Схема. Осциллограф
В журнале «Радио», 2000, № 9, с. 56 была опубликована статья А. Пилтакяна «Измерительная мини-лаборатория». В этом приборе, наряду с другими устройствами, вниманию читателей был представлен осциллограф. Отличие предлагаемого в данной статье осциллографа в более высоких частотных свойствах генератора развертки и возможность исследования процессов не только в цепях переменного, но и постоянного тока. Минимальная частота генератора развертки — 25 Гц, максимальная — 25 кГц. Входное сопротивление — не менее 100 кОм. Прибор пригоден для наблюдения с относительной точностью эпюр сигналов в трактах звуковой частоты различной радиоаппаратуры, кадровой и строчной разверток телевизоров, а также для наблюдения переходных процессов в различных переключательных цепях.
Принципиальная схема осциллографа приведена на рис. 1. Исследование постоянного напряжения стало возможным из-за использования в качестве усилителя вертикального отклонения (Вход «V») радиолампы. Как видно из схемы, на сетке правого триода лампы по отношению к корпусу прибора напряжение отсутствует. Это позволяет подключить усилитель непосредственно к исследуемому устройству, не используя разделительный конденсатор. Напряжение смещения рабочей точки -1,5В, необходимое для работы каскада, все же существует. Им служит падение напряжения на светодиоде HL3, включенным в последовательную цепь с триодом и его нагрузкой. На управляющую сетку лампы это напряжение подается через резисторы в цепи сетки — R37 и R18, сопротивление которых существенно мало в сравнении с входным сопротивлением лампы. Напряжение смещения на сетке по отношению к катоду будет отрицательным, что как раз необходимо для работы радиолампы. В этом случае светодиод выполняет еще и роль стабилизатора напряжения.
Такой вариант построения каскада выбран не случайно. Классический способ формирования автосмещения применением резистора в катодной цепи лампы вызывает появление отрицательной обратной связи (ООС). ООС сама по себе полезна, так как улучшает частотные характеристики каскада, но в данном случае от нее придется избавиться. Это вызвано необходимостью построения каскада по схеме усилителя постоянного тока (УПТ).
Включение триодов лампы усилителей горизонтального (левый по схеме) и вертикального отклонений одинаково. Отличие лишь в том, что усилитель горизонтальной развертки имеет напряжение на катоде несколько больше, равное примерно 2,8 В. Светодиоды HL1 и HL2 и в этом каскаде выполняют роль стабилизации автосмещения, которое равно сумме значений напряжения на светодиодах и диоде VD1. Роль сеточного резистора в этом случае выполняют диод VD1 и сопротивление между эмиттером и коллектором выходного транзистора логического элемента DD1.4. Поэтому режим работы ламп по постоянному току в данном приборе устанавливают подбором светодиодов с необходимым напряжением стабилизации.
Генератор пилообразного напряжения горизонтальной развертки состоит из трех узлов. Первый — задающий генератор импульсов на транзисторах VT1 и VT2 по схеме неинвертирующего усилителя с положительной обратной связью через конденсаторы С5—С15 (в зависимости от длительности развертки), подключаемые секцией переключателя SA1.1. Один из названных конденсаторов совместно с резисторами R15 и R8.2 выполняют функцию цепи, задающей длительность выходных импульсов генератора. Переменный резистор R8 позволяет плавно подстраивать длительность развертки.
Второй узел устройства — цепь логических элементов микросхемы DD1. На элементах DD1.1 и DD1.2 выполнен триггер Шмитта. Он позволяет уменьшить время переходных процессов, придавая импульсам форму, более похожую на прямоугольную. Собственно говоря, на работе самого генератора пилообразного напряжения отсутствие триггера отрицательно не скажется, потому что сам генератор выдает импульсы довольно строгой формы. Здесь применение элементов логической микросхемы обусловлено другими причинами. Подключенное к генератору устройство гашения обратного хода луча трубки требует подачи на вход импульсов с противоположной фазой. Импульсы на выходе элемента DD1.3 обеспечивают нормальную работу устройства гашения. С увеличением частоты задающего генератора амплитуда импульсов на его выходе уменьшается. Триггер Шмитта делает их одинаковыми во всем частотном спектре. Триггер Шмитта в устройстве выполняет еще и роль буфера между задающим генератором и цепью выхода синхроимпульсов.
Третий узел генератора — формирователь пилообразного напряжения. Он состоит из диода VD1, резисторов R7, R8.1 и выбранного переключателем SA1.2 одного из конденсаторов С16— С26. Диод VD1 предотвращает зарядку конденсаторов выходным током элемента DD1.4. Ток, протекающий через резисторы R7 и R8.1, плавно заряжает конденсатор. Разрядка конденсатора происходит через элемент DD1.4. Таким образом, на выходе генератора сформировано пилообразное напряжение развертки с высокой линейностью.
