Устройство, расширяющее возможности старого осциллографа: 4 канала вместо 1

Автор: AlphaLaiman, gerasimov-ig@rambler.ru
Опубликовано 17.09.2014
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2014"

Часто во время наших радиолюбительских изысканий возникает потребность в одновременном измерении нескольких сигналов. Многоканальных осциллографов у многих из нас нет, да и цена на них, даже самых дешевых, бывает неподъемна (ну или просто жаба душит). Размышляя на тему того, для чего в старых аналоговых осциллографах выводят разъем выхода развертки, что с ним можно сделать, мне и пришла в голову идея сделать данный миниатюрный приборчик. С помощью него можно любой старый советский осциллограф превратить в четырехканальный без каких-либо внутренних изменений его конструкции. Также есть возможность переключиться в двухканальный режим.

Вот пример его работы: сигналы на выходах микросхемы-счетчика 561ИЕ16 на экране моего С1-94

Извиняюсь сразу за качество и количество фото, одолжили фотоаппарат у меня в неподходящий момент(

Итак, после некоторых плясок с бубном и подбора деталей родилась такая схема:

Вкратце: Измеряемые сигналы идут на входы микросхемы-мультиплексора (это как бы коммутатор сигналов) 590КН6 по желанию пользователя либо напрямую (при амплитуде до 1В), либо через делитель (до 5В). Для измерения только переменной составляющей - можно через конденсатор. По сигналу развертки осциллографа запускается счетчик 561ИЕ10, который выбирает один из четырех каналов мультиплексора и одновременно задает напряжение смещения. На выходе это напряжение суммируется с выбранным сигналом, в результате на экране этот сигнал занимает свое "место". По следующему импульсу развертки включается следующий канал, который встает уже на другое место экрана и т.д. Так как каналы сменяются быстро, пользователь видит сразу все четыре канала как бы одновременно.

Выключатель S5 '1,2,3,4/1,2' переключает режимы четырехканальный и двухканальный.

В правом верхнем углу схема искусственного нуля для двухполярного питания микросхем. Она довольно стандартна, ничего особенного.

А теперь расскажу более подробно по схеме, что, как и зачем.

Сигнал развертки имеет примерно такой вид:

 Чтобы от него мог работать счетчик, нужно его как-то преобразовать в нормальные прямоугольные импульсы. Это делает половинка сдвоенного операционного усилителя DA1.1, включенная по схеме компаратора. Сравнивая этот сигнал с постоянным напряжением, задаваемым подстроечником R3, компаратор выдает +4,5В, если его значение больше, и -4,5В, если меньше:

 Выпрямителем VD1-R4 срезается отрицательная часть этого сигнала (по причине того, что питание компаратора двухполярное, а счетчика, как и любых других чисто логических микросхем однополярное)

На выходе счетчика имеем логические значения, изменяющиеся на 1 по каждому такту на входе: 00, 01, 10, 11, 00, 01 ... В зависимости от этих значений и выбирается один из каналов мультиплексора 590КН6. Помимо этого, к выходам счетчика подсоединены два резистора R13 и R14. Они по сути образуют четырехразрядный R2R АЦП (возможно звучит слишком громко, но это действительно так:). В точке соединения этих резисторов в зависимости от логического значения счетчика получается постоянное напряжение, принимающее фиксированные значения 0, 1.5, 3, 4.5В, если отсоединить от нее R15 и R16. Более наглядно это изображено на рисунке ниже:

Поскольку переключение происходит быстро, глаз человека наблюдает на осциллографе четыре линии, равно отстоящих друг от друга:

Через буферный усилитель DA2.1 и резистор R15 в эту же точку приходит и сигнал с мультиплексора, суммируясь с уровнем напряжения нашего АЦП, причем значение R15 определяет его "вес". В резульате этого суммирования и получается наша "картинка", которая и идет на сигнальный вход осциллографа:) R15 я подобрал так, чтобы было наиболее удобно наблюдать за сигналами логических уровней 5В. То есть, если, например, оно будет меньше, сигналы соседних каналов будут выше, и на экране будут перекрываться, если больше - наоборот, ослабеют, и на экране останется много свободного места, как-то так:)

Резистор R16 - необязателен, но с его помощью можно регулировать размер "картинки", чтобы она занимала весь экран осциллографа.

Наконец, нам нужно, чтобы сам осциллограф запускался правильно. Запускаться он будет от первого канала, усиленного в 5 раз усилителем DA2.2 (для каких-то осциллографов это усиление может и не понадобиться, но у моего С1-94 без него запуск не происходил). Выход усилителя подключается ко входу внешнего запуска осциллографа, соответственно сам же он переводится в режим с внешним запуском.

Небольшое замечание о делителе. Думаю, назначение C1...C4 понятно, для фильтрации постоянки, если необходимо. Они выведены на отдельные пины разъема. Попытаюсь объяснить для чего С5...С8 (возможно кто-то скажет, что это ну совсем азы, но я лично раньше не знал, зачем их обязательно ставят в делители). Дело в том, что резистор R5 (аналогично R6...R8) вместе с входной емкостью микросхемы 590КН6, операционного усилителя и, наконец, кабеля образуют RC-фильтр, который срезает высокие частоты. Для компенсации этого и нужен С5 (С6...С8), который как бы пропускает через себя недостающие частоты.

Вся конструкция делалась под этот корпус: https://voltmaster.ru/cgi-bin/qwery.pl/id=125247963 размером 66.5х66.5х21 мм

Состоит из двух плат, на одной собственно схема, на другой - кнопки, разъемы и светодиод. Питание - Крона 9В

 Печатные платы в формате layout прилагаются

Примененные детали:

DA1, DA2 - TL072 (можно применить любой другой сдвоенный ОУ без изменения печатки)
DA3 - 590КН6 (прямых аналогов не знаю, но в принципе подобных мультиплексоров море)
DD1 - 561ИЕ10 (1561ИЕ10, 4520 - прямые аналоги)
VT1, VT2 - КТ315, КТ361 (можно применить любые другие транзисторы, только смотреть цоколевку)
VD1 - 1N4148 (любой маломощный диод)

Настройка и использование:

1. Вставьте Х2 в входное гнездо осциллографа, Х3 в разъем выхода развертки и Х4 в разъем "Запуск"
2. На осциллографе включите режим "Автоматический" с внешним запуском
3. Подстройкой R3 добейтесь появления на экране четырех горизонтальных линий
4. Подстройкой R16 отрегулируйте расстояние между линиями, чтобы они все помещались на экране
5. Подбор конденсаторов делителей R5...R8. Подайте на вход 1 какой-нибудь прямоугольный сигнал амплитудой 5В. На экране осциллографа при отсутствии конденсатора вместо прямоугольника будет нечто похожее на картинку ниже слева. Нужно подобрать конденсатор так, чтобы вместо этого "нечто" был такой же прямоугольный сигнал. Но не переборщить с емкостью, а то станет еще хуже:) C6...C8 поставить такими же. У меня получилось 10пФ

Вот и все, можно работать) Небольшое замечание: посклольку запуск осциллографа всегда происходит от первого входа, на него рекомендуется подавать самый низкочастотный из всех измеряемых сигналов.

Файлы:
Фотография
Фотография


Файл принципиальной схемы
Файл принципиальной схемы

Все вопросы в Форум.