Схема. Портативный цифровой осциллограф DSS-31 (1)

      Имеющиеся в радиолюбительской литературе описания цифровых осциллографов рассказывают в основном о простых приборах-индикаторах или о приставках к компьютеру. Такими приставками невозможно пользоваться без компьютера, что, несомненно, сужает область их применения. Разработанный осциллограф — самостоятельный портативный прибор с автономным питанием и широкими функциональными возможностями.

Основные технические характеристики
Максимальная частота дискретизации, МГц:
однократных сигналов ……………………………………….2
периодических сигналов……………………………………..20
Входной импеданс, МОм (пФ)……………………………….1(25)
Коэффициент отклонения ………………………………….10 мВ/дел. — 10 В/дел.
с внешним делителем напряжения 1:10…………………. до 20 В/дел.
Скорость развёртки ………………………………………….0,1 мкс/дел.— 10 с/дел
Максимальная   амплитуда исследуемого сигнала, В ….100
Число разрядов АЦП………………………………………….8
Разрешение экрана, пкс …………………………………….128×64
Число сохраняемых осциллограмм …………………………2
Выдержка до автоматического выключения, мин ……….2—60
Число   ступеней   яркости подсветки индикатора……..6
Габаритные размеры, мм …………………………………….192x101x39
Масса (без элементов питания), г………………………….250

      Полоса пропускания исследуемого сигнала изменяется в зависимости от установленного коэффициента отклонения согласно таблице. Предусмотрены автоматический, ждущий, однократный и ручной режимы запуска развёртки. Уровень запуска развёртки — регулируемый, его текущее значение показывает стрелка на индикаторе. Имеются режимы автоматического выбора скорости развёртки и коэффициента отклонения.
      Предусмотрен выход прямоугольных импульсов частотой около 1,22 кГц и размахом не менее 4 В.

      Измеряются следующие параметры исследуемого сигнала:
      — напряжение среднеквадратическое, среднее (постоянная составляющая), максимальное мгновенное, минимальное мгновенное, размах в интервале 0 мВ…1,27 кВ. Результаты выводятся на ЖКИ, занимая три десятичных разряда;
      — частота в интервале 0 Гц.. .9999 кГц. Результат выводится на ЖКИ, занимая четыре десятичных разряда;
      — период в интервале 0 мкс… 199,9 с. Результат выводится на ЖКИ, занимая четыре десятичных разряда.

      Внутренний источник питания — батарея из трёх элементов типоразмера АА (солевые или щелочные гальванические элементы, NiCd или NiMH аккумуляторы). Осциллограф автоматически выключается при снижении напряжения аккумуляторной батареи до 2,7 В или гальванической батареи до 2,2 В. Для зарядки внутренней аккумуляторной батареи стабильным током 100 мА рекомендуется подключить к осциллографу внешний источник напряжением 5,8±0,2 В. При работе осциллографа от внешнего источника его напряжение может находиться в пределах 3…6 В.

      Потребляемый от внутреннего или внешнего источника питания ток зависит, как показано на рис. 1, от напряжения этого источника и от типа подсветки индикатора осциллографа. В дежурном режиме потребляемый ток не превышает 25 мкА или 6 мкА, если вместо микросхемы МАХ756 используется NCP1400.
      Все нажатия на кнопки управления осциллографом сопровождаются звуковыми сигналами регулируемой громкости. Для соединения прибора с компьютером имеется USB-порт с гальванической развязкой.

      Схема входных аналоговых цепей осциллографа показана на рис. 2, аналого-цифрового преобразователя, соединённого с микроконтроллером, который обрабатывает информацию, выводит её на ЖКИ и управляет прибором, — на рис. 3, а узла питания — на рис. 4.
      С входного разъёма XW1 исследуемый сигнал через защитный резистор R8 поступает на частотно-компенсированный делитель напряжения, выполненный на резисторах R1—R5, конденсаторах С1, С2, С4—С6, реле К1 и селекторе-мультиплексоре DD1 (CD74HC4052M). Чтобы уменьшить потребляемый ток, применено реле К1 с двумя устойчивыми состояниями (дистанционный переключатель). Выключателем SA1 переключают режимы открытого и закрытого входов.