Устройство синхронизации генератора развертки выполнено в виде однокаскадного усилителя на полевом транзисторе VT3. На вход транзистора поступает сигнал с выхода делителя сигнала вертикальной развертки через разделительный конденсатор С36. Усиленный сигнал из цепи стока транзистора подается через цепь согласования VD2, R23, R14, С27 на вход задающего каскада генератора импульсов. При появлении положительного импульса на входе транзистора VT1 конденсатор цепи обратной связи генератора приобретает дополнительный заряд. При этом ускоряется процесс переключения генератора и он начинает работать синхронно с исследуемым устройством.
Рассмотрим схему включения осциллографической трубки VL1. Она представляет собой цепи делителей, с которых поданы напряжения, необходимые для работы трубки. В ее питании участвуют два источника высокого напряжения: -290 В и +220 В. Катод трубки подключен к источнику -290 В через цепи регулирования яркости резистором R16. Фокусировка луча производится по первому аноду трубки подачей напряжения с переменного резистора R10. Второй анод трубки запитан от источника +220 В через делитель на резисторах R3 и R6, который обеспечивает напряжение около +115 В по отношению к корпусу прибора. В результате разность потенциалов между вторым анодом и катодом достигает 400 В, что вполне достаточно для нормальной работы трубки 5ЛО38И. Подключение второго анода к делителю вызвано необходимостью свести к минимуму разность напряжений между этим анодом и отклоняющими пластинами. Невыполнение этого условия приведет к сильной расфокусировке луча у границ экрана трубки и соответственно «размыванию изображения». Переменные резисторы R2 и R5 обеспечивают регулировку места расположения изображения на экране трубки по вертикали и по горизонтали, изменяя разность потенциалов между противоположными отклоняющими пластинами кинескопа.
Основную функцию в устройстве гашения обратного хода луча трубки выполняет выключатель, выполненный на транзисторе VT4. Его коллектор через разделительный конденсатор С29 соединен с модулятором кинескопа. С выхода элемента DD1.3 импульсы поступают через делитель напряжения на резисторах R29 и R30 на вход транзистора VT4. При открывании транзистора на модуляторе кинескопа возникает дополнительное напряжение, надежно перекрывающее поток электронов, и на экране исчезает обратный ход луча. Резисторы R29, R30 сводят к минимуму напряжение на базе транзистора VT4 в момент, когда на выходе элемента DD1.3 будет логический ноль. Это необходимо для более надежного закрывания транзистора.
Входной аттенюатор состоит из делителя на резисторах R32, R33, R37 и усилителя постоянного тока на микросхеме DA1.1. Изменение пределов измерения напряжения производят переключателем SA3. На схеме конденсаторы СЗЗ и С35 обозначены как подборные. Их можно вообще не устанавливать. Но если вы хотите повысить точность измерений переменного напряжения, установить их следует, подобрав опытным путем. Это можно сделать, подав на вход осциллографа переменный сигнал с заведомо известной амплитудой. Переключатель SA2 позволяет подключать прибор к исследуемому устройству напрямую (открытый вход) или через разделительный конденсатор С32. Таким образом, можно выбрать режим измерения «постоянное и переменное напряжение» (контакты замкнуты) или только «переменное напряжение». Второй режим удобен для наблюдения изображений переменного напряжения, наложенного на довольно высокое постоянное (пульсации источников питания и т. п.). Режим «постоянное и переменное» очень удобно использовать для наблюдения переходных процессов в ключевых устройствах. При изготовлении этого узла особое внимание обратите на экранирование входных цепей. Если статическая защита входа операционного усилителя будет недостаточной при включении предела измерения 50 мВ/дел на экране может появиться изображение переходных процессов, происходящих в узлах самого осциллографа.
Блок питания формирует несколько значений напряжения, необходимых для работы осциллографа. Сетевое напряжение преобразовано трансформатором Т2, затем выпрямительный мост на диодах VD8—VD11 формирует постоянное напряжение +8 В, а из него микросхемный стабилизатор DA2 доводит его до +5 В, конденсаторы С40 и С43 — сглаживающие. Обмотка с напряжением -6,3 В питает нити накала трубки и радиолампы.
Получение высокого напряжения осуществлено дополнительным импульсным преобразователем. Он представляет собой простой однотактный транзисторный генератор с частотой около 16 кГц. Напряжение с микросхемного стабилизатора на DA2 через фильтр L1C42C44, необходимый для предотвращения проникновения пульсаций от генератора в цепи питания остальных узлов, поступает на устройство, выполненное на транзисторе VT5 и трансформаторе Т1. Нагрузкой транзистора является обмотка I трансформатора, обмотка II выполняет функцию обратной связи. Одним из обязательных условий работы такого генератора является наличие на базе транзистора VT5 напряжения смещения.
