Карманный цифровой осциллограф “Спрут”

Автор: SSMix
Опубликовано 17.09.2013
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2013!"

          Описываемый в данной статье осциллограф “Спрут” разработан на основе осциллографа “DSS-31”, описанного в журнале “Радио” №1-4 за 2012 г.

          Несомненным преимуществом “DSS-31” перед остальными осциллографами подобного класса является авторская технология “Anti-Aliasing”, значительно уменьшающая дискретные искажения сигнала, возникающие из-за проявления стробоскопического эффекта. Как известно, в соответствии с теоремой Котельникова, частота выборок должна как минимум вдвое превышать максимальную частоту спектра исследуемого сигнала. В противном случае, при неправильно выбранной пользователем скорости развёртки цифрового осциллографа, когда период исследуемого сигнала оказывается кратен периоду выборок АЦП или близок к нему, возникают специфические искажения.

          Причем это довольно частый в практике измерений случай. Допустим, что пользователь включил осциллограф с сохранёнными с предыдущего сеанса работы настройками и подал на его вход исследуемый сигнал. На экране аналогового осциллографа при недостаточной частоте развёртки при этом будет видна широкая дорожка, что послужит сигналом для увеличения скорости развёртки. На экране цифрового осциллографа в подобном случае может быть виден нормальный сигнал, но только сильно растянутый по горизонтали. Если не догадаться изменить скорость развёртки (а зачем с точки зрения пользователя её менять, если картинка на экране вполне нормальная), то получим ошибку измерения частоты и периода сигнала.

          На рис.1 показан такой случай, часто встречающийся в большинстве цифровых осциллографов с постоянной частотой выборок:

Рисунок 1

           Как видно из рис.1, результирующая осциллограмма, выводимая на экран такого осциллографа, по форме приближается к исходной, но становится значительно растянутой во времени. При точной кратности периода сигнала и периода выборок синусоида на экране вообще вытягивается в горизонтальную линию.

           Ключевой особенностью технологии “Anti-Aliasing” является введение дополнительных выборок с переменным шагом, при этом теорема Котельникова, описывающая выборки сигнала с постоянной частотой, в этом случае уже не действует в своём исходном варианте. На рис.2 показан предыдущий случай с включенной функцией “Anti-Aliasing”:

           Вспомогательные выборки следуют за основными с переменным шагом по специальному алгоритму. Перед выводом осциллограммы на экран основная и вспомогательная выборки объединяются в одну, и если их коды отличны, на экране появляется вертикальная линия вместо одной точки. В результате на экран вместо сигнала с “неправильным” периодом будут выводиться сплошные вертикальные линии, т.е. получится та самая дорожка, как и на экране аналогового осциллографа, что послужит сигналом для увеличения скорости развертки. На рис.2 показан эффект для случая лишь с одной вспомогательной выборкой. На скоростях развертки 10 с/дел…0.2 мс/дел в описываемом осциллографе производится намного больше вспомогательных выборок на отображаемую точку, так что эффект от применённой технологии усиливается многократно, позволяя захватывать и отображать изменения сигнала в промежутках между основными выборками. Именно поэтому доработанный осциллограф на базе “DSS-31” и был назван “Спрут”. Внешний вид его показан на рис.3.

Рисунок 3

          Основные отличия осциллографа "Спрут" от прототипа следующие:

- применён малогабаритный ЖКИ WG12864E-WGH-VN и корпус Z-34, благодаря чему габаритные размеры уменьшены с 192х101х39 мм до 145х65х29мм, а вес с 250г до 170г (без элементов питания);

- вместо элементов питания типоразмера АА применены малогабаритные ААА;

- входная часть осциллографа выполнена вместо дорогостоящего прецизионного и трудно доставаемого AD8610AR на двух более распространённых недорогих ОУ AD8510AR (входной буфер) и AD8038AR (усилитель с Ку=9.76). Между ними установлен делитель с коммутатором (1:1, 1:2.5, 1:5). Благодаря этому решению полоса пропускания практически перестала зависеть от выбранной чувствительности и составила 6,1…7,1 МГц во всём диапазоне вместо 2…5 МГц у “DSS-31”;

