Осциллограф на светодиодах своими руками схемы

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 09.09.2024

Нет смысла спорить о том, насколько необходим радиолюбителю осциллограф, но приобретение такого прибора для многих из нас проблематично. Можно сделать осциллограф самостоятельно. Конечно, высокочастотный промышленный образец повторить в домашних условиях будет трудно, так как для его налаживания необходимы специальные приборы.

Но, если вам нужен осциллограф только для изучения процессов в логических схемах и устройствах, частоты в которых не превышают 5 МГц, то можно обойтись и предельно упрощенным прибором.

Здесь описывается простой самодельный импульсный осциллограф, при помощи которого можно исследовать процессы в цепях постоянного, импульсного и переменного тока. Причем осциллограф имеет два входа вертикального отклонения, на первом (Х2) исследование постоянного тока, импульсного и переменного возможно только на пределах чувствительности от 0,5В / деление, до 50V / деление, а на втором (Х2) чувствительность выше, и достигает 30mV / деление, но этот вход только для переменного тока.

Таким образом, Х1 - вход при помощи которого можно исследовать предварительные УНЧ и другие устройства, в цепях которых малые переменные напряжения, а Х2 - вход для работы с логическими схемами, узлами разверток телевизоров, и другими цепями, в которых относительно высокие напряжения и бывает нужно видеть и переменную и постоянную составляющую одновременно.

Принципиальная схема

Выходной каскад вертикального отклонения заимствован из Л.1. Он выполнен на электронной лампе - триоде. Достоинство каскада в том, что при отсутствии входного сигнала напряжение на сетке Н1.2 равно нулю.

Это позволяет подавать на сетку триода сигнал без разделительного конденсатора, а значит, и постоянное напряжение то же. Для того чтобы получить нуль на сетке, на катод триода Н1.2 подано небольшое постоянное напряжение 1,5V, стабилизированное светодиодом Hl1, работающем здесь как стабистор.

Рис. 1. Схема осциллографа.

Обычно, выходные каскады осциллографов строятся по дифференциальным схемам, но здесь используется обычный усилительный каскад на Н1.2. Вертикальные отклоняюшие пластины лучевой трубки VL1 включены между анодом Н1.2 (+130V) и делителем напряжения на резисторе R40. Установив этим резистором' напряжение на второй вертикальной пластине VL1 равное напряжению на аноде Н1.2 мы установим горизонтальную линию на экране осциллографа в середину экрана. Резистором R40 можно её перемещать.

Второй триод лампы Н1.1 служит предварительным усилителем переменного напряжения, поступающего на вход Х1. Узел горизонтальной развертки выполнен на транзисторах УТ1-УТ4. На транзисторах VT1 и VT2 выполнен мультивибратор. Сигнал синхронизации на него поступает с анода Н1.2 через цепь С6-R20-R21-С7-R22. Резистором R21 можно регулировать уровень синхронизации или вообще отключить синхронизацию переведя его в нижнее (по схеме) положение.

Когда VT1 закрыт, а VT2 открыт, выбранный конденсатор (С10-С18) быстро заряжается через R25 и VT2. Напряжение на эмиттере VT2, при этом, приближается к напряжению на коллекторе VT1, и VT2 закрывается, а на его коллекторе устанавливается напряжение около 260V.

Напряжение на конденсаторе (С10-С18) линейно убывает, и как только достигнет значения ниже напряжения на коллекторе открытого транзистора VT1, происходит быстрая зарядка конденсатора (С10-С18) через VT2 и R6. Весь цикл повторяется. Так образуется пилообразное напряжение горизонтальном развертки.

Частота этого напряжения зависит от параметров (RC-цепи, то есть, от того какой из конденсаторов С10-С18 выбран и от того в каком положении находится R30, управляющим источником тока на УТ4.

На горизонтальные пластины пилообразное напряжение развертки поступает через эмиттерный повторитель Т3 и разделительный конденсатор С20. Подстроечный резистор R27 служит для регулировки размаха этого напряжения (длина горизонтальной линии). Поскольку среднее напряжение на пластинах горизонтального и вертикального отклонения (когда точка в центре экрана) должно быть примерно равным напряжению на второй сетке лучевой трубки, то на пластинах горизонтального отколонения создается напряжение смещения около 130V при помощи делителя R15-R16.

Центровка по горизонтали - переменным резистором R39. Для нормальной работы лучевой трубки требуется подача переменного напряжения около 6,3V на накальную цепь, подача открывающего напряжения на модулятор (вывод 3), подача фокусирующего напряжения на первую сетку (вывод 4), подача напряжения около (-210V) на катод (вывод 2) и подача напряжения на вторую сетку (вывод 8), равное среднему напряжению на отколоняющих пластинах.

От этого напряжения (на выв. 8) зависит четкость линии по краям экрана ("Астигматизм"), которая регулируется резистором R18.

