Описание.
Какой радиолюбитель без осциллографа? Ответ однозначный...
Только доступность измерительных приборов со временем становится все меньше, отечественных уже почти нет, а импортные дорого стоят. Выход есть, надо собрать самодельный осциллограф.
Ныне осциллографы стали цифровыми и характер трудностей, возникающий при их проектировании, изменился. Основным «узким местом» сейчас является выбор аналого-цифрового преобразователя АЦП. Нельзя сказать, что это большой дефицит, однако первый попавшийся АЦП для осциллографа не подходит. Необходим быстродействующий преобразователь, с частотой выборки, хотя бы, несколько мегагерц. Такие элементы стоят недешево и требуют не менее быстродействующих схем управления. В качестве управляющей микросхемы обычно используют программируемую логическую матрицу ПЛМ, также нужно иметь скоростную оперативную память. Микропроцессор в таком осциллографе выполняет второстепенную роль: вывод информации на экран и обслуживание органов управления. Вот и получается, что цифровой осциллограф с частотой выборки всего 10МГц имеет цену существенно более 100$. А хотелось бы уложиться в 100 гривен. Неплохо, портативный осциллограф за 100 гривен?
В связи с этим появилась идея, несколько трансформируя принцип стробоскопического осциллографирования, использовать медленные АЦП микроконтроллера для визуализации быстрых процессов. Если удастся реализовать этот принцип, получим дешевый компактный осциллограф с частотой выборки 20МГц!!! Вполне...?
В подавляющем числе случаев анализу подвергаются периодические процессы. А значить, что анализировать один период сигнала можно по нескольким периодам. Этот принцип – основа стробоскопического осциллографирования. В цифровом осциллографе этот принцип реализовать проще, чем в аналоговом.
Представим себе, что нам необходимо исследовать синусоидальный сигнал, период которого намного меньше времени преобразования имеющегося в наличии АЦП.
Существует такое устройство, называется УВХ (устройство выборки-хранения). Оно предназначено для запоминания величины аналогового сигнала на некоторый период времени. Берем, например, микроконтроллер Atmega48. У него восемь входов АЦП, по описанию входное сопротивление каждого канала 100Мом, для УВХ – подходит (если окажется мало, поставим буферы). Аналоговый мультиплексор 74НС4051 – то, что нужно для УВХ, в нем восемь быстродействующих аналоговых ключей. На рис. 1 демонстрируется часть схемы осциллографа. Входной сигнал с частотой 20МГц стробируется мультиплексором U11.
Рис. 1
На три адресные шины подаются комбинации от 000, до 111, а на вход STROB – приходят восемь стробирующих импульсов – рис. 2(С). В результате «запоминается» восемь точек входного сигнала (D). Для примера – график В – запоминание по каналу №0. Восемь стробирующих импульсов формируются схемой И-НЕ из сигналов тактового генератора микроконтроллера, для этого самим контроллером формируется импульс – А.
Рис. 2
Но таким образом мы получим только восемь выборок сигнала, как действовать дальше? Нужно разработать систему синхронизации.
Запуск выборок УВХ делаем от встроенного компаратора, первая восьмерка выборок делается без задержки после срабатывания компаратора, затем запрещается прерывание от компаратора, пока все восемь значений не оцифрует АЦП микроконтроллера. Далее снова инициализируется прерывание компаратора, но выборки начинают делаться с задержкой на восемь тактов генератора. Третья пачка выборок берется с удвоенной задержкой, четвертая – с утроенной и так, пока мы не получим необходимое число значений для полного заполнения экрана индикатора. Если взять экран от NOKIA 3310, то получится 96/8 = 12 пачек. Почему такой экран? Для минимизации шин управления.
Теперь, наверное, можно нарисовать приблизительную схему осциллографа в целом. Вот она на рис. 3. Потенциометр R1 устанавливает уровень срабатывания системы синхронизации. Блок А1 – усилитель вертикального отклонения. Блок В1 – отдельный тактовый генератор (может не понадобиться). Блок С – клавиатура управления. Элемент U2A формирует пачки из восьми стобирующих импульсов – рис. 2 (С).
Рис. 3
Усилитель А1 должен быть широкополосным и иметь переключаемый, в широких пределах, коэффициент усиления. Пример схемы – рис. 4.
Рис. 4
Типы ОУ взяты для примера, я уверен, что можно найти вариант лучше. Микросхема U3 –TLE2072 – широкополосный усилитель с большим входным сопротивлением. Элемент U4 , AD8042 усилитель для видеосигнала. Коэффициент усиления (Ку) переключается мультиплексорами 74НСТ4051. Управление Ку осуществляется всего по двум шинам от микроконтроллера, путем заполнения восьмиразрядного сдвигового регистра U10, 74НС595. Величина Ку изменяется в пределах от 1/100, до 100 (если надо, пределы можно расширить).
Клавиатура С1 имеет примерный вид – рис. 5.
Рис. 5
Пока здесь пять кнопок: регулировка усиления, времени развертки, фронта запуска.
Внешний тактовый генератор нарисован на всякий случай, вероятно, его можно заменить внутренним микроконтроллера. Это ведь только эскиз схемы, и многое может измениться.
Значения чувствительности и скорость развертки рационально было бы разместить на экране.
Программа для микроконтроллера находится в стадии разработки, большинство критических моментов решено, но работа затянулась из за отсутствия заинтересованных лиц.
Вот такой вот карманный осциллограф получается, пишите!