При настройке собранных электронных схем, особенно цифровых, необходимо бывает проводить различные измерения. Для этого можно пользоваться различными пробниками, например логическим пробником, самым простым, состоящим из светодиода, токоограничительного резистора, и проводков оканчивающихся с одного конца щупом, а с другого крокодилом. С его помощью мы можем убедиться, присутствует ли у нас логическая единица, или ноль, например на ножке МК, или выводе Ардуино. Я же решил пойти дальше, собрать то, что думаю заинтересует простотой сборки многих новичков, позволит получить полезные знаний из теории, посмотреть на форму сигнала, например, как это выглядит при мигании того же светодиода, и конечно же им можно будет проверить наличие логического ноля или единицы, на ножке МК. В общем, решил собрать простейший осциллографический пробник, с подключением к компьютеру по USB порту.
Данная схема является иностранной разработкой, откуда впоследствии она перекочевала в Рунет, и разошлась по множеству сайтов. В поисках детальной информации при его сборке, обошел множество сайтов, не меньше 10-12. На всех них были только краткое описание, переведенное и содранное с забугорного сайта и прошивка для скачивания, с примером выставления фьюзов. Ниже представлена схема этого осциллографического пробника:
Схема usb осциллографа-пробника
Я сознательно не называю его чисто осциллографом, потому что он не дотягивает до этого звания. Давайте разберем подробнее, что же он представляет из себя. Бюджет устройства составляет всего 250, максимум 300 рублей, и его сборку может позволить себе любой школьник или студент. Как наглядного пособия, для отработки навыков пайки, прошивания МК, в общем, для отработки всех навыков, необходимых для самостоятельного конструирования цифровых устройств. Если кто-то сразу загорелся и собрался немедленно бежать в магазин, за покупкой радиодеталей, подождите, у этого осциллографического пробника, есть несколько существенных минусов. У него очень неудобный софт, оболочка, в которой собственно мы и будем наблюдать наш сигнал. На следующем фото показано, как я ловлю момеху от пальца:
Сказать, что оболочка сырая, это значит ничего не сказать… Даже оболочки для использования, в качестве низкочастотного осциллографа на звуковой карте, существенно обходят ее по своим возможностям. На следующем фото, на короткое время касаюсь щупами выводов батарейки:
Начнем с того, что показания у нас выводятся в милливольтах, и шкалы по напряжению, соответствующей реальным значениям, попросту нет. Но и это еще не все. Схема устройства, как мы можем увидеть, посмотрев на рисунок со схемой, основана на МК Tiny 45.
В данном устройстве не применяется внешний быстродействующий АЦП, и это её существенный недостаток. Это означает, что при измерении сигнала с частотой, на которую наш пробник — осциллограф не рассчитан, мы получим на экране, просто прямую линию… Недавно мне потребовалось провести ремонт пульта дистанционного управления, диагностика показала, что и питание приходит, и дорожки все целые, и контакты на плате, вместе с резиновыми кнопками почищены, все безрезультатно, пульт не подавал признаков жизни. На местном радиофоруме, мне предложили заменить керамический резонатор, на котором кстати не было ни трещин, ни каких других внешних признаков, по которым можно было бы решить, что деталь неисправна. Решил послушать совета, сходил в магазин и купил новый керамический резонатор на 455 кГц, стоимостью всего 5 рублей, перепаял его, и пульт сразу “ожил”.
К чему я это рассказываю? А к тому, что после сборки этого пробника, пришла в голову мысль проверить на пульте генерацию тактового сигнала. Не тут-то было. Пробник-осциллограф показал, на одной ножке резонатора условно низкий уровень, на другой высокий, и вывел прямую линию. Не справившись даже с частотой 455 кГц. Теперь, когда вы предупреждены о его минусах, вы можете сами определиться для себя, нужен ли вам такой осциллографический пробник. Если все же да, то продолжаем чтение). Входное сопротивление обоих каналов осциллографа равно 1 МОм.