- уменьшено число подстроечных резисторов с шести до трёх и упрощена первоначальная регулировка прибора;

- приняты меры для уменьшения дрейфа нулевой линии по вертикали от температуры -  напряжение смещения рабочей точки AD8038AR формируется от общего ИОН через усилитель на ОУ MC33171D;

- добавлен вход внешней синхронизации;

- во входной части применено более дешевое малогабаритное поляризованное реле FTR-B4CB4.5Z с одной обмоткой;

- источник питания выполнен на более дешевой элементной базе, что привело, правда, к некоторому усложнению схемы;

- коммутация внутреннего/внешнего питания выполнена на электронных ключах, т.к. механические китайские переключатели (других то в продаже нет) имеют свойство со временем окислять свои контакты, переходное сопротивление которых при этом резко возрастает; также это позволило снизить ток потребления схемы практически до нуля в выключенном состоянии;

- в программную часть добавлен пункт выбора внутренней/внешней синхронизации, измерение скважности исследуемого периодического сигнала (в пределах 0.0%…99.9 %) а также функция автомобильного мультиметра для 4, 6 и 8-цилиндровых двигателей:

- индикация угла замкнутого состояния контактов прерывателя 0.0 °… 89.9 °;

- индикация частоты вращения 0 … 9999 об/мин.

            Остальные характеристики осциллографа остались без изменений:

Входной импеданс                                                  1 МОм, 25 пФ;

Чувствительность                                                  10мВ, 20мВ, 50мВ, 0.1В, 0.2В, 0.5В, 1В, 2В, 5В, 10В, 20В/дел;

Временная развертка                                             10с, 5с, 2с, 1с, 0.5с, 0.2с, 0.1с, 50мс, 20мс, 10мс, 5мс, 2мс, 1мс, 0.5мс, 0.2мс, 0.1мс, 50мкс, 20мкс, 10мкс, 5мкс, 2мкс, 1мкс, 0.5мкс, 0.2мкс, 0.1мкс/дел;

Максимальное входное напряжение                         100В (ампл.);

Вертикальное разрешение                                       8 бит;

Режимы запуска развертки                                     автоматический, ждущий, однократный, ручной;

Графический дисплей                                             монохромный 64х128 пикс.;

Число сохраняемых осциллограмм                            2;

Язык интерфейса                                                   русский, английский;

Таймер выключения                                               2, 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60 мин, Выкл.;

Подсветка ЖКИ                                                     регулируемая, 6 уровней;

Выход для настройки щупа с делителем                   ≈1.22 кГц, (4.5÷4.75)В (ампл.);

Источник питания внешний:

     для работы                                                      =3…6В, 250…120 мА;

     для зарядки аккумуляторов                               =(5.8±0.2)В, 100мА;

Источник питания внутренний                                 солевые, щелочные элементы ААА или NiCd, NiMH аккумуляторы (3 шт.);

Ток зарядки аккумуляторов                                   100 мА (стабилизированный).

            Схема электрическая принципиальная осциллографа "Спрут" приведена на рис.4.

Рисунок 4

            Входной сигнал через разъём X1, защитный резистор R6 и элементы коммутации  открытого/закрытого входа SA1, R7, C2 поступает на входной делитель через контакты поляризованного реле Р1. На пределах чувствительности 0,2...20 В/дел контакты реле находятся в нижнем по схеме положении. При этом сигнал подаётся на частотно-скомпенсированный делитель R1...R5, C4...C6 с коэф. деления 1:10 и 1:100, а затем через коммутатор DD1 на вход буфера DA1. На пределах чувствительности 10...100мВ/дел контакты реле находятся в верхнем по схеме положении и сигнал подаётся непосредственно на вход буфера DA1 минуя делитель. Элементы C7, R8, VD1 - защитные. C1 и R9 служит для получения одинакового входного импеданса осциллографа в обоих положениях реле, что необходимо для нормальной работы с внешним делителем 1:10. Стабилитроны VD3, VD4 устанавливаются в случае применения в поз. DA1 ОУ MCP6021, у которого предельное напряжение питания составляет всего 7В.

