Схема. Малогабаритный двухлучевой осциллограф-мультиметр
Просматривая журналы «Радио», не нашел ни одного устройства, использующего жидкокристаллические графические индикаторы. Поэтому я предлагаю свою разработку в качестве основы (базового блока) для использования ее в различных радиолюбительских конструкциях. Хочу сразу предупредить, что этот осциллограф создавался не как готовый измерительный прибор, а как устройство, позволяющее продемонстрировать основные возможности совместного использования микроконтроллеров и графических индикаторов. Этим и можно объяснить отсутствие в программе микроконтроллера сервисных функций, таких как индикация режима работы, размерности измеряемых величин пережима курсорных измерений. Надеюсь, что публикация этой разработки послужит толчком для создания радиолюбителями целого ряда оригинальных и полезных конструкций.
Технические характеристики
Чувствительность каналов вертикального отклонения на весь экран при входном делителе в положении «х1» и режиме усиления программной регулировки «х1» (10 мВ между точками экрана), мВ ………………….640
Режимы программной регулировки усиления («электронная лупа»)…..х0,25 (режим 0) Х0,5 (режим 1) х1 (режим 2)
Пуск развертки……ручной или внешним сигналом положительной полярности уровня TTL
Длительность развертки (в соответствии с таблицей), с…………0,005…500
Диапазоны измерения сопротивлений, Ом ………………………… х100, х10, х1
Диапазоны измерения емкостей, мкФ…………………………………х0,01, х0,1, х1
Интервал измеряемых напряжений (с учетом делителей), В ……..(0…63)·10-3
Число индицируемых разрядов в режиме измерения напряжения ……………….2
Источник питания (аккумулятор), В …………………………………..3,6
Потребляемый ток (без подсветки), мА………………………………..40
Габариты, мм ……………………………………………………………….135x90x30
Основная часть схемы осциллографа приведена на рис. 1. Она содержит два идентичных усилителя А1 и А2, собранных на сдвоенном операционном усилителе DA1, микроконтроллер DD1, измеритель R, С (A3). В качестве индикатора использован жидкокристаллический модуль с разрешением 128×64 точек типа МТ12864А-1 со встроенным контроллером и драйвером питания (-8 В) ЖКИ [1]. Резистор 1R6 (2R6) предназначен для смещения «лучей», сдвоенный переключатель 1SA1 (2SA1) устанавливает усиление операционного усилителя DA1.
Входной делитель конструктивно собран на малогабаритном разъеме 1XS—1XS5 (2XS —2XS5). Сигналы с выходов устройств А1, А2 и A3 поданы на входы RAO, RA1 и RA3 микроконтроллера DD1, сконфигурированные как аналоговые входы АЦП. Выключатель SA1 служит для включения подсветки ЖКИ. Переключатель SA2 устанавливает режим работы «осциллограф — мультиметр». Кнопка SB1 — «Пуск», развертка в режиме осциллографа или измерение «R» в режиме мультиметра. Кнопка SB2 — «CLS», очистка экрана. Кнопка SB3 — «kY», программная установка усиления по оси Y в режиме осциллографа или измерение «С» в режиме мультиметра. Кнопка SB4 — «kX», установка скорости развертки. Внешний сигнал для запуска развертки («Пуск») должен иметь положительную полярность с уровнем TTL, его подают через входные гнезда XS1 и XS2 на транзистор VT1.
Поскольку осциллограф работает в режиме однократного пуска развертки с дальнейшим запоминанием сигнала на экране индикатора, то при исследовании периодических сигналов отпадает необходимость использования синхронизации, что значительно упрощает схему. Через резистор R4 подано питание (около -8 В) на ЖКИ. Подбором сопротивления этого резистора устанавливают контрастность изображения на индикаторе.
Порт С (выходы RC0—RC7) микроконтроллера используют для передачи данных на индикатор. К выходам RB0— RB4 программно подключены внутренние «подтягивающие» резисторы.