Для этой цели нам будет нужно приобрести и запаять подстроечные резисторы на 1 МОм, делитель сигнала 110. Соответственно сопротивления делителя, у нас должны составлять 900 и 100 КилоОм. Я решил использовать 2 канала осциллографа, так как был в наличии разъем — гнезда, распаянные на плате, два тюльпана, и разница в стоимости деталей для меня составляла, по сути, только стоимость подстроечного резистора. Другое дело, что оба канала оказались не идентичны по своим показаниям. Как мы видим на схеме один канал был рассчитан на работу с делителем, а другой нет. Ну да это не беда, если потребуется, чтобы и этот канал работал без делителя, нам достаточно выкрутить положения движка подстроечного резистора в ноль, тем самым подав сигнал с выхода, напрямую на ножку МК. Это может быть полезным при измерении сигналов, на двух линиях с низкой амплитудой. На следующем фото показано, как я снимаю сигнал с мультивибратора:
Также мы можем, покрутив регулятор подстроечного резистора, выставить, какой делитель нам требуется, 110, 125, 150, 1100, или любой другой, измерив мультиметром сопротивление, между центральным выводом и крайними выводами подстроечного резистора. Это может потребоваться для измерения формы сигнала, с большой амплитудой напряжения. Для этого нужно будет лишь подсчитать, получившиеся соотношения сопротивлений делителя. Есть еще один важный нюанс, на иностранном сайте автора схемы, при выборе фьюзов указано, что нужно перевести фьюз — бит Reset Disable в положение включено. Как мы помним, отключение этого фьюз – бита, прекращает возможность последовательного программирования. Фьюзы которые нужно изменить, показаны на следующем рисунке:
В данной схеме Pin 1 Reset не используется как Pin, поэтому нам изменять этот фьюз-бит не обязательно. Но на одном из форумов, для более стабильной работы осциллографа – пробника, рекомендовали притянуть Pin Reset через резистор 10 килоОм к плюсу питания, что я и сделал. Также, когда искал информацию по нему, ни на одном из сайтов я не нашел понятного и доступного объяснения, насчет источника тактирования МК Tiny 45. Так вот, в этой схеме МК тактируется не от внутреннего RC – генератора, не от кварцевого резонатора, а от внешнего тактового сигнала, подаваемого на МК от USB порта. Логично предположить, что выбрав этот источник тактирования, МК перестанет у нас быть виден, в оболочке для прошивания, при отключении от USB порта, поэтому сначала залейте прошивку, а затем внимательно выставляйте фьюз биты.
Давайте разберем схему осциллографа более подробно, на сигнальных линиях USB порта D+ и D-, установлены согласующие резисторы на 68 Ом. Изменять их номинал не рекомендую. Между сигнальными жилами и землей, рекомендовано для снижения помех, установить керамические конденсаторы на 100 наноФарад. Такой же конденсатор на 100 наноФарад, нужно установить параллельно электролитическому, на 47 микроФарад, установленному по цепям питания +5 вольт и земля. Между землей и сигнальными линиями, должны быть установлены стабилитроны на 3.6 Вольта. Я правда поставил на 3.3 вольта, все работает нормально. Предусмотрена индикация включения на светодиоде, включенном последовательно с резистором 220-470 Ом.
Номинал в данном случае не критичен, и от него зависит только яркость свечения светодиода. Я установил на 330 Ом, яркость свечения достаточная. В схеме установлен резистор номинала 1.5-2.2 килоОма, для определения устройства операционной системой.
Подпаивайте провода USB кабеля к плате ориентируясь по распиновке кабеля, а не по расположению на схеме осциллографа. На схеме очередность следования жил указана произвольно. Также из несущественных недостатков, по отзывам пользовавшихся, после перезагрузки Windows, нам потребуется переткнуть осциллограф заново в USB порт. Не забудьте снять фьюз — бит делитель тактовой частоты на 8 CKDIV 8. Данный осциллограф не требует для своей работы, каких-то сторонних драйверов, и определяется как Hid устройство, аналогично мышке или клавиатуре. При первом подключении, устройство определится как Easylogger. На следующем рисунке, приведен список необходимых для сборки деталей.