Источник питания

В данном осциллографе используется лучевая трубка 7Л055И, отличающаяся от многих других тем, что для неё необходимо подавать напряжение около +1000V на её "колбу" (на анод). Если вы используете в данном приборе другую лучевую трубку, например, 5Л038И, то источник +1000V не нужен.

Рис. 2. Схема источника питания для осциллографа.

Источник питания осциллографа несколько необычен. Дело в том, что чтобы не изготавливать трансформатор с высоковольтной вторичной обмоткой были использованы два более доступных готовых трансформатора с низковольтными обмотками, включенные, как бы, встречно. Трансформатор Т2 работает понижающим, а трансформатор Т1 - повышающим.

Напряжение +1000V получено простым диодным умножителем.

Следует, однако, заметить что такой источник питания обладает и недостатком -реальное переменное напряжение накала составляет, фактически, 5,9V. В принципе, для 7Л055И этого достаточно, но, если другая лучевая трубка будет плохо работать нужно принять меры к поднятию этого напряжения, например, путем его мостового выпрямления или использовать другой трансформатор Т2, имеющий вторичные обмотки по 6,3. 7V.

О деталях

Вместо электронно-лучевой трубки 7Л055И можно использовать многие другие, например, 5Л038И, 6Л01И, 8Л029И.

Все конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение не ниже 300V. Мощность резисторов должна быть не менее отмеченной на схеме. Переменные резисторы типа СП-1, СП-2.

Все транзисторы нужно снабдить небольшими радиаторами с площадями поверхности не менее 15 см2.

Источник питания можно сделать и по другой схеме, например, традиционной - с одним трансформатором имеющим повышающие обмотки, но такие трансформаторы сейчас трудно найти в продаже.

На экран лучевой трубки наклеена пленка с нарисованной сеткой по десять линий по горизонтали и вертикали, так что посредине экрана получается крест, а крайние линии сетки отстоят от краев экрана лучевой трубки, примерно, на 3 мм. В качестве материала для выполнения масштабной сетки используется скотч-лента, а рисунок сетки выполнен под линейку перманентной капилярной ручкой с толщиной штриха 0,3 мм.

Налаживание

Налаживая прибор нужно помнить о том, что несмотря на то, что его схема не имеет гальванической связи с электросетью, в ней есть опасные высокие напряжения 260V и 1000V.

Установите все переменные и подстроечные резисторы в средние положения. Включите прибор. Измерьте высокоомным вольтметром напряжения на выходе источника питания.

Они не должны отличаться от указанных на схеме более чем на 10%. После прогрева лучевой трубки на экране должна появиться горизонтальная линия (если линия оказалась вертикальной -значит нужно повернуть лучевую трубку или изменить подключение отколоняющих пластин).

Если линия не появилась попробуйте её "поискать" резисторами (439 и (440. Если вместо линии видно круглое пятно или точка, - это говорит о том что не работает развертка (ошибка в монтаже, неисправные детали).

Получив горизонтальную линию, резисторами R39, R40 и R27 установите её на середину экрана и растяните её на всю его ширину. Резисторами R18, R32, R33 добейтесь чтобы линия была яркая, узкая и четкая, одинаковой ширины по всей длине. Если растянуть линию на всю ширину экрана не удается, - подберите сопротивление R26.

Проверьте развертку линии при всех положениях S4 и R30.

Установив линию на середину экрана переключите S3 в положение "Имп." S2 установите в положение "2V/дел." и подайте на вход Х2 положительное напряжение от другого источника питания, равное 2,5V. Линия при этом должна отклониться вверх экрана. Если линия отклонится вниз - перемените подключение выводов 6 и 7 VL1.

Затем, переключите S2 в положение "0,5V/дел." и подстройте R8 так, чтобы линия была на пять клеток вверх от нулевого (среднего) уровня. Затем, перемените полярность поданного на вход Х2 напряжения, - линия должна уйти вниз на пять клеток относительно нулевого уровня.

При необходимости откалибруйте входной делитель R9-R14 и развертку (подбором конденсаторов С10-С18).

Проверьте работу предварительного усилителя переменного тока на Н1.1, переключив S1 в нижнее положение (по схеме), подавая на вход Х2 переменное напряжение от лабораторного генератора. Необходимую максимальную чувствительность установить подбором сопротивления 141.

Данный пробник создавался как доступный с минимумом деталей и доступной элементной базой,в качестве индикации сначала выбирался нокиа 5110 (ардуиновский дисплей),однако результат очень порадовал,в дальнейшем планируется переход на доступные цветные дисплеи на базе ST7735

Программная часть моя,аналоговую часть,пожелания в прошивке и "обкатка" сделали ув. apeks и ув. Лекс59

Осциллографический пробник Импульс-5110.
При разработке данного пробника ставилась задача создать максимально функциональный прибор при использовании минимально возможного количества использованных компонентов.
Были использованы достаточно широко используемые и распространенные детали.
При построении схемы предпочтение отдавалось классическому включению данного компонента. Из схемы сознательно были исключены всяческие украшения и дополнения. Интерфейс общения с прибором сделан так, чтобы избегать сложных многоуровневых меню и быть интуитивно понятным.