            С выхода буферного усилителя сигнал поступает на резистивный делитель напряжения R17...R19, и далее через коммутатор DD2 на вход усилителя DA4 AD8038. Инвертирующий усилитель на ОУ DA3 MC33171 служит для формирования напряжения смещения рабочей точки DA4 - при отсутствии входного сигнала напряжение на выходе DA4 устанавливается равным +1,25В (половина входного диапазона АЦП). После DA4 усиленный сигнал подаётся на вход АЦП DA8 AD7822 и на вход компаратора DA5 MAX987, служащего для формирования импульсов синхронизации из входного сигнала. Коммутатор DD4 SN74LVC1G3157 предназначен для переключения между сигналом внутренней и внешней синхронизации с гнезда X2.

            АЦП DA8 AD7822 работает совместно с внешним источником опорного напряжения (ИОН) DA7 TL431. Для получения удовлетворительной термостабильности схемы это же напряжение используется для задания смещения рабочей точки DA4 и уровня синхронизации для DA5. С выхода АЦП параллельный 8-битный код поступает на порт C микроконтроллера DD5 ATmega32A. К этому же порту подключена также и шина данных графического ЖКИ H1 WG12864. Т.к. чтение данных с внешнего АЦП DA4 и вывод информации на экран разнесены во времени, это решение позволило сэкономить один порт МК.

            На элементах DA10, VT9 выполнен преобразователь напряжения для управления яркостью подсветки ЖКИ, используя импульсы ШИМ-сигнала частотой около 1 Гц с линии PD7 МК. Также этот сигнал используется для калибровки внешнего делителя 1:10 и для управления питанием схемы.

            Положительное стабилизированное напряжение питания величиной +4,65В снимается с выхода линейного Low Drop стабилизатора DA6 TPS76301. На DA9, VT1 выполнен повышающий преобразователь напряжения. Транзистор VT5 - ключ, коммутирующий напряжение внешнего источника питания, VT3, VT4 - внутреннего. Выбор источника питания осуществляется переключателем SA2. В правом по схеме положении SA2 (внешний источник) при нажатии на кнопку SB7 "Вкл./Выкл" открывается VT5 по цепи SB7, VD14, R57, зVT5 и напряжение от внешнего источника через VD18, VT5 поступает на преобразователь напряжения DA9 и линейный стабилизатор DA6. Одновременно по цепи SB7, VD21, R77 открывается транзистор VT10. Через разряженный C57, VD12.2, R52 происходит быстрый заряд C35, с которого снимается напряжение, разрешающее работу DA6, DA9, и отпирающее VT2, который в свою очередь через R57 также отпирает ключевой транзистор VT5. МК DD5 сразу же после включения начинает формировать на линии PD7 ШИМ-сигнал, который после прохождения через VD8, R43 и фильтр R41, C35 создаёт постоянное напряжение, разрешающее работу DA6, DA9, VT2, VT5 и после отпускания кнопки SB7 "Вкл./Выкл". При этом закрывается VT10 и C57 разряжается через R75, VD12.1. При повторном нажатии на кнопку SB7 "Вкл./Выкл" на линии PD3 МК возникает лог.0 через VD15, SB7, вследствие чего МК прекращает формирование ШИМ-сигнала на линии PD7, что приводит к снижению напряжения на C35 до нуля, запиранию DA6, DA9, VT2, VT5 и полному выключению схемы.

            При левом по схеме положении переключателя SA2 осуществляется питание от внутреннего источника GB1. Процесс включения/выключения аналогичен предыдущему случаю, за исключением того, что теперь вместо VT5 открываются ключи VT3, VT4. Дополнительно через R66 открываются VT6, VT7, образующие стабилизатор тока зарядки для аккумуляторов. Величина тока зарядки определяется сопротивлением резистора R64 и составляет около 100 мА. Также в этом режиме открывается VT8 и загорается красный светодиод HL2 "Заряд акк.".

            Для получения напряжения питания отрицательной полярности -4В для ОУ использован генератор меандра 20 кГц на DD7.3 и буфер на DD6 SN74LVC1G3157 с выпрямителем на C66, VD19, VD20, C69 и фильтром L15, C74.