Существует 6 версий программы Usbscope, оболочки, в которой собственно мы и наблюдаем график. Первые три версии не поддерживают 64-битные операционные системы Windows. Начиная с четвертой версии Usbscope, поддержка обеспечена. Для работы программы на компьютер должен быть установлен Netframework. На сайте автора были выложены исходники прошивки, и исходники программы-оболочки, так что возможно найдутся умельцы, которые смогут дополнить софт. Какое-же практическое использование данного осциллографа, неужели только как игрушка? Нет, данный прибор используется в автоделе домашними умельцами, как бюджетная замена дорогому осциллографу, для настройки автомобильных систем зажигания, расхода топлива и подобных нужд.
Видимо частота работы в автоделе достаточно низкая, и данного пробника минимально хватает, хотя бы для разовых работ. Для подключения к измеряемой схеме спаял два щупа, использовав для этого, с целью снизить уровень помех, экранированный провод, тюльпаны или разъем RCA. Это обеспечивает легкое подключение и отсоединение щупов от осциллографа.
- Один из проводов – щупов осциллографа, оканчивается для измерения щупом от мультиметра для сигнальной жилы, и крокодилом для подключения к земле.
- Второй щуп оканчивается крокодилами разных цветов, и для сигнальной жилы и для земли.
Вывод: сборка данного пробника, целесообразна, скорее как наглядное пособие, для изучения формы низкочастотных сигналов. Для практических целей, например для проверки и настройки импульсных блоков питания, в частности работы ШИМ контроллеров, данный пробник не годится однозначно, так как не может обеспечить необходимого быстродействия. Поэтому не может являться заменой, даже самому простому советскому осциллографу, и даже простым осциллографам с Али экспресс.
Скачать архив со схемой, прошивкой, скрином фьюзов и оболочкой осциллографического пробника, можно по ссылке. Всем успехов, специально для Радиосхемы — AKV.
Осциллограф – это портативное устройство, которое создано для тестирования микросхем. Дополнительно многие модели подходят для промышленного контроля и могут использоваться с целью проведения различных измерений. Сделать осциллограф своими руками нельзя без стабилитрона, который является основным его элементом. Устанавливается данная деталь в прибор различной мощности.
Дополнительно приборы в зависимости от модификации могут включать в себя конденсаторы, резисторы и диоды. К основным параметрам модели можно отнести количество каналов. В зависимости от этого показателя меняется предельная полоса пропускания. Также при сборке осциллографа следует учитывать частоту дискретизации и глубину памяти. Для того чтобы делать анализ полученных данных, устройство подключается к персональному компьютеру.
Схема простого осциллографа
Схема простого осциллографа включает в себя стабилитрон на 5 В. Пропускная способность его зависит от типов резисторов, которые устанавливаются на микросхему. Для увеличения амплитуды колебаний используются конденсаторы. Изготовить щуп для осциллографа своими руками можно из любого проводника. При этом порт подбирается в магазине отдельно. Резисторы первой группы минимум сопротивление в цепи должны выдерживать на уровне 2 Ом. При этом элементы второй группы должны быть более мощными. Также следует отметить наличие на схеме диодов. В некоторых случаях они выстраиваются в мосты.
Одноканальная модель
Сделать одноканальный цифровой осциллограф своими руками можно только с применением стабилитрона на 5 В. При этом более мощные модификации в данном случае недопустимы. Связано это с тем, что повышенное предельное напряжение в цепи приводит к увеличению частоты дискретизации. В итоге резисторы в устройстве не справляются. Конденсаторы для системы побираются только емкостного типа.
Минимум резистор сопротивление должен держать на уровне 4 Ом. Если рассматривать элементы второй группы, то параметр пропускания в данном случае должен составлять 10 Гц. Для того чтобы его повысить до нужного уровня, используются различного типа регуляторы. Некоторые специалисты для одноканальных осциллографов советуют применять ортогональные резисторы.
В данном случае следует отметить, что показатель частоты дискретизации они поднимают довольно быстро. Однако негативные моменты в такой ситуации все же присутствуют, и их следует учитывать. В первую очередь важно отметить резкое возбуждение колебаний. Как следствие, растет асимметричность сигналов. Дополнительно существуют проблемы с чувствительностью устройства. В конечном счете, точность показаний может быть не самой лучшей.
Двухканальные устройства
Сделать двухканальный осциллограф своими руками (схема показана ниже) довольно сложно. В первую очередь следует отметить, что стабилитроны в данном случае подходят как на 5 В, так и на 10 В. При этом конденсаторы для системы необходимо использовать только закрытого типа.