Так же сознательно были исключены средства автоматизации типа мультиплексоров и реле. Дело в том, что управление чувствительностью с помощью мультиплексоров приводит к принципиально неустранимому недостатку осциллографа – невозможности настройки делителей на всех диапазонах одновременно и при переключении диапазонов чувствительности нормальная настройка сохраняется только на одном из них.

Выбор компонентов.
Наиболее распространенным на данный момент и самым широко применяемым в радиолюбительской практике является микроконтроллер ATmega328. Он и был выбран за основу.
Построение осциллографа с достаточно широкой полосой пропускания немыслимо без применения внешнего АЦП. AD9280 полностью удовлетворяет поставленной задаче и сравнительно недорог.
Номенклатура операционных усилителей весьма широка. Выбранная схема позволяет использовать многие из них без существенных изменений в схеме.
В силу наличия и характеристик были выбраны сдвоенные ОУ с частотой единичного усиления не ниже 10 МГц. Весьма желательно использовать более быстрые ОУ. Например AD8066.
В качестве инвертора напряжения питания можно применить ICL7660. Но он слабоват для выбранной схемы усилителя. Лучше из серии TPS60400 – TPS60403. Последние работают на более высокой частоте, позволяют использовать конденсаторы меньшей емкости и дают как следствие меньше пульсаций.
Прибор сразу задумывался как автономный, поэтому было применено питание от литиевого аккумулятора, распространенного повышающего преобразователя МТ3608 и контроллера зарядки АКБ на микросхеме ТР4056.
Дисплей. Был применен широко распространенный модуль с Нокиевским дисплеем 5110.
Выбор оказался неожиданно удачным. Дисплей небольшой, но очень контрастный и изображение получилось вполне приемлемым. К тому же он достаточно быстрый.

Полученные характеристики осциллографического пробника
Полоса пропускания аналоговой части.
Определяется в основном примененным ОУ. В нашем случае позволяет с приемлемым качеством рассмотреть прямоугольный сигнал частотой до 1 МГц. Синусоидальный сигнал до 2 МГц при некотором снижении амплитуды.
Комфортно можно рассматривать сигналы до 500 кГц. При этом на дисплее будет примерно 2,5 периода сигнала на самой быстрой развертке без искусственного программного расширения.
Частота выборок при использовании кварцевого резонатора на 27 мегагерц составляет 9 мегасэмплов.

Чувствительность.
По большому счету может быть выбрана пользователем исходя из своих нужд. Максимально, что удавалось получать без танцев с бубном около 10 мВ на деление. При сетке 5 делений по высоте.
Схемой предусмотрен входной делитель 1:1, 1:10, 1:100.
Промежуточный делитель 1:1, 1:2,5 , 1:5.
Промежуточный делитель так же может быть подобран самостоятельно.

Для того, чтобы не загромождать дисплей данными, индикация осуществляется в течение нескольких секунд после нажатия на клавиши управления. Это позволило со всей полнотой использовать небольшую площадь выбранного дисплея.
Особой фишкой прибора является возможность скорректировать расчетный коэффициент для вольтметра сигнала.

Должен сказать, что большая часть решений по интерфейсу принималась Автором конструкции самостоятельно и оказалась на редкость удачной. Даже при таком небольшом дисплее сигнал ясно читаем, а лишние данные не загромождают изображение и появляются на короткое время после нажатия на кнопки управления.

Мои варианты печатных плат и некоторые фото конструкции.

Инвертор на микросхеме ICL7660 не потянул. Просадка отрицательного напряжения доходила до 3,8 вольта.
Я применил инвертор на МС34063. Он разумеется выдержит и не такие токи, но он не отзеркаливает напряжения с плюсовой ветки питания, а выдает свое стабилизированное значение. Как следствие этого по мере прогрева линейных стабилизаторов нулевая линия немного дрейфует. Мешает это не сильно, но это есть. Пожалуй наиболее предпочтительный вариант инвертора для данной схемы на TPS60400-TPS60403.

При наладке следует иметь ввиду, что если использованный вами ОУ оказался нормальным, без паразитного постоянного напряжения на входе, то резисторы R10 и R18 вам могут и не понадобиться, их задача как раз скомпенсировать паразитный потенциал ОУ.

При использовании моего варианта системной платы надо иметь в виду, что я не предусматривал выключения кнопкой и ключом на транзисторе, следовательно програмное управление чувствительностью, реализованное Булатом, будет недоступно.