      При показанном на схеме положении контактов реле К1.1 и К1.2 делитель напряжения из тракта исследуемого сигнала исключён, а входное сопротивление осциллографа определяется в основном резистором R7. В противоположном положении контактов делитель ослабляет сигнал в 10 или в 100 раз в зависимости от состояния селектора DD1. Конденсаторы С1, С4—С6 выравнивают АЧХ делителя. Конденсатор С2 обеспечивает одинаковую входную ёмкость осциллографа при обоих положениях контактов реле. Диоды VD3 и VD4 защищают микросхему DD1 от повышенного входного напряжения.

      Управляет селектором DD1 и реле К1 микроконтроллер DD4 (ATmega32A-PU). Сформированные им на выходе РВ1 (выводе 2) импульсы высокого логического уровня длительностью около 10 мс поступают на обмотки реле К1 через усилители на транзисторах VT1 и VT2. Если на выходе РА2 (выводе 38) микроконтроллера в этот момент установлен низкий уровень, открывается только транзистор VT1, а транзистор VT2 остаётся закрытым, так как открыт диод VD10. Импульс тока, протекающего через обмотку 1-5 реле, переводит его контакты в положение, противоположное показанному на схеме. Они остаются в этом положении и по окончании импульса. Исследуемый сигнал проходит через входной делитель и селектор DD1 на усилитель, собранный на ОУ DA2 (AD8610AR) с частотой единичного усиления 25 МГц. Такому положению контактов реле соответствует коэффициент отклонения луча от 0,2 до 20 В/дел.

      Если на выводе 38 микроконтроллера в момент импульса переключения реле установлен высокий логический уровень, транзистор VT2 открывается, а транзистор VT1 остаётся закрытым благодаря открывшемуся диоду VD2. Импульс тока, протекая через обмотку 10-6 реле, переводит его контакты в показанное на схеме положение. Исследуемый сигнал, минуя делитель напряжения, проходит непосредственно на усилитель DA2. Такому положению контактов реле соответствует коэффициент отклонения от 10 до 100 мВ/дел.

      Ограничитель напряжения на резисторе R10 и диодах VD6—VD9 предназначен для защиты входа ОУ DA2 от повышенного напряжения. С помощью однотипного с DD1 селектора DD2, переключающего резисторы R21—R23, R26— R28, изменяют коэффициент усиления. Напряжение, снимаемое с параллельного стабилизатора DA1 (TL431AIL), используется для смещения рабочей точки ОУ В отсутствие исследуемого сигнала напряжение на выходе усилителя должно быть равно 1,25 В — середине допустимого интервала изменения напряжения на входе АЦП DA5 (AD7822BR). Конденсаторы С14—С16 корректируют АЧХ усилителя в высокочастотной области при разных значениях коэффициента усиления.
      
      Напряжение питания отрицательной полярности подано на ОУ DA2 через резистор R25, назначение которого — при появлении на выходе ОУ напряжения отрицательной полярности ограничить выходной ток ОУ, протекающий через резистор R37 и внутренний защитный диод АЦП DA5.
      Применённый АЦП преобразует аналоговый входной сигнал в интервале 0…2.5 В в цифровой код за 420 нс. Шина данных АЦП (DB0—DB7) может быть переведена в высокоимпедансное состояние, что позволило, объединив её с шиной данных ЖКИ HG1, вместе подключить их к порту С микроконтроллера.

      Чтобы обеспечить правильную работу осциллографа, на АЦП DA5 и на АЦП, встроенный в микроконтроллер DD4, необходимо подавать одинаковое образцовое напряжение. Однако источник этого напряжения микросхемы АЦП (2,5±0,05 В с температурным коэффициентом 50 ppm/°С) имеет недостаточную для этого нагрузочную способность. Поэтому образцовое напряжение для обоих преобразователей получено от отдельного параллельного стабилизатора DA4 (TL431BID), обеспечивающего точность и температурную стабильность не хуже, чем встроенный источник образцового напряжения микросхемы DA5.
      
      Компаратор напряжения DA3 (MAX987EUK-T) имеет двухтактный выход, сквозную задержку сигнала 120 не и потребляемый ток 48 мкА. Он формирует из исследуемого сигнала импульсы с крутыми перепадами, используемые для синхронизации развёртки осциллографа. Резисторы R36 и R38 создают в характеристике переключения компаратора гистерезис, необходимый для работы с медленно изменяющимися зашумлёнными сигналами. Сделать это, используя компаратор, встроенный в микроконтроллер, невозможно, поскольку в применённом микроконтроллере выход компаратора не имеет внешнего вывода.