Стабилизатор преобразователя состоит из компаратора на микросхеме DA1.2 и управляемой нагрузки на транзисторе VT6. Это устройство по принципу работы напоминает обычный стабилитрон. Важные отличия от стабилитрона — возможность регулирования напряжения и тока стабилизации. Напряжение стабилизации следует установить подстроечным резистором R47. Максимальный ток стабилизации можно регулировать подбором резистора R40. Напряжение -5 В использовано только для питания микросхемы DA1.
Трансформатор питания Т2. В качестве магнитопровода и первичной обмотки можно использовать уже готовый трансформатор ТВК-110ЛМ от лампового телевизора. Вторичные обмотки придется намотать самостоятельно, они одинаковые — выполнены проводом ПЭВ-2 диаметром около 0,6 мм и имеют по 110 витков. Трансформатор Т1 выполнен на кольцевом магнитопроводе К28х16х9 из феррита М2000НМ, обмотки I и II выполнены проводом ПЭВ-2 0,5 и имеют соответственно 14 и 4 витка, обмотки III и IV — проводом ПЭВ-2 0,25, число витков 200 и 300, обмотка V имеет 18 витков, намотанных проводом ПЭВ-2 0,35. При изготовлении этого трансформатора следует уделить внимание изолированию «высоковольтных» обмоток между собой и от других. В качестве изолирующего материала можно использовать конденсаторную бумагу. Обмотки III—V выполнены способом «виток к витку», а I и II равномерно распределены по магнитопроводу. Сначала следует намотать обмотки III и IV, затем V. В последнюю очередь укладывают обмотки I и II. При таком порядке намотки будет легче, в случае необходимости, изменить число витков обмоток I или II. Перед намоткой трансформатора оберните ферритовое кольцо слоем изолирующего материала. Для того чтобы преобразователь не влиял на работу других устройств, его элементы желательно разместить компактно и по возможности полностью поместить в металлический экран, который соединить с общей шиной питания. Катушка сглаживающего фильтра L1 намотана проводом ПЭВ-2 0,6 до заполнения магнитопровода К20х12х5 из феррита М2000НМ.
В «высоковольтных» цепях прибора лучше использовать полистироловые конденсаторы. Конденсаторы генератора развертки должны иметь как можно меньший ТКЕ. Парные конденсаторы для одной длительности развертки (С5 и С16, … С15 и С26) обязательно должны быть одного типа. Значения их номиналов приведены в таблице.
Примененные в приборе детали можно заменить на соответствующие аналоги. Микросхему К157УД2 можно заменить любым сдвоенным операционным усилителем. Главное требование — нормальная работа от источника 5 В (двуполярного). Применение более высокочастотного ОУ благоприятно отразится на работе прибора. Микросхему КР142ЕН5В можно заменить на К142ЕН5А или зарубежный аналог. Диоды 1 N4004 заменимы любыми с прямым током не менее 0,5 А и обратным напряжением не менее 20 В — подойдут Д226, КД105, КД102 или диодные сборки КЦ404, КЦ405. Транзистор МП39А заменим на МП13, МП15, МП40—МП42. Вместо транзистора МП38А подойдет МП35 или МП37.
Для регулировки прибора нужно иметь мультиметр и частотомер с пределом измерения выше 25 кГц. Если вы захотите откалибровать свой прибор, понадобится еще и промышленный осциллограф.
Регулировку следует начать с проверки работоспособности источника питания. Вначале надо измерить напряжение на конденсаторе С43 и после микросхемного стабилизатора на микросхеме DA2. Затем проверяют работу «высоковольтного» преобразователя.
При налаживании преобразователя следует помнить, что его нельзя включать без нагрузки. Сам блок питания в сборе, установленный в номинальный режим, не боится отсутствия нагрузки. От выхода из строя его спасет стабилизатор. Но пока стабилизатор не отрегулирован, подключите к выходу источника +220 В резистор сопротивлением 200 кОм (0,5 Вт) и отключите все потребители тока от преобразователя.
Налаживание преобразователя начинайте с проверки работы генератора. Его работоспособность можно определить по наличию напряжения на выходе одного из выпрямителей. Если генератор не запустился, поменяйте местами выводы обмотки I. Если генератор возбуждается с перебоями, следует уменьшить число витков обмотки I или подобрать резистор R38. Обеспечив надежный запуск преобразователя, отрегулируйте выходное напряжение источников. На рабочую частоту и выходное напряжение преобразователя в большей степени влияет число витков обмотки II. Замерьте напряжение на нагрузке. Оно должно быть около +240 В или чуть больше. При несоответствии напряжения, увеличьте число витков обмотки II. Затем подключите и отрегулируйте стабилизатор.