В прошивке еще заложен выключатель питания и переключатель масштаба,например если основная развертка 1 в/деление,то дополнительно при коротком нажатии кнопки вкл/выкл получаем пределы 0,5 в/деление и 0,2 в/деление,а так же 0,1 в/деление(0,1 в/деление это просто расстянутое 0,2 в/деление)
Дело в том что входной сигнал с ацп может принимать значения от 0 до 255,а экран имеет 48 точек по вертикали,и чтоб вывести на экран полный сигнал пришлось приводить значения ацп 0-255 к виду 0-47,то есть делить на значение ацп на 5,5(округленно)
Длинное нажатие кнопки вкл/выкл=выключение прибора

Подготовлю схему и выложу,моя схема проще(как замечено выше-можно применить свою входную часть,а потом подогнать в меню значения в/деления и инвертирующий/неинвертирующий вход) и не имеет переключателей кроме переключателя открытый/закрытый вход

Мое личное мнение.
Импульс-5110 примерно 15-20 самодельный осциллограф, который мной опробован.
На сегодняшний день, он лучшее из доступного радиолюбителю небольшой и средней квалификации.
В отличие от многих опробованных мной и тех, с которыми знакомился по видеороликам и публикациям, он пригоден для практического использования, а не только на поиграться/похвалиться.
Может стать реальным помощником на долгие годы.

Дисплей нокия-5110, выбранный чуть ли не на грани шутки, оказался удивительно годным, в основном благодаря очень продуманному интерфейсу, предложенному Автором. Очень может быть, что крайне удачный интерфейс и возник благодаря ограничениям, который данный дисплей накладывает.

Я считаю данный ослик вершиной из доступного на сегодняшний день.
Это определяется следующими факторами:

Цифровая часть разогнана в разумных пределах и не содержит лишних компонентов замедляющих работу и перегружающих МК лишними вычислениями.
На этой элементной базе сделать цифровую часть более быстрой не представляется возможным. Но ее вполне хватает на диапазон реального использования подавляющим большинством радиолюбителей.

Программа написана на языке Баском. Автор умудрился очень рационально, без излишеств, но весьма эффективно использовать -возможности микроконтроллера, за что ему отдельное спасибо.
Придуманный Автором интерфейс общения с осциллографом очень своеобразен, лаконичен и по своему совершенен.

По моему убеждению, данный прибор уже не игрушка. Это вполне серьезный инструмент.

Название "27 MHz 01" (по сути это 10-я)
С каждым новым изменением в прошивке номер прошивки будет меняться,чтоб потом не путаться

Добавлю еще по особенностям данного прибора.
Булат реализовал в нем совершенно классную возможность - изменять расчетную чувствительность осциллографа.
Дело в том, что например я, не обладаю безграничным выбором СМД резисторов для точной подгонки делителей и коэффициента усиления ОУ. А через меню я могу скорректировать расчетную чувствительность. Например сейчас у меня выставлено 0,4 вольта/дел. И в результате вольтметр выдает вполне адекватные значения. Четко в сетку я не вгонял, но прошивка от Булата дает возможность сетку просто отключить и опираться на показания вольтметра.
Я ни где раньше не встречал подобной особенности в осликах. И она совершенно классная.
Кроме того прошивка позволяет применять различные типы усилителей, в том числе и не инвертирующие, что делает осциллограф еще более универсальным и пригодным к дальнейшему совершенствованию без радикальных переделок цифровой части.

В свое время один из пользователей на форуме спрашивал меня об одном из осциллографов: "А умеет ли он воспроизводить сигнал сложной формы?"

Ну из сложный форм, что мне доступны сейчас - синусоида 100 кГц с цифрового ДДС генератора, на выходе которого я не ставил ни каких сглаживающих емкостей и сигнал имеет вполне "цифровую" т.е. ступенчатую форму.

?Немного теории

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал).
Обратное преобразование осуществляется при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП, DAC).

Разрешение АЦП — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП — связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую определяется разрядностью АЦП.

Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных АЦП измеряется в битах.
Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, делённой на количество выходных дискретных значений.

На практике, разрешение АЦП ограничено отношением сигнал/шум входного сигнала. При большой интенсивности шумов на входе АЦП различение соседних уровней входного сигнала становится невозможным, то есть ухудшается разрешение. При этом реально достижимое разрешение описывается эффективной разрядностью (англ. effective number of bits, ENOB), которая меньше, чем реальная разрядность АЦП. При преобразовании сильно зашумлённого сигнала младшие разряды выходного кода практически бесполезны, так как содержат шум.

Для достижения заявленной разрядности отношение сигнал/шум входного сигнала должно быть примерно 6 дБ на каждый бит разрядности (6 дБ соответствует двукратному изменению уровня сигнала).

?Возможности

? Теперь попробуем рассмотреть возможности ардуино, в этой области cогласно этому источнику:

Диапазон входных значений = от 0 до 5 вольт
Разрядность двоичного АЦП 10 бит: 2^10 = 1024 уровней квантования
Разрешение двоичного АЦП по напряжению: (5-0)/1024 = 0,004882813 вольта = 4,88 мВ

? Для считывания значений с аналоговых входов ардуино используется функция analogRead():

«Функция считывает значение с указанного аналогового входа. Большинство плат Arduino имеют 6 каналов (8 каналов у платы Mini и Nano, 16 у Mega) c 10-битным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Напряжение поданное на аналоговый вход, обычно от 0 до 5 вольт будет преобразовано в значение от 0 до 1023, это 1024 шага с разрешением 0.0049 Вольт. Разброс напряжение и шаг может быть изменен функцией analogReference().
Считывание значение с аналогового входа занимает примерно 100 микросекунд (0.0001 сек), т.е. максимальная частота считывания приблизительно 10,000 раз в секунду.