При работе в режиме осциллографа микроконтроллер DD1 поочередно оцифровывает сигнал с выходов усилителей А1 и А2 (каналы 1 и 2) и включает соответствующие им точки на индикаторе (128 точек по оси X). Для увеличения скорости развертки на первых трех режимах развертки используют только один первый канал (для этого изменен алгоритм работы микроконтроллера). Оцифрованные значения сигнала первого канала записывают в оперативную память микроконтроллера, а затем после записи всех 120 (на 8 последних не хватило ОЗУ) точек выводят на индикатор. В используемом микроконтроллере применен 10-разрядный АЦП, а в индикаторе по оси Y всего 64 точки, что соответствует 6 разрядам. Это используют для программной регулировки усиления.
Для вывода на экран выбраны восемь разрядов: в режиме 2 (х1) на экран выводят старшие шесть разрядов из восьми, в режиме 1 (х0,5) используются средние шесть разрядов, что эквивалентно увеличению чувствительности в 2 раза, в режиме 0 (х0,25) — младшие 6 разрядов, что эквивалентно увеличению усиления в 4 раза. Источник образцового напряжения АЦП программно подключен к источнику питания +4,6 В, поэтому «цена деления» АЦП равна Ucc/1024. Информацию о режимах программной регулировки усиления и времени развертки выводят в виде одноразрядного числа в верхнем левом углу индикатора при кратковременном нажатии соответствующей кнопки. Одновременно происходит переключение режимов «по кругу».
В режиме мультиметра АЦП подключают к выходу первого канала осциллографа, он периодически выводит код, соответствующий входному сигналу в виде двухразрядного числа в левой верхней части индикатора (от 0 до 63), который соответствует положению точки по оси Y в режиме осциллографа. При нажатии на кнопку SB1 (рис. 1) «Пуск/R» в центральной верх- ней части индикатора выводится трехразрядное число, соответствующее измеряемому значению сопротивления (с учетом множителя устанавливаемого переключателем 3SA1). Максимальное значение числа ограничено значением, примерно равным 800, что обусловлено ограничением напряжения на выходе источника тока, собранном на транзисторе 3VT1 (рис. 2).
Светодиод 3HL1 использован в качестве источника образцового напряжения. Резисторами 3R3—3R5 устанавливают токи источника тока в каждом диапазоне. Транзистор 3VT3 используют для разрядки измеряемого конденсатора. При нажатии на кнопку SB3 «kY/C» транзистор 3VT3 замыкает измеряемую емкость. При отпускании кнопки транзистор закрывается и напряжение на измеряемой емкости начинает увеличиваться. Микроконтроллер подсчитывает время зарядки конденсатора до напряжения 0,287 В. Это время, численно равное измеряемой емкости (с учетом множителя переключателя 3SA1), выведено в среднюю верхнюю часть индикатора и сохраняется до следующего нажатия на кнопку SB3. Поскольку напряжение на измеряемом конденсаторе не превышает 0,287 В, то в большинстве случаев можно проводить измерения, не выпаивая конденсатор из устройства.
Блок питания (рис. 3) несколько усложнен из-за желания использовать аккумуляторную батарею от сотового телефона с номинальным напряжением 3,6 В (питание индикатора 4,5…5,5 В). Преобразователь напряжения на транзисторах VT1, VT2 увеличивает напряжение питания до 5 В. Стабилизатор на транзисторах VT6— VT8 ограничивает напряжение на уровне, близком к минимально допустимому для работы индикатора — 4,6 В. Светодиод HL1 использован как источник образцового напряжения и как индикатор включения питания. Стабилизатор на транзисторах VT3—VT5 вырабатывает напряжение -0,7 В для смещения «лучей» на экране индикатора.
Для повышения скорости развертки осциллографа можно применить внешний быстродействующий АЦП с буферной памятью или использовать стробоскопический эффект [2]. Технические характеристики и команды программирования индикатора МТ12864А-1 приведены в [1]. Микроконтроллер можно заменить на PIC16F876, используя туже прошивку.