      Уровень синхронизации (срабатывания компаратора) регулируют переменным резистором R35, также подключённым к источнику образцового напряжения на параллельном стабилизаторе DA4. Это позволяет, измеряя напряжение на движке переменного резистора с помощью АЦП микроконтроллера, точно отображать уровень синхронизации на экране в привязке к исследуемому сигналу.
      Тактовый генератор микроконтроллера DD4 работает с кварцевым резонатором ZQ1 на частоту 20 МГц. Согласно справочным данным, максимальная тактовая частота применённого микроконтроллера — 16 МГц, но практика показала, что встроенный тактовый генератор запускается, а сам микроконтроллер устойчиво работает и на частоте 20 МГц (один такт — 50 не), причём ток потребления возрастает незначительно.
      
      Выходное напряжение компаратора DA3 поступает на линию РВ2 (вывод 3) микроконтроллера, которая в зависимости от выбранного режима синхронизации конфигурируется либо как вход запроса внешнего прерывания, либо (в однократном режиме развёртки для организации отдельного запроса прерывания программы микроконтроллера) как неинвертирующий вход внутреннего компаратора. Для нормальной работы внутреннего компаратора на его инвертирующий вход (линию РВЗ) подано через резисторы R44 и R45 образцовое напряжение от стабилизатора DA4.

      Второе назначение линии РВЗ — формирование звуковых сигналов. На время подачи такого сигнала она конфигурируется как выход. Чтобы звуковой излучатель НА1 не мешал подаче постоянного образцового напряжения на вход РВЗ, последовательно с излучателем включён конденсатор С38.
      Выход PD7 (вывод 21) микроконтроллера выполняет четыре функции. Во-первых, через ограничительный резистор R46 с него на гнездо Х2 поступают прямоугольные импульсы, предназначенные для калибровки щупа с делителем 1:10.

      Во-вторых, постоянная составляющая формируемых здесь микроконтроллером ШИМ импульсов, выделенная фильтром R47C35, поступает на преобразователь напряжение—ток. Выходная цепь параллельного стабилизатора DA6 (TL431ACZ) открывается лишь при напряжении между его управляющим входом и условным анодом (выводом 2), превышающем 2,5 В. Если скважность импульсов более 2, эта цепь разомкнута, транзистор VT4 закрыт, ток через светодиоды подсветки ЖКИ HG1 не протекает. С уменьшением скважности напряжение на управляющем входе стабилизатора возрастает, и если оно превышает 2,5 В, через светодиоды подсветки течёт ток, создавая падение напряжения на резисторе обратной связи R48. Благодаря этой связи значение тока подсветки равно:

где Uупр — напряжение на управляющем электроде; Uобр=2,5 В — пороговое (образцовое) напряжение стабилизатора TL431ACZ. Таким образом, изменяя программным путём скважность импульсов на выходе PD7, можно регулировать яркость подсветки экрана индикатора.

      Третье назначение импульсов на выходе PD7 — удержание осциллографа во включённом состоянии. Эти импульсы поступают на выпрямитель на диоде VD19, выходным напряжением которого обеспечивается включённое состояние микросхем DAT, DA8 узла питания осциллографа. Если программа, прекратив генерировать импульсы на выходе PD7, установила здесь постоянный низкий уровень, конденсатор С52 разрядится через резистор R66 и напряжение, разрешающее работу микросхем, исчезнет. Обе они перейдут в выключенное состояние.

      В-четвёртых, импульсы с выхода PD7 тактируют восьмиразрядный таймер-счётчик Т0 микроконтроллера, используемый программой как системный таймер. Если подавать на этот счётчик импульсы частотой 20 МГц от тактового генератора микроконтроллера, то даже при коэффициенте пересчёта предварительного делителя, равном 1024 (максимально возможном), частота запросов прерывания, формируемых при переполнениях счётчика, была бы равна 20000000/1024/256=76,29 Гц (период — 13,1 мс). Подав на вывод 1 (РВ0) микроконтроллера, служащий для этого таймера входом внешнего тактового сигнала, импульсы частотой 1,22 кГц с выхода PD7 микроконтроллера, удалось организовать запросы прерывания с необходимым для работы осциллографа периодом 0,2 с.