? Попробуем пояснить это подробнее:

«Число 1023 здесь появилось неспроста. Дело в том, что у каждого устройства АЦП есть такой важный параметр как разрядность. Чем больше значение этого параметра, тем точнее работает прибор. Предположим, что у нас есть АЦП с разрядностью 1. Подавая на вход любое напряжения от 0 до 2,5 Вольт, на выходе мы получим 0. Любое же напряжение от 2,5 до 5 вольт даст нам единицу. То есть 1-битный АЦП сможет распознать только два уровня напряжения. Графически это можно изобразить следующим образом:

АЦП с разрядностью 2 распознает уже четыре уровня напряжения:

от 0 до 1,25 — это 0;
от 1,25 до 2,5 — это 1;
от 2,5 до 3,75 — это 2;
наконец, от 3,75 до 5 — это 3.

На следующих двух картинках изображена работа АЦП с разрядностью 2 и 3 бит:

? И еще немного теории, касательно опорного напряжения:

«Опорное напряжение играет главную роль в измерении аналогового сигнала, потому что именно от него зависит максимальное измеряемое напряжение и вообще возможность и точность перевода полученного значения 0-1023 в Вольты.

Изучим следующую функцию – analogReference(mode), где mode:

DEFAULT : опорное напряжение равно напряжению питания МК. Активно по умолчанию

INTERNAL : встроенный источник опорного на 1.1V для ATmega168 или ATmega328P и 2.56V на ATmega8

INTERNAL1V1 : встроенный источник опорного на 1.1V (только для Arduino Mega)

INTERNAL2V56 : встроенный источник опорного на 2.56V (только для Arduino Mega)

EXTERNAL : опорным будет считаться напряжение, поданное на пин AREF

После изменения источника опорного напряжения (вызова analogReference() ) первые несколько измерений могут быть нестабильными (сильно шумными).

Значение 1023 функции analogRead() будет соответствовать выбранному опорному напряжению или напряжению выше его, но не выше 5.5V, что спалит плату. То есть при режиме DEFAULT мы можем оцифровать напряжение от 0 до напряжения питания. Если напряжение питания 4.5 Вольта, и мы подаём 4.5 Вольт – получим оцифрованное значение 1023. Если подаём 5 Вольт – опять же получим 1023, т.к. выше опорного. Это правило работает и дальше, главное не превышать 5.5 Вольт. Как измерять более высокое напряжение (12 Вольт, например) я расскажу в отдельном уроке.

Что касается точности: при питании от 5V и режиме DEFAULT мы получим точность измерения напряжения (5 / 1024) ~4.9 милливольт. Поставив INTERNAL мы можем измерять напряжение от 0V до 1.1V с точностью (1.1 / 1024) ~0.98 милливольт. Весьма неплохо, особенно если баловаться с делителем напряжения.

? Далее, поговорим о частоте дискретизации, — еще одном важном параметре для осциллографа:

« Частота дискретизации (или частота сэмплирования, англ. sample rate) — частота взятия отсчётов непрерывного по времени сигнала при его дискретизации (в частности, аналого-цифровым преобразователем). Измеряется в герцах.

Каким же образом взаимосвязаны рассмотренные ранее — частота дискретизации и разрешение двоичного АЦП? Это можно легко понять по следующему графику:

Теперь рассмотрим, какие возможности у ардуино, по частоте дискретизации.

Согласно данному источнику, для максимального разрешения, рекомендуется работать в пределах частоты АЦП от 50 кГц до 200 кГц. Там же была проведена проверка с использованием чистого синусоидального тона, для воспроизведения, сэмплов для различных тактовых частот АЦП.

Таким образом, видно, как сильно падает разрешение, по мере роста частоты сэмплирования.

Судя по данным одного из авторов, при работе с Arduino IDE используется стандартная функция analogRead(), которая позволяет считывает значение с указанного аналогового входа. Считывание значение с аналогового входа занимает примерно 100 микросекунд (0.0001 сек), то есть максимальная частота считывания приблизительно 10000 раз в секунду (10 кГц).

Если более точно рассмотреть это число, то получается, следующая картина (зная величину тактовой частоты = 16 МГц): (16:128):13 ? 9.6 кГц.
Где 128 – делитель, а 13 – количество тактовых периодов, требующихся на одно преобразование.

Следующий автор провел практические исследования этого вопроса и у него получилась такая картина:

Таким образом, подытожим всё вышесказанное:

Несмотря, на то, что тактовая частота процессора ардуино (если брать для примера ATMega328 – на котором основаны Arduino Uno, Arduino Nano) составляет 16 МГц, диапазон частоты АЦП, на котором могут быть получены более-менее точные данные, составляет от 8,9 до 9,6 кГц (данные могут быть не совсем точны, но для ориентира и общего понимания ситуации – годятся).

