Осциллографический индикатор

Осциллограф - один из необходимых приборов в мастерской радиолюбителя или ремонтника, но, приобретение нового портативного прибора может оказаться слишком дорогим "удовольствием", а старую, но исправную технику не всегда можно найти, да и габариты её и вес позволяют пользоваться прибором только в стационаре. Даже если вы задумаете собрать осциллограф самостоятельно (а это совсем не так сложно, как кажется), скорее всего, у вас возникнет трудность с приобретением электронно-лучевой трубки со статическим отклонением лучей (кинескоп от телевизора здесь не подойдет).

Осциллографический индикатор, схема которого описывается в данной статье, конечно, не может в полной мере заменить осциллограф, уже хотя бы только по тому, что его светодиодный экран имеет низкую разрешающую способность (9x10 точек). Но, тем не менее, с его помощью можно примерно определить форму сигнала, отличить "синус" от импульсов, приблизительно определить частоту, амплитуду и скважность сигнала. Он годится для ремонта низкочастотной аппаратуры, с его помощью можно исследовать процессы в логических схемах, работающих на частотах не более 25 кГц. Можно "увидеть" логические нули, единицы, импульсы, определить высокоомное состояние.
 

Рис.1

Способ отображения информации на экране индикатора продемонстрирован на рисунке 1 на нескольких примерах. На первой эпюре показано состояние нуля, когда на вход не подано напряжение или его уровень очень мал. При исследовании логической схемы - это изображение логического нуля. На второй эпюре положительное напряжение максимального уровня, а для логической схемы - логическая единица. На третьей эпюре - отрицательное напряжение по модулю максимального уровня. Изображение, показанное на четвёртой эпюре может быть при подаче на вход переменного напряжения, период которого значительно ниже установленного значения развёртки. Подстроив развёртку и уровень можно будет увидеть,

например, синусоидальный сигнал (седьмая эпюра). Эпюра 4 будет и в том случае, если на выходе цифровой микросхемы будет высокоомное состояние, и в это время вы прикоснетесь пальцем к щупу индикатора, подключённого к этому выходу микросхемы. Эпюра 5 - положительные прямоугольные импульсы, эпюра 6 - треугольные импульсы.
 

Рис.2

В общем, все как на "взрослом" осциллографе, но только разрешающая способность очень низкая (9x10 точек).

Принципиальная схема индикатора показана на рисунке 2. Как видно, схема предельно упрощена. В качестве устройства вертикального отклонения "луча" используется популярная микросхема LM3914, которая, обычно применяется для создания индикатора напряжения со светодиодной линейной шкалой. Микросхема может работать в двух режимах - индикация светящимся столбом или точкой. В данном случае нужна индикация точкой, поэтому, вывод 9 микросхемы A3 никуда не подключён (вид индикации выбирают изменением уровня на выводе 9).

Микросхема LM3914 может измерять только положительное напряжение. Но, на экране осциллографа нулевая линия в середине экрана, вверху от неё положительные напряжения, а внизу - отрицательные. Для того, чтобы при нулевом напряжении на входе работал 14-й вывод A3 используется схема на двух операционных усилителях А1 и А2. Операционный усилитель А1 создает искусственную "землю", -среднюю точку питания, относительно которой и должно измеряться поступающее на вход индикатора напряжение. Положение этой "нулевой" точки отсчёта регулируется переменным резистором R7 "установка нуля". Им изменяется напряжение на прямом входе А1, следовательно, и напряжение на его выходе.