За счет этого полоса пропускания устройства способна возрасти до 9 Гц. Резисторы для модели, как правило, применяются ортогонального типа. В данном случае они стабилизируют процесс передачи сигнала. Для выполнения функций сложения микросхемы подбираются в основном серии ММК20. Сделать делитель для осциллографа своими руками можно из обычного модулятора. Это не особенно сложно.
Многоканальные модификации
Для того чтобы собрать USB-осциллограф своими руками (схема показана ниже), стабилитрон потребуется довольно мощный. Проблема в данном случае заключается в повышении пропускной способности цепи. В некоторых ситуациях работа резисторов может нарушаться из-за смены предельной частоты. Для того чтобы решить эту проблему, многие используют вспомогательные делители. Указанные устройства во многом помогают повысить порог предельного напряжения.
Сделать делитель можно при помощи модулятора. Конденсаторы в системе необходимо устанавливать только возле стабилитрона. Для повышения полосы пропускания используются аналоговые резисторы. Параметр отрицательного сопротивления в среднем колеблется в районе 3 Ом. Диапазон по блокированию зависит исключительно от мощности стабилитрона. Если предельная частота резко падает во время включения устройства, то конденсаторы необходимо заменить на более мощные. Некоторые специалисты в данном случае советуют устанавливать диодные мосты. Однако важно понимать, что чувствительность системы в этой ситуации значительно ухудшается.
Дополнительно необходимо сделать щуп для устройства. Для того чтобы осциллограф не конфликтовал с персональным компьютером, целесообразнее микросхему использовать типа ММР20. Сделать щуп можно из любого проводника. В конечном итоге человеку останется только прибрести порт для него. Затем при помощи паяльника вышеуказанные элементы можно соединить.
Сборка устройства на 5 В
На 5 В осциллограф-приставка своими руками делается только с применением микросхемы типа ММР20. Подходит она как для обычных, так и мощных резисторов. Максимум сопротивление в цепи должно составлять 7 Ом. При этом полоса пропускания зависит от скорости передачи сигнала. Делители для устройств могут применяться самых разных видов. На сегодняшний день более распространенными принято считать статические аналоги. Полоса пропускания в такой ситуации будет находиться на отметке 5 Гц. Чтобы ее повысить, необходимо использовать тетроды.
Подбираются они в магазине, исходя из параметра предельной частоты. Для увеличения амплитуды обратного напряжения многие специалисты советуют устанавливать только саморегулируемые резисторы. При этом скорость передачи сигнала будет довольно высокой. В конце работы необходимо сделать щуп для подключения цепи к персональному компьютеру.
Осциллографы на 10 В
Изготавливается осциллограф своими руками со стабилитроном, а также резисторами закрытого типа. Если рассматривать параметры устройства, то показатель вертикальной чувствительности должен находиться на уровне 2 мВ. Дополнительно следует рассчитать полосу пропускания. Для этого берется емкость конденсаторов и соотносится с предельным сопротивлением системы. Резисторы для устройства больше всего подходят полевого типа. Чтобы минимизировать частоту дискретизации, многие специалисты советуют применять только диоды на 2 В. За счет этого можно добиться большой скорости передачи сигнала. Для того чтобы функция слежения выполнялась довольно быстро, микросхемы устанавливаются типа ММР20.
Если запланировать режимы хранения и воспроизведения, то необходимо воспользоваться другим типом. Курсорные измерения в данном случае будут недоступны. Основной проблемой этих осциллографов можно считать резкое падение предельной частоты. Связано это, как правило, с быстрой разверткой данных. Решить поставленную задачу можно только с применением высококачественного делителя. При этом многие также полагаются на стабилитрон. Сделать делитель можно при помощи обычного модулятора.
Как сделать модель на 15 В?
Собирается осциллограф своими руками при помощи линейных резисторов. Предельное сопротивление они способны выдерживать на уровне 5 Мм. За счет этого на стабилитрон не оказывается большого давления. Дополнительно следует позаботиться о выборе конденсаторов для устройства. С этой целью необходимо сделать замеры порогового напряжения. Специалисты для этого используют тестер.