К аналоговым пинам можно подключать напряжение от 0 (GND) до опорного напряжения и преобразовывать его в цифровое значение, или в некие условные единицы. АЦП имеет разрядность в 10 бит, т.е. мы получаем измеренное напряжение в виде числа от 0 до 1023.

Если говорить о точности измерений, то при входном напряжении в 5 вольт, точность измерения напряжения составит (5 / 1024) ~4.9 милливольт. Также возможно измерить напряжение от 0V до 1.1V с точностью (1.1 / 1024) ~0.98 милливольт.

То есть, можно говорить о достаточно медленной работе функции analogRead ().

Шумовая же составляющая АЦП ардуино, согласно источнику, составляет единицы милливольт.

Теперь, ознакомившись с общими основами, проанализируем, что собирают различные авторы в направлении создания своего осциллографа на базе ардуино.

Если устраивает система со считыванием показателей с компьютера, то можно остановиться на следующих самоделках:

Автор картинки: amansinghaljpr

10 бит, частота дискретизации — стандартная (если с высоким разрешением, до: 9,6 кГц);
Состоит из 5 деталей;

10 бит, частота дискретизации — стандартная (если с высоким разрешением, до: 9,6 кГц);
Состоит из 8 деталей, требуется среда Processing;

Если требуется миниатюрный экран, то можно использовать вариант, с отображением данных на экране смартфона:

Автор картинки: loboat

10 бит, частота дискретизации 150 Гц – 15 кГц;
Состоит из 32 деталей;

Или на миниатюрном интегрированном экране:

Автор картинки: Peter Balch

8 бит, частота дискретизации до 500 кГц (однако автор рекомендует использовать не более 250 кГц, так как иначе все показатели сливаются в сплошную полосу и трудно рассмотреть);
Состоит из 15 деталей;

в режиме измерения аналогового сигнала;
в режиме измерения цифрового сигнала;
как частотомер;
вольтметр;

От 0 В до 5 В;
От -0,55 В до + 0,55 В;
От -117 мВ до + 117 мВ;
От -25 мВ до + 25 мВ;
Цифровые диапазоны (для замеров прямоугольных сигналов);

31250/1 = 31250 Гц;
31250/8 = 3906 Гц;
31250/32 = 977 Гц;
31250/64 = 488 Гц;
31250/128 = 244 Гц;
31250/256 = 122 Гц;
31250/1024 = 31 Гц;

? Ещё одна версия самодельного осциллографа, которая не упомянута еще в этой статье, использует предварительную буферизацию данных с применением кругового буфера.

Автор картинки: Caffeinomane

В принципе, этот осциллограф ничем особо не примечателен, за исключением того, что предварительная буферизация данных позволяет несколько ускорить процесс в целом, так как медленный способ передачи данных в последовательный порт используется не постоянно, а только с предварительной буферизацией данных, используя систему прерываний (при возникновении события, на которое настроены прерывания).

Автор картинок: Caffeinomane

?Что же делать, если хочется большего?

В статье проделали ряд манипуляций (стандартная частота выборок, согласно автору статьи составляет 8900 выборок в секунду, с затрачиваемым временем в 11200 микросекунд):

В целом, можно сказать следующее: в основном, все представленные выше самоделки на базе ардуино — функционируют в рамках физических пределов АЦП ардуино и чуда от них ожидать не стоит. Однако, тем не менее, они вполне применимы для любительских целей и просты в создании.

?А как же обстоит дело насчет более мощных плат – esp32?

В рамках подготовки этой статьи, автору удалось найти только 1 проект, разработчик которого был вынужден остановить его разработку в 2018 году ввиду непреодолимых проблем. Впрочем, позволим ему самому сказать об этом:

Всем привет, с момента моего первого поста о проекте, я сделал пару демонстраций видео и построил несколько прототипов. Я вложил в проект огромное количество времени, но сейчас самое время признать, что проект провалился. И я хочу объяснить почему.

Самая большая проблема — неполная непонятная и вводящая в заблуждение документация микросхемы esp32. Согласно спецификации, ESP32 I2S может работать с тактовой частотой 40 МГц, но это не так (по крайней мере, для параллельного режима). Согласно моим экспериментам и некоторым данным других разработчиков, максимальная скорость составляет 20 МГц, но даже на этой скорости работают не все режимы FIFO. Я потратил пару недель на изучение проблемы и испытываю недоумение, почему I2S на высокой скорости помещает в буфер 2 абсолютно идентичных образца. Я обнаружил, что у других разработчиков такая же проблема, и, очевидно, это ограничение esp32.

Проблема третья — аналоговый интерфейс высокоскоростного осциллографа (вещь непростая). Да, мои познания в аналоговой электронике относительно ограничены, и мне потребовалось некоторое время, прежде чем я понял, что недооценил сложность этой части проекта. Моей целью было создать очень простое и дешевое оборудование, которое мог бы легко собрать любитель, но, похоже, это невозможно. Без экранирования, драйверов шины, операционных усилителей и других компонентов надлежащего аналогового интерфейса, он просто не будет работать с должным качеством. И когда все это вложишь в проект, это не станет ни простым, ни дешевым.