            Остальные логические инвертор DD7 74HC14D использованы для управления реле (DD7.1, DD7.2), формирования сигнала выбора второго кристалла ЖКИ E2 (DD7.4) и формирования противофазного сигнала для пьезоизлучателя BA1.

            На DD3 FT232RL выполнен конвертор UART-USB с гальванической развязкой на оптроне DA2 PC817A.

            Для подключения программатора предусмотрен разъём X3. При подаче положительного напряжения на контакт “on Vcc” через диод VD8.2 включаются стабилизатор и преобразователь напряжения, подавая питающее напряжение на МК.

            Схема собрана на двухсторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита размерами 123,7х61,8мм. Внешний вид платы в сборе со стороны ЖКИ показан на рис.5, со стороны элементов питания - на рис.6.

Рисунок 5

Рисунок 6

            Входные цепи осциллографа закрыты экраном из жести (слева от ЖКИ на рис.5).

            При сборке плата зажимается в между пластмассовыми стойками верхней и нижней половины корпуса Z-34 без использования дополнительного крепежа.

            Пьезоизлучатель крепится к плате пайкой на отрезках луженой проволоки.

            Для получения хорошей точности измерения осциллографа необходимо использовать резисторы R1...R5, R9, R17...R19 с точностью не хуже 0,5% (на схеме выделены голубым цветом). Кварцевый резонатор ZQ1 должен быть именно в корпусе HC-49U (высокий), корпус типа "лодочка" не годится - отсутствует генерация из-за недостаточной добротности.

Порядок работы с осциллографом прост, интуитивно понятен и подробно описан в статье [1, 2]. Изменения коснулись лишь пункта выбора направления синхронизации в верхней строке меню (добавлены дополнительные пункты для внешней синхронизации), а также добавлены дополнительные измеряемые параметры сигнала - скважность в %, а также меню автомобильных измерений: количество цилиндров двигателя (4, 6, 8), угол замкнутого состояния контактов прерывателя (в °) и частота вращения вала двигателя (в об/мин).

            Регулировка собранного осциллографа может быть проведена с использованием обычного цифрового мультиметра. После включения питания необходимо проконтролировать напряжение на выходе DA6 в КТ2, которое должно находиться в пределах  +4,6...+4,7В, и на выходе преобразователя отрицательного напряжения -4В на C74.

            Резистором R72 устанавливается требуемая контрастность ЖКИ.

            Резистором R24 устанавливается нулевая линия развёртки при замкнутом входе осциллографа на пределе чувствительности 10мВ/дел.

            Далее на вход осциллографа необходимо параллельно подключить мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения и подать постоянное напряжение величиной несколько вольт от внешнего источника. Подстроечным резистором R33 необходимо выставить показания измеренного среднего напряжения на экране осциллографа соответствующим показаниям мультиметра.

            После этого необходимо настроить входную часть осциллографа по переменному напряжению. Для этого следует использовать щуп с делителем 1:1, который подсоединить к выходу тестового сигнала осциллографа. Смещение по вертикали следует установить (-2.0) деления, скорость развертки 0.2 мс/дел. Установив предел чувствительности 2В/дел, необходимо при помощи конденсатора С4 добиться правильной формы прямоугольного сигнала на экране без выбросов и завалов фронтов. Затем, установив предел 1В/дел, добиваются правильной формы прямоугольного сигнала при помощи C6. Эти две регулировки рекомендуется повторить несколько раз.

            Далее необходимо отрегулировать одинаковую входную ёмкость осциллографа на на пределах 10 мВ …0.1 В/дел и 0.2…20 В/дел.. Для этого используется щуп с делителем 1:10. Установив чувствительность на 0.1В/дел необходимо добиться правильной формы прямоугольного сигнала при помощи подстроечного конденсатора пробника. Далее следует установить чувствительность 0.2 В/дел и добиться правильной формы прямоугольного сигнала при помощи подстроечного конденсатора C1 осциллографа.

           Далее, удерживая кнопку "SHIFT", вызываем меню НАСТРОЙКИ, как показано на рис.7. Перемещение между пунктами меню здесь производится без кнопки "SHIFT".