      В качестве HG1 применён графический ЖКИ WG12864A-YGH с встроенным контроллером, совместимым с KS107, разрешением экрана 128×64 пкс, его светодиодной подсветкой и встроенным источником отрицательного напряжения, необходимого для установки нужной контрастности изображения.
      На микросхеме DD3 (FT232RL) собран адаптер интерфейса USB. Информация о снятых осциллограммах, выводимая UART микроконтроллера на выход TXD (PD1, вывод 15), по этому интерфейсу может быть передана в компьютер. Благодаря оптрону U1 адаптер USB электрически изолирован от всех других цепей осциллографа. А питается микросхема DD3 напряжением 5 В, поступающим от компьютера на контакты 1 (Vbus) и 5 (GND) USB-разъёма Х1.
      Узел питания осциллографа содержит импульсный повышающий преобразователь напряжения на микросхеме DA7 (MAX756CSA или NCP1400ASN50T1) и линейный стабилизатор напряжения DA8 (REG101UA-5).

      Повышающий импульсный преобразователь напряжения DAT MAX756CSA включён на выходное напряжение 5 В, при котором он способен отдавать в нагрузку ток до 200 мА. Преобразователь включается подачей на вход SHDN (вывод 1) напряжения более 1,6 В. Это напряжение поступает с выхода встроенного детектора понижения напряжения питания LB0 (вывода 4). На вход детектора LBI (вывод 5) через резистор R54 подано входное напряжение преобразователя. При указанном на схеме номинале этого резистора преобразователь начинает работать при входном напряжении 2 В.

      Вместо MAX756CSA может быть использована более дешёвая микросхема NCP1400ASN50T1, обеспечивающая выходное напряжение 5 В при токе нагрузки до 100 мА. Фильтр L14C60C62 на входе преобразователя служит для устранения проникновения высокочастотных помех во внешний источник питания осциллографа.
      Микросхема REG101UA-5 представляет собой линейный стабилизатор напряжения 5В ±1,5 % с допустимым током нагрузки до 100 мА и низким минимальным падением напряжения (60 мВ при этом токе). В нём предусмотрена возможность включения и выключения изменением напряжения на выводе 5 (EN). Включённому состоянию соответствует напряжение более 1,8 В на этом выводе.

      Стабилизатор включён по схеме, отличающейся от типовой тем, что к выводу 3 (NR) микросхемы параллельно конденсатору С57 подключён резистор R67. Совместно с встроенным в микросхему резистором он образует делитель образцового напряжения, подаваемого на внутренний узел его сравнения с выходным. Подбирая резистор R67, можно уменьшить напряжение стабилизации до требуемого значения. В данном случае оно установлено равным 4,75 В — это компромисс между минимальным напряжением питания микроконтроллера при максимальной тактовой частоте (4,5 В) и необходимым превышением входного напряжения стабилизатора REG101UA-5 над выходным.

      На вход стабилизатора DA8 напряжение с импульсного преобразователя DA7 поступает через фильтр L9C47C49, а в цепь питания ЖКИ — через фильтр L11С50С51.
      Элементы VT8, VD15, VD16, VD18, С54, R63—R65, SB7 предназначены для ручного включения и выключения осциллографа. В исходном выключенном состоянии напряжение питания поступает на вывод 8 (LX) преобразователя DA7 (через переключатель SA2, самовосстанавливающийся предохранитель F1, дроссели L6, L14) и на выводы 7, 8 (IN) стабилизатора DA8 (через те же элементы, диод VD14 и дроссель L9). На выводе 1 (SHDN) преобразователя DA7 и выводе 5 (EN) стабилизатора DA8 в этом состоянии напряжение нулевое, поэтому обе микросхемы выключены. Транзистор VT8 закрыт, так как резистор R63 уравнивает потенциалы его затвора и истока.

      При нажатии на кнопку SB7 «Вкл./Выкл.» напряжение между затвором и истоком транзистора VT8 увеличивается практически до напряжения батареи GB1 или внешнего источника (в зависимости от положения переключателя SA2). Транзистор открывается. Происходит зарядка конденсаторов С52 и С54 через открытый транзистор VT8, диод VD15 и резистор R62. По достижении на конденсаторе С52 напряжения включения микросхем DA7, DA8 на выходе стабилизатора DA8 появляется напряжение +4,75 В, начинает работать микроконтроллер DD4. На его выводе 21 (PD7) появляются импульсы, которые через диод VD19 и резистор R68 заряжают конденсатор С52 до напряжения около +4 В.