?Итак, подведем итог:

Мои первоначальные цели для проекта (40 Мбит/с, недорогая и простая схема) недостижимы с помощью esp32 и выбранной аппаратной архитектуры. Я считаю, что 20 Мбит/с — это слишком низкая скорость.

Усилия по разработке для esp32 недопустимо высоки из-за плохой документации и отсутствия надлежащих инструментов отладки. Но это утверждение верно только тогда, когда вы делаете что-то необычное. С типичными задачами, такими как хостинг веб-сервера и связь по Wi-Fi, esp32 работает хорошо.

Устройство с дисплеем на базе электронно-лучевой трубки, предназначенное для изучения параметров времени и амплитуды электрического сигнала, называется осциллографом. Подача сигнала осуществляется на вход устройства, результат записывается на фотоленту или выводится на экран. Оно возглавляет топ самых необходимых приборов, используемых для настройки и регулировки электронных схем.

Осциллограф и его функции

Это электронный прибор, на экране которого наблюдают за формой сигнала. В процессе работы доступен ряд опций:

фиксирование мгновенных характеристик;
аналогия фазовых смещений и форм сигналов с иными импульсами;
контроль и мониторинг синусоидальных, треугольных и прямоугольных колебаний;
развёртка импульса для измерения времени нарастания.

Проще говоря, это телевизионный приёмник, где отслеживается электросигнал визуально. Зная принципы работы и схему устройства, собирают осциллограф своими руками.

Классифицировать приборы возможно по следующим показателям:

особенности работы и предназначение;
количество сигналов, просматриваемых разом;
способ обработки информации;
вид воспроизводящего устройства.

По особенности работы подразделяются на модели: скоростные, стробоскопические, универсальные, запоминающие и специальные. Количество одновременно подающихся сигналов – один, два и более.

Важно! Многоканальные n-осциллографы высвечивают на экран n-графиков, считывая показания с n-го количества сигнальных входов.

Схема простого осциллографа

Чтобы понять, как устроен прибор, изучают стандартную блок-схему.

В формировании сигнала на экране участвуют два вида отклонения луча: по вертикали и горизонтали. Пользуясь системой координат, эти развёртки обозначили как: Y и Х.

В блоке развёртки по вертикали выполняется обработка сигнала, подающегося в канал через аттенюатор. Он ступенчато регулирует амплитуду исследуемых величин, не допуская превышения должного уровня. Это удерживает изображение в границах дисплея.

Для синхронизации работы узла задающего генератора Х – отклонения с канала вертикальной развёртки на него подаётся сигнал. По умолчанию канал Y работает в открытом режиме. Отклонение луча по вертикали в этом случае в точности совпадает с уровнем сигнала. Помеха постоянной составляющей, при её наличии, будет смещать картинку или же загонять за границы дисплея. Это сильно мешает работе и требует постоянной подстройки ступенчатого регулятора.

Использование режима закрытого входа помогает этого избежать. Закрытый видеовход подразумевает включение конденсатора между ним и схемой. Конденсатор играет роль ёмкостного фильтра для постоянной составляющей входного сигнала.

Канал горизонтальной развёртки (X) подсоединяется к генератору. Тот выдаёт команды для отклонения луча ЭЛТ по горизонтали и действует в четырёх позициях:

К сведению. Окончательное формирование уровней сигналов двух развёрток выполняют оконечные усилители.

Одноканальная модель

Такой прибор имеет один вход – один луч. Структурное строение показано на рис. выше. В состав схемы входят:

экран – ЭЛТ;
блок Y-развёртки: аттенюатор, предварительный усилитель, цепь задержки, начальное усиление синхронизации и оконечный усилитель выхода;
блок Х-развёртки: устройство синхронизации, узел развёртки, выходной усилитель;
схема усиления подсветки;
калибратор;
сетевой блок питания.

В таком приборе сигнал мониторинга подаётся на один вход и отображается движением луча на экране. Этого хватает для проведения измерений ряда параметров.

Двухканальные устройства

Когда требуется сравнить два вида сигнала, применяют такие приборы. Выделяют две разновидности:

Двухканальные – для наблюдения импульсов с идентичных Y-каналов. Переключая тумблером, поочерёдно подают выходные сигналы на пластины ЭЛТ. Наблюдают отдельно каждый сигнал входов Y1-Y2 или совместно. Второй – при каждом обратном ходе развёртки.
Двухлучевые – у них в наличии два отдельных Y-канала и двухлучевое исполнение ЭЛТ. У такого прибора совместный запуск генератора горизонтальной развёртки, включение вертикальной развёртки происходит для каждого канала отдельно. Это разрешает видеть 2 осциллограммы одновременно.

Многоканальные модификации

Современные аппараты выполняют мониторинг импульсов по нескольким каналам. Различают входы: аналоговые, цифровые или смешанные. Модели со смешанными каналами обрабатывают оба вида сигнала с выводом картинки на монитор.