Описания этих микроконтроллеров на русском языке можно найти в ресурсах Интернета [3]. Программирование микроконтроллера и схема программатора описаны в [4].
Операционный усилитель крайне желательно использовать из серии КР1446.
Трансформатор Т1 намотан на кольце типоразмера К16x8x5 мм из феррита марки М2000НМ. Обмотка I содержит 2×65 витков с отводами от 45-го витка, считая от средней точки, провода ПЭЛШО 0,5. Обмотка II содержит 15, a III — 30 витков провода ПЭЛШО 0,1.
Корпус устройства изготовлен из фольгированного стеклотекстолита и окрашен автомобильной грунтовкой серого цвета в аэрозольной упаковке. Монтаж устройства выполнен на прямоугольной пластине размерами 130×86 мм из двусторонне фольгированного стеклотекстолита. Элементы монтажа устройства закреплены пайкой на опорных точках отдельных монтажных плат, объединенных на общей прямоугольной пластине. Для изготовления макетных плат можно взять полоски фольгированного стеклотекстолита подходящей ширины, на них (обычно по краям) прорезают шины питания. Из полученных таким способом функциональных узлов, как из кубиков, собирается готовое устройство.
Начинать регулировку следует с источников питания, так как напряжение +4,6 В использовано как образцовое для АЦП. Схему блока питания можно существенно упростить, если использовать батарею из четырех и более аккумуляторов. При этом из схемы можно будет исключить преобразователь напряжения, а отрицательное напряжение для смещения лучей можно взять с вывода 18 HG1 (около -8 В). В других модификациях индикаторов это напряжение может отсутствовать, и тогда придется делать еще один преобразователь для питания индикатора (вывод 3). Резистором R4 (см. рис. 1) подбирают требуемый контраст изображения на экране.
Калибровка осциллографа привязана к точкам на экране в расчете на то, что в будущем в программу будет введен режим курсорных измерений, без этого режима лучше использовать сетку на экране. Проще всего ее размер можно определить, записав на экран калиброванный сигнал, например меандр. При регулировке входного усилителя следует учесть, что сопротивление резистора 1R11 (2R11) влияет как на усиление операционного усилителя 1DA1 (2DA1), так и на смещение луча на экране («чувствительность» регулятора смещения 1R6 и 2R6), а резисторы 1R8—1R10 (2R8— 2R10) — только на усиление [4].
Скорость развертки можно регулировать программной задержкой между отсчетами АЦП. На первых трех «скоростных» режимах линия развертки немного укорочена справа. Это объясняется тем, что запись сигнала идет через буферное ОЗУ и памяти у PIC16F873 не хватает. При использовании PIC16F876 таких проблем не возникает, но надо подкорректировать программу (перенести часть буферной памяти из банка 0 в банк 2 или 3).
В режиме мультиметра при измерении напряжения входной сигнал проходит через делитель и операционный усилитель 1 канала (регулятор смещения должен быть выведен в ноль). АЦП позволяет увеличить точность измерения напряжения до трех разрядов, но тогда придется принять меры по устранению влияния регулятора смещения и подобрать резисторы входного делителя с соответствующей точностью. Затем по образцовым резисторам проводят калибровку в режиме измерения сопротивления резисторами 3R3—3R5 на соответствующем диапазоне, a 3R1 — общую.
Калибровку измерителя емкости производят программными задержками (если использован кварц с другой частотой).
Прилагаемые файлы: oscil.zip
ЛИТЕРАТУРА
1. www.melt.aha.ru
2. Хабаров А. Двухканальная осциллографическая приставка к ПК. — Радио. 2003. № 4, с. 23—25.
3. www.Microchip.ru
4. Фролов Д. Многопрограммный таймер — часы — термометр. — Радио, 2003, № 3, с. 18—21.
5. Путников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. — Л.: Энергоатомиздат, 1998, с. 36.
А. КИЧИГИН, г. Подольск Московской обл.
«Радио» №6 2004г.