Если применять для осциллографа настроечные резисторы, то можно столкнуться с повышенной вертикальной чувствительностью. Таким образом, полученные данные вследствие тестирования могут быть некорректными. Учитывая все вышесказанное, необходимо применять только линейные аналоги. Дополнительно следует позаботиться об установке порта, который подсоединяется в микросхеме через щуп. Делитель в данном случае целесообразнее устанавливать через шину. Чтобы амплитуда колебаний не была слишком большой, многие советуют использовать диоды вакуумного типа.
Использование резисторов серии ППР1
Изготовить USB-осциллограф своими руками с данными резисторами – задача непростая. В этом случае необходимо в первую очередь оценить емкость конденсаторов. Для того чтобы предельное напряжение не превышало 3 В, важно использовать не более двух диодов. Дополнительно следует помнить о параметре номинальной частоты. В среднем этот показатель составляет 3 Гц. Ортогональные резисторы для такого осциллографа не подходят однозначно. Построечные изменения можно проводить только при помощи делителя. В конце работы надо заняться непосредственно установкой порта.
Модели с резисторами ППР3
Сделать USB-осциллограф своими руками можно с использованием только сеточных конденсаторов. Особенность их заключается том, что уровень отрицательного сопротивления в цепи может достигать 4 Ом. Микросхемы для таких осциллографов подходят самые разнообразные. Если взять стандартный вариант типа ММР20, то необходимо конденсаторов в системе предусмотреть как минимум три.
Дополнительно важно обратить внимание на плотность диодов. В некоторых случаях от этого зависит показатель полосы пропускания. Для стабилизации процесса деления специалисты советуют тщательно проверять проводимость резисторов перед включением устройства. В последнюю очередь подсоединяется непосредственно регулятор к системе.
Устройства с подавлением колебаний
Осциллографы с блоком подавления колебаний используются в наше время довольно редко. Подходят они больше всего именно для тестирования электроприборов. Дополнительно следует отметить их высокую вертикальную чувствительность. В данном случае параметр предельной частоты в цепи не должен превышать 4 Гц. За счет этого стабилитрон во время работы сильно не перегревается.
Делается осциллограф своими руками с применением микросхемы сеточного типа. При этом необходимо в самом начале определиться с типами диодов. Многие в данной ситуации советуют применять только аналоговые типы. Однако в этом случае скорость передачи сигнала может значительно снизиться.
Ниже представлен проект USB-осциллографа, который вы сможете собрать своими руками. Возможности USB-осциллографа минимальны, но для многих радиолюбительских задач вполне сойдет. Также, схема данного USB-осциллографа может использоваться как основа для построения более серьезных схем. В основе схемы стоит микроконтроллер Atmel Tiny45.
Осциллограф имеет два аналоговых входа и питается от USB-интерфейса. Один вход задействован через потенциометр, что позволяет уменьшать уровень входного сигнала.
ПО для микроконтроллера tiny45 написано на Си и скомпилировано при помощи WinAVR и V-USB разработки Obdev, который реализует со стороны микроконтроллера HID-устройства.
В схеме не используется внешний кварц, а программно задействована частота от USB 16.5 МГц. Естественно не стоит ожидать от этой схемы дискретизации 1Gs/s.
Осциллограф работает по USB через HID-режим, не требующий установки каких-либо специальных драйверов. Софт для windows написан с использованием .NET C#. Взяв за основу мой исходник программы, вы можете дополнить ПО как вам нужно.
Принципиальная схема USB-осциллографа очень проста!
Список используемых радиоэлементов:
1 светодиод (любой)
1 резистор для светодиода, от 220 до 470 Ом
2 резистора 68 Ом для USB D+ & D-линий
1 резистор 1.5K для определения USB-устройства
2 стабилитрона 3.6V для выравнивания USB-уровней
2 конденсатора 100нФ и 47мкФ
2 фильтрующих конденсатора на аналоговых входах (от 10нФ до 470нФ), можно и без них
1 или 2 потенциометра на аналоговых входах, для уменьшения уровня входного напряжения (если нужно)
1 USB-разъем
1 микроконтроллер Atmel Tiny45-20.
В архиве содержатся файлы печатной платы под Eagle, прошивка, исходники на Си включающие USB-библиотеки и HID, программа для windows (не требует установки) и ее исходник на C#.