Рисунок 7

         Здесь выставляем таймер выключения: 2, 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60 мин. или Выкл., тип интерполяции: Линейн., sinx/x или Автомат. на пределах 0.2 и 0.1 мкс/дел, тип элементов питания: солевые элементы, щелочные элементы (Alkaline, Oxyride), Ni-Cd аккумуляторы или NiMH аккумуляторы, громкость звука и язык интерфейса (Русский/Английский).

         После этого кратковременным нажатием кнопки "SHIFT" выходим из меню НАСТРОЙКИ и жмём кнопку "SHIFT" снова, после повторного появления меню НАСТРОЙКИ кнопку не отпускаем, пока не появится меню Конфигурация, как показано на рис.8.

Рисунок 8

          Здесь выбираем вид отображения среднеквадратичного значения напряжения: “ХХХ”(крупным шрифтом) или “▀xxx” (мелким шрифтом с дополнительным значком), наличие USB-выхода (при выключенной опции исчезает пункт меню передачи данных в ПЭВМ), наличие подсветки ЖКИ и, наконец, последний пункт - калибровка измерителя напряжения питания. Подключаем мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения к КТ1 и меняя значение Uref добиваемся правильных показаний напряжения питания в самой нижней строке меню.

         На этом настройку осциллографа можно считать законченной. Переходим к испытаниям, чтобы проверить в действии авторскую технологию “Anti-Aliasing”.

         Подаём на вход осциллографа синусоидальный сигнал частотой 1 кГц. Автоматический выбор пределов моментально устанавил оптимальные чувствительность и скорость развёртки для комфортного отображения сигнала, как показано на рис.9.

Рисунок 9

           Причём, в отличие от современных промышленных собратьев "Спрута", имеющих на передней панели кнопку Авто для однократной автоустановки пределов, автоматическое переключение в данном осциллографе работает непрерывно, моментально отслеживая и подстраивая его чувствительность и скорость развёртки под исследуемый сигнал. При этом возможно включать/выключать автомат отдельно для чувствительности и скорости, что порой бывает очень удобно.

           Выключаем функцию “Anti-Aliasing” в нижнем пункте меню, уменьшаем скорость развёртки с 0.5 мс/дел до 20 мс/дел, и видим картину, показанную на рис.10 - сильно растянутую синусоиду.

Рисунок 10

             Ничего не поделаешь - закон есть закон, теорему Котельникова не обманешь. В данном случае одной отображаемой точке по горизонтали соответствует период 20мс/10=2мс, а частота выборок составляет 1/2мс=500Гц, что в два раза меньше частоты нашего сигнала.

             Включаем функцию “Anti-Aliasing” и видим картину, показанную на рис.11 - в точности как на экране аналогового осциллографа. Рука сама тянется увеличить скорость развёртки.

Рисунок 11

            Для сравнения тот же сигнал на экране популярного у радиолюбителей осциллографического пробника Хамелеон D2:

Рисунок 12

Рисунок 13

          А чего ещё ожидать - физика явления то ведь одна и та же.

          Идём дальше. Включаем обратно автоматическое переключение скорости развёртки и увеличиваем частоту сигнала до 5 МГц.

Рисунок 14 

          Автомат добросовестно включает самый скоростной предел 0.1мкс/дел. Синусоида на экране вполне нормальная, без видимых искажений. Увеличиваем частоту дальше.

Рисунок 15

          Сигнал частотой чуть более 8 МГц отображается вполне сносно, учитывая частоту дискретизации 20 МГц. Неплохо, как для карманного осциллографа.

          Ну и напоследок, ещё пару снимков с разных ракурсов:

        Порядок работы с осциллографом "Спрут" практически не отличается от "DSS-31", хорошо описанным в литературе ниже.

Литература:

1. С. Самойлов. Портативный цифровой осциллограф DSS-31. “Радио” 2012, № 1...4.

2. https://radioelectronika.ru/?mod=cxemi&sub_mod=full_cxema&id=776.

Файлы:
ПКИ
ПО для ПЭВМ
Плата+Схема
Прошивка

Все вопросы в Форум.