    Теперь кнопку SB7 «Вкл./Выкл.» можно отпустить. При этом транзистор VT8 закроется, а конденсатор С54 разрядится через диод VD16 и резистор R65. Диод VD15 закроется положительным напряжением на катоде. Цепь включения не будет влиять на дальнейшую работу узла питания.
      Чтобы выключить осциллограф, необходимо снова нажать на кнопку SB7 «Вкл./Выкл.». При этом на катоде диода VD18 будет установлено нулевое напряжение, что вызовет запрос прерывания программы микроконтроллера по спаду уровня на его выводе 17 (РD3). Обрабатывая его, микроконтроллер установит низкий уровень напряжения на выводе 21 (PD7). Импульс тока зарядки конденсатора С52 по цепи VT8, С54, VD15, R62 в этом случае также возникнет, однако по его окончании конденсатор С52 перестанет подзаряжаться импульсами, генерируемыми микроконтроллером, и начнёт разряжаться через резистор R66.

      Как только напряжение на конденсаторе С52 упадёт ниже порога включения микросхем DA7, DA8, они перейдут в выключенное состояние. Микроконтроллер прекратит работу. После этого основная доля тока, потребляемого осциллографом, придётся на микросхему DA7 (около 25 мкА для MAX756CSA или 6 мкА для NCP1400ASN50T1).
      При входном напряжении более 5 В преобразователь DA7 автоматически прекращает работать, но через дроссель L6 и диод VD14 это напряжение поступает на вход стабилизатора DA8 Максимальное входное напряжение не должно превышать 7 В для MAX756CSA или 6В для NCP1400ASN50T1, иначе возможен выход этих микросхем из строя.

      Переключатель SA2 позволяет выбирать между внутренним (три гальванических элемента или аккумулятора типоразмера АА) и внешним, подключённым к разъёму ХЗ, источниками питания. Так как в режиме внешнего питания внутренняя батарея GB1 отключена полностью, ток от неё не потребляется. Поэтому элементы питания из прибора можно не вынимать. Такое положение переключателя SA2 удобно для транспортировки осциллографа, случайное нажатие на кнопку SB7 «Вкл./Выкл.» не приведёт к его включению и разрядке батареи питания.

      При подключении к разъёму ХЗ внешнего источника питания зажигается светодиод HL1 зелёного цвета свечения. Напряжение поступает в цепь питания осциллографа через диод VD13 и замкнутые контакты переключателя SA2. Предусмотрена возможность выбрать назначение контактов разъёма ХЗ, соответствующее вставляемому в него штекеру внешнего источника. При установленных перемычках S1 и S4 внутренний контакт разъёма — плюсовой, а внешний — минусовый. Если, сняв эти перемычки, установить S2 и S3, внутренний контакт станет минусовым, а внешний — плюсовым.

      Когда внутренний источник питания — аккумуляторная батарея, то при переключателе SA2 в положении «Питание внутр.» можно заряжать батарею от внешнего источника через диод VD13 и стабилизатор тока на транзисторах VT6 и VT7. Транзистор VT5 и светодиод HL2 красного цвета свечения образуют узел сигнализации об идущей зарядке (при протекании зарядного тока светодиод HL2 включён).
      Ток зарядки стабилизируется при превышающей 0,7 В разности напряжения внешнего источника питания и аккумуляторной батареи. Значение этого тока (приблизительно 100 мА) определяется сопротивлением резистора R58 Продолжительность зарядки батареи ёмкостью 1000 мА·ч — 14…16 ч. По истечении необходимого времени процесс зарядки следует прервать вручную.

      Рекомендуется пользоваться NiCd аккумуляторами, так как по мере разрядки батареи и уменьшения её напряжения ток, потребляемый импульсным повышающим преобразователем напряжения, растёт. При максимальной яркости подсветки он может достигать 300 мА. NiMH аккумуляторы имеют большее внутреннее сопротивление и хуже отдают большой ток. Кроме того, они имеют больший саморазряд и меньший срок эксплуатации [1].
      Для защиты осциллографа от подачи напряжения питания в неправильной полярности и от превышения напряжения служат диод VD13, пятиваттный стабилитрон VD17 и самовосстанавливающийся предохранитель F1.

Продолжение —   www.radioelectronika.ru/?mod=cxemi&sub_mod=full_cxema&id=777
www.radioelectronika.ru/?mod=cxemi&sub_mod=full_cxema&id=778
www.radioelectronika.ru/?mod=cxemi&sub_mod=full_cxema&id=779

ЛИТЕРАТУРА
1. Хрусталёв Д. А. Аккумуляторы. — М.: Изумруд, 2003.

С. САМОЙЛОВ, г. Харьков, Украина
«Радио» №1 2012

Похожие статьи:
Портативный цифровой осциллограф DSS-31 (2)
Портативный цифровой осциллограф DSS-31 (3)
Портативный цифровой осциллограф DSS-31 (4)