Единственное требование при этом — перед первым включением установите движок подстроечного резистора R47 в среднее положение. После включения необходимо вращением движка этого резистора установить +220 В на выходе преобразователя. Затем следует проверить напряжение на коллекторе транзистора VT6. Оно не должно быть менее +160 В. Если напряжение ниже этого значения, замените резистор R40 на другой, меньшего сопротивления. Затем измерьте напряжение на выходе источника +220 В (оно не должно измениться) и на коллекторе VT6 (оно увеличится).
После регулировки стабилизатора отключите нагрузочный резистор. Теперь блок питания готов к работе. Некоторая особенность стабилизатора состоит в том, что он удерживает стабильным напряжение не только на источнике +220 В, но и на источнике -290 В. Это происходит потому, что аналог стабилитрона подключен непосредственно к выходу диодного моста и удерживает напряжение непосредственно на обмотке III трансформатора Т1.
Налаживание генератора развертки состоит в подборе парных конденсаторов. Длительность развертки в таблице указана для нанесения надписей на переднюю панель осциллографа. Она измерена при положении движков резисторов R8.1 и R8.2 в верхнем по схеме положении. Для контроля настройки частоты генератора подключите к выходу синхроимпульсов (вывод 6 микросхемы DD1.2) частотомер. Затем подберите конденсаторы С5— С15 так, чтобы генератор полностью перекрыл диапазон 25 Гц…25 кГц, то есть переключением диапазонов переключателем SA1 и вращением движка резисторов R8 можно будет выбрать любую частоту в указанном спектре. Подбором конденсаторов С16—С26 регулируют амплитуду пилообразного напряжения генератора горизонтальной развертки. Амплитуду пилы следует регулировать в последнюю очередь. От ее значения будет зависеть размер изображения по горизонтали. Не стоит менять емкость в очень больших пределах — это может привести к искажению формы пилы. Искаженная пила вызовет появление на краях светящейся полосы яркого пятна (рис. 2,а), а при подаче на вход осциллографа переменного напряжения — появление вертикальной полосы на краю изображения (рис. 2,6). О правильной работе генератора развертки будет свидетельствовать равномерно светящаяся горизонтальная полоса на экране трубки. Линейность развертки можно легко проверить, подав на вход осциллографа синусоидальный сигнал с частотой, в несколько раз превышающей частоту генератора развертки. Если напряжение развертки достаточно линейно, на экране появится синусоида (рис. 2,в). Если пила сильно искажена, синусоида у одного края экрана будет растянута, а у другого сжата (рис. 2,г).
При регулировке узла вертикального отклонения следует измерить напряжение на аноде правой по схеме половины лампы. Оно должно быть примерно равно половине питающего напряжения. Примененная лампа 6Н2П обеспечивает отклонение луча от центра почти до границы экрана трубки при подаче на управляющую сетку напряжения примерно 1 В.
Налаживание узла синхронизации состоит в регулировке режима транзистора VT3 по постоянному току. Измерьте напряжение на его стоке. Оно должно быть примерно равно половине питающего напряжения. Если напряжение сильно отличается от требуемого, измените в небольших пределах сопротивление резистора R27.
Проконтролировать работу устройства гашения очень просто. Для этого установите максимальную частоту генератора развертки, переключатель SA3 в положение «0,5 В/дел.», замкните контакты выключателя SA2 и соедините вход осциллографа с базой транзистора VT4. При нормальной работе устройства гашения на экране кинескопа не произойдет никаких изменений. Затем отключите конденсатор С29 от модулятора. После этого на экране над светящейся полосой должно появиться изображение импульса амплитудой около 0,7 В (рис. 2,д).
Последний штрих в регулировке — нанесение шкалы на экран трубки. Для этого понадобятся линейка, обычная авторучка (желательно с черной пастой) и листок тонкого полиэтилена. Нарисуйте на полиэтилене сетку с квадратными ячейками. Чтобы определить длину стороны ячейки, подайте на вывод 7 лампы 6Н2П постоянное напряжение 0,5 В и измерьте расстояние, на которое отклонится луч. Оно будет примерно равно 1 см. Приложите изготовленную полиэтиленовую пленку с сеткой к экрану кинескопа так, чтобы в центре оказалось перекрестие линий. После этого прижмите пленку капроновым кольцом. Нанесенная сетка разобьет экран на 16 квадратов (рис. 2 е) Закончив изготовление шкалы, подберите емкости конденсаторов С16 — С26 так, чтобы светящаяся горизонтальная полоса на экране прибора занимала четыре деления.
Корпус прибора лучше всего изготовить из металла. Я разместил прибор в корпусе от заводского зарядного устройства для автомобильных батарей аккумуляторов. При подключении осциллографа к устройствам, гальванически не развязанным с питающей сетью 220 В, будьте осторожны, так как на корпусе прибора может появиться высокое напряжение!!!
П. ВЕНДЕРЕВСКИЙ, г. Новосибирск
«Радио» №4 2004г.