Сборка устройства на 5 В

Полноценный цифровой прибор этой линейки без собственного дисплея называется USB oscilloscope. Продаются наборы комплектующих материалов для изучения работы с подобными устройствами. В комплект входят:

Подключается к ПК через шнур USB. Собранный из набора измеритель подойдёт для приобретения начальных навыков. В самодельных схемах такая приставка собирается на микросхеме ММР20.

Осциллографы на 10 В

В схемах с подобным напряжением применяются резисторы закрытого типа и стабилитрон. Их параметры чувствительности по вертикали подбираются до 2 мВ. При расчёте полосы пропускания максимальное сопротивление устройства согласовывается с ёмкостью проводных конденсаторов. Диоды подбирают с напряжением 2 В, резисторы желательно выбирать полевые. Выбор диодов на такое напряжение позволит снизить частоту дискретизации до минимума и увеличить скорость передачи. Из-за быстрой развёртки данных предельная частота резко падает. Использование стабилитрона или делителя, выполненного из модулятора, поможет решить эту проблему.

Как сделать модель на 15 В

При сборке используют линейные резисторы, сопротивление которых на уровне предела – 5 Мом. Это разрешает стабилитрону работать в щадящем режиме. При выборе конденсаторов предварительно тестером измеряется пороговое напряжение.

Внимание! Полученные результаты тестирования, при использовании для прибора настроечных резисторов, бывают неточными. Использовать подобает линейные резисторы.

При сборке не забывают смонтировать порт, присоединяемый через щуп к микросхеме, при этом через шину подключают делитель. Использование вакуумных диодов в сборке позволит контролировать уровень амплитуды колебаний.

Использование резисторов серии ППР1

Приборы, в состав которых входят элементы этой линейки, весьма популярны. Благодаря высокой чувствительности, применяются для мониторинга электроаппаратуры. Для создания этого измерителя потребуются ЭЛТ, импульсный модулятор, выпрямитель и контакторы с обкладками. Установка кенотрона оправдана точностью полученных показаний. Устройство оперативного типа требует установки контроллера.

Величина сопротивления не выше 34 Ома, а проводимость сигнала с коэффициентом 4,2-4,5 Ом. Через модулятор низкой проводимости выполняют подключение USB-порта. Спектральные расширители для схемы берутся импульсного типа.

Важно! Необходимо организовать стабилизацию напряжения, расширитель закрепить рядом с компаратором, который уменьшит тепловые потери.

Модели с резисторами ППР3

Выполнить сборку схемы с этими резисторами допустимо с применением сеточных конденсаторов. Сопротивление ёмкостной цепи Rц возможно до 4 Ом. В сборку на микросхеме ММР20 устанавливают не менее 3 шт. Важно делать проверку проводимости ППР3 до включения схемы.

Устройства с подавлением колебаний

Определение зашумленности сигнала и подавление выполняет отдельный узел. Схемы, включающие в себе такой блок, имеют значения предельной частоты не выше 4 Гц. В этом случае используются аналоговые диоды и микросборки сеточного типа.

Недостатков в таком методе больше, чем плюсов. Минусы:

не даёт точности измерений;
разрешает мерить только высокочастотные сигналы;
нельзя померить переходные процессы при постоянном напряжении;
подвергается опасности вход гаджета.

Плюсов мало:

20 минут времени на монтаж;
сборка несложная.

Трудно назвать эту приставку хорошим измерительным прибором.

Сборка осциллографа из планшета

Программное обеспечение для осциллографа на планшете и андроиде

Широкодиапазонная частота с помощью отдельного гаджета

Расширить частотный диапазон позволит применение отдельного устройства. Оно включает в себя преобразователь аналога в цифру. Дальнейшая подача импульсов происходит в цифровом формате. Точность измерений повышается. Выпускается в виде портативного прибора с дисплеем.

вluetooth-канал;
передача данных с помощью Wi-Fi.

Это позволит обойтись без контактной привязки гаджета с приставкой.

Bluetooth-канал

У подключения через Bluetooth присутствуют ограничения:

у тестируемой частоты граница – 1 МГц;
U щупа = 10 В;
зона покрытия – 10 м.

Это ограничивает ресурс при применении подключений такого типа.

Передача данных с помощью Wi-Fi

Подключить осциллограф из планшета фирмы Linux или иного производителя допустимо посредством беспроводной сети – wi fi канала. Пакет измерений выдаётся на планшет без промедления и для неограниченного количества участников проекта. Наличие опции записи позволяет работать с информацией в версиях офлайн и онлайн. Дальность соединения выше, чем у Bluetooth.

USB осциллограф своими руками схема

Используя источник 5 В и подключение через шнур usb, можно самостоятельно собрать такую схему.

Создание подобных приборов самостоятельно оправдано при измерениях, не требующих точных результатов. Подход к решению вопроса – это использование уже готовой полноценной приставки.

Читайте также: