отображается на экране.

Клемма «корпус» служит для заземления корпуса прибора. Это делается в целях безопасности. В условиях домашней мастерской порой нет возможности заземлить корпус прибора. Поэтому приходится работать без заземления. При этом важно помнить, что во включенном состоянии на корпусе осциллографа может быть потенциал напряжения. При касании корпуса может “дёрнуть”. Особенно опасно дотрагиваться одной рукой до корпуса осциллографа, а другой рукой до батарей отопления или других работающих электроприборов. В таком случае опасный потенциал с корпуса пройдёт через ваше тело (“рука” – “рука”) и вы получите электрический удар! Поэтому при работе осциллографа без заземления желательно не дотрагиваться до металлических частей корпуса. Это правило справедливо и для прочих электроприборов с металлическим корпусом.

• По центру лицевой панели переключатель «развёртка» – Время/дел. Именно этот переключатель управляет работой генератора развёртки.
• Чуть ниже располагается переключатель входного делителя (аттенюатора) – V/дел. Как уже говорилось, при исследовании сигнала с неизвестной амплитудой, необходимо выставить максимально возможное значение V/дел. Так для осциллографа С1-94 нужно установить переключатель в положение 5 (5V/дел.). В таком случае одна клетка на координатной сетке экрана будет равна 5-ти вольтам. Если ко входу “Y” осциллографа подключить делитель с коэффициентом деления 1 к 10 (1 : 10), то одна клетка будет равна 50-ти вольтам (5V/дел. * 10 = 50V/дел.).

Также на панели осциллографа имеются:

• Ручка «Перемещение луча по горизонтали».Она служит для корректировки положения луча в горизонтальном направлении. Если покрутить данную ручку, то изображение развёртки будет смешатся либо вправо, либо влево.
• Также есть и ручка «Перемещение луча по вертикали».С помощью её можно отрегулировать положение развёртки на экране по вертикали.Ручки «Перемещение луча по горизонтали» и «Перемещение луча по вертикали» служат исключительно для настройки комфортного отображения осциллограммы сигнала на экране. Они никак не влияют на настройку работы самого осциллографа.
• А вот ручка «Уровень синхронизации» необходима для того, чтобы “остановить” осциллограмму сигнала на экране.Поворотом этой ручки добиваются того, чтобы изображение сигнала “застыло”, а не “убегало”. Иногда, чтобы поймать изображение с помощью ручки “Уровень” приходится изменить время развёртки переключателем Время/дел.
• Входной разъём “Y” , к которому подключается измерительный щуп или внешний делитель выглядит так.Внизу указываются параметры входа, а именно входное сопротивление (1 MΩ) и входная ёмкость (40pF). Чем выше входное сопротивление измерительного прибора, тем лучше. Таким образом при измерении прибор не шунтирует элементы тестируемой схемы и не вносит искажений в измеряемый сигнал. Входная ёмкость прежде всего влияет на возможность исследования высокочастотных сигналов.

В настоящее время, с развитием цифровой техники, стали широко внедряться цифровые осциллографы. По сути это гибрид аналоговой и цифровой техники. Отношение к ним неоднозначное, как к мясорубке с процессором или к кофемолке с дисплеем.

Аналоговая аппаратура всегда была надежной и удобной в работе. Кроме того она легко ремонтировалась. Цифровой осциллограф стоит на порядок дороже и очень сложен в ремонте. Плюсов конечно много.

Если аналоговый сигнал с помощью АЦП (аналогово-цифрового преобразователя) перевести в цифровую форму, то с ним можно делать всё что угодно.

Его можно записать в память и в любой момент вывести на экран для сравнения с другим сигналом, складывать в фазе и противофазе с другими сигналами. Конечно, аналоговая техника это хорошо, но за цифровой электроникой будущее.

» Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

Источник: https://go-radio.ru/oscillograf.html

Входные узлы осциллографов – 3. усилитель

Данный обзор суммирует опыт, приобретенный за значительный срок. Большую часть из приведенной мной информации можно разыскать и без меня, но для этого придется перелопатить очень много, отлавливая крупицы то там, то там.

В обзоре я не ставлю целью широкий охват всех возможных вариантов построения подобных узлов. Рассмотрю построение усилителя для конкретной схемы с сайта bezkz.su как пример построения входного усилителя.

Вы можете использовать и родной усилитель, благо под этот вариант уже есть и плата. Советую вариант №3.

Я же переделал усилитель под свой вариант, в связи с принципиальным недостатком схемы, который впрочем присущ по ряду причин большинству самодельных осциллографов начального уровня. Об этом недостатке писал в статье «Входные узлы самодельных осциллографов»

Итак, выходные параметры усилителя для ОСЦ Электрик измерил непосредственно на самом осциллографе. Они определяются входными параметрами применного в осциллографе АЦП. В нашем случае это AD9280. Для любительской схемы вполне достойный вариант.

Изменения напряжения на выходе осциллографа определил смещая линию развертки до нижней и верхней кромки дисплея. Итого практически от 0 до 5 вольт. Не забываем, что в электрике повышенное напряжение питания в связи с разгоном. У меня 5,4 вольта.

Принял максимальную чувствительность для себя 50 мв/дел. Делители на 1, на 10 и на 100. Дополнительный делитель придется делать между половинками ОУ. Принял х1, х2, х4. 

Тогда буду иметь такой ряд диапазонов измерения:

• 1:1        50 мв/д    100 мв/д    200 мв/д.
• 1:10        500 мв/д    1 в/д        2 в/д
• 1:100        5 в/д        10 в/д        20 в/д.

Помним, что в Электрике есть еще внутренняя растяжка по вертикали в 4 раза. Итого максимальная чувствительность ослика с этим входным блоком будет 12,5 мВ/д. Ну а щуп с делителем на 10, поможет увеличить диапазон напряжений в большую сторону. В моем случае плюс-минус 300 вольт.

Схема входного усилителя осциллографа

Схему выбрал в целом классическую для операционных усилителей. Лишь изменил некоторые моменты. Подогнал делители. Ну и подогнал коэффициенты усиления под требуемый сигнал. Надо помнить, что чем больше КУ, тем сильнее снижаются частотные возможности усилителя. Поэтому целесообразно разделить КУ между половинками ОУ, желательно поровну.

Описание некоторых узлов схемы

ОУ применил с полевыми транзисторами на входе. Это позволило сделать достаточно большое входное сопротивление осциллографа.

Для защиты цепей схемы применил специальные диодные сборки. Они часто попадаются на видеокартах и другом оборудовании.

• Д1, Д2 – защита входных цепей ОУ.
• Д3, Д4 – защита входных цепей АЦП осциллографа.

Дело в том, что на входе в AD9280 недопустимо отрицательное напряжение. А замена АЦП не столь простая и дешевая процедура. Если у вас нет подобных диодных сборок, можно применить простые диоды. Желательно на большую частоту, меньший ток утечки и по возможности меньшую паразитную емкость. На выходе в принципе можно поставить один диод с выхода на землю.

Конденсатор С1 может иметь емкость порядка 0,1-0,5 мкФ. На напряжение не ниже 250 вольт. Можно применить на меньшее напряжение, но не забывайте, что это будет определять максимальное допустимое напряжение на закрытом входе осциллографа.

При необходимости изменить усиление схемы, следует менять соотношения  R9 к R8 и R12 к R11. При изменении сопротивления второй пары (R12 к R11), придется подбирать R13 и R15 так, чтобы при положении R14 примерно посередине, постоянное напряжение на выходе составляло половину напряжения питания, или другими словами, чтобы линия развертки находилось посередине экрана.

Если примените AD8066, то конденсаторы С8 и С17 скорее всего придется исключить. Для AD823 они помогали спрямлять углы на высоких частотах. С AD8066 у вас будет другая проблема – вам придется бороться с выбросами по передним фронтам. Тогда вам придется добавить С16 на выходе, как один из вариантов убрать выбросы.

С номиналами С8 и С17, возможно стоит поиграть. В силу технологического разброса параметров микросхем, их влияние может сильно отличаться. Не исключено даже, что вам придется их убрать. Как мне на предыдущей плате усилителя.

И замечание по делителям. Подгоняя диапазоны, я ориентировался чисто визуально на симуляторе, поэтому величины сопротивлений делителя не совсем соответствуют строго расчетным. Если вы перфекционист, можете подогнать их точнее. Меня устраивает полученная точность.

Самые внимательные наверное заметили, что схема называется «Усилитель осциллографа 2». А первый отличался лишь некоторыми номиналами, отсутствием делителя S3 и С17. Приводить его не буду поэтому. Рисовал он практически так же. 

Был целый ряд других проб, но одни работали значительно хуже, другие не устраивали чувствительностью.

От теории к практике

Схему пришлось собирать на AD823. Неплохой операционник, не капризный в работе. Но не слишком быстрый (максимальная скорость нарастания выходного сигнала  около 22 В/мкс). Попытка заказать AD8066 (180 В/мкс) на Али закончилась плачевно. Просто потерял 430 рублей. Прислали по ощущениям бракованную партию (5 шт.).

ОУ работал в целом, но при переключении входного делителя, даже при закороченном входе, уровень постоянного напряжения на выходе ОУ значительно изменялся. Да и крутизна фронтов (точнее ее отсутствие) наводили на мысли о перемаркировке. Т.е. использовать данные ОУ возможности и желания нет.

Возможно вам повезет больше и вы сможете найти не бракованные микросхемы.

Если это будут AD8066, то в схеме изменения совсем невелики и печатку можно использовать ту же. Зато с ним даже на частоте 1 МГц меандр будет выглядеть лучше, чем с AD823 на 400 кГц.

По меандру верхней приемлемой границей считаю 500 кГц. Вот так это выглядит:

Это все условно, конечно. Объективно становится проблематичным различить синусоиду, треугольник и меандр на частоте около 700 – 750 кГц. Но это тоже условный параметр.

На частоте 100 кГц сигнал выглядит так:

Для AD823, по моему мнению, неплохой результат. Но опять же, я не поручусь за форму сигнала использованного мной генератора. Не исключено, что сам ослик рисует лучше, с меньшими скруглениями на углах. Что делать, получить меандр с крутыми фронтами на достаточно высоких частотах не столь просто, а профессионального генератора у меня нет.

Если вы желаете расширить диапазон по частоте, вам придется снижать усиление. Т.е. изменится величина минимального сигнала, который вы сможете рассмотреть на своем осциллографе. Ну либо ищите операционник побыстрее.

В железе (в прямом смысле слова) это все счастье выглядит вот так:

И вот так:

Да, сделал плату автономным блоком. Сам входной блок подключается всего четырьмя проводами. Плюс и минус питания, земля и выход. Ну и заодно пихнул наверх панель кнопок управления. Еще 6 проводов.

Под отверстиями подстроечные СМД конденсаторы. Применил их двух номиналов: 10 и 30 пФ. Обойтись одним номиналом трудно, т.к. у них есть такой параметр, как «минимальная емкость». Скажем на моих, которые 10 пФ, меньше 1,5 – 2 пФ установить не получится. У 30 пикофарадных эта величина еще больше.

Небольшая ремарка

Неоднократно встречал утверждение, что нам осциллограф нужен, чтобы посмотреть ШИМ на Ардуине. Так вот, это СЕГОДНЯ может быть и так, а завтра вы пожелаете построить БП к своей Ардуино с минимальным уровнем шумов на выходе. Чем будете проверять?

Не советую повторять ошибки некоторых конструкций и загрублять чувствительность, осциллограф не самый простой прибор и строится на долго.

А вот если вы желаете смотреть сигналы в единицы милливольт на весь экран, то предложенный мной вариант вас не устроит тоже. И поднять чувствительность не столь просто.

Во многих классических осциллографах использовались усилители на дискретных элементах. Но там свои проблемы, кроме габаритов, естественно. Например постоянно уплывающий «0», по мере прогрева и колебаний температуры.

И в довершении крик души к разработчикам самодельных осциллографов для начинающих:

1. Желание управлять чувствительностью ослика с помощью электроники (мультиплексоры и т.п.) ведет к потере качества картинки.
2. Ведет к видимому усложнению схемы и отпугиванию начинающих.
3. Ведет к росту стоимости самоделки.
4. Делает рабочий инструмент красивой и прикольной, но просто игрушкой, и отпугиванию радиолюбителей среднего уровня.

Хотите верного спутника в своем творчестве надолго, применяйте механические переключатели в делителях. Электронное управление чувствительностью – большое зло для несложных осциллографов радиолюбительского уровня.

Профессиональные схемы рассматривать не буду. Считаю это не актуальным для любительских схем. Продолжение читайте тут. Автор материала: Тришин А.О., Комсомольск-на Амуре.

   Форум

   Обсудить статью Входные узлы осциллографов – 3. усилитель

Источник: https://radioskot.ru/publ/nachinajushhim/vkhodnye_uzly_oscillografov_3_usilitel/5-1-0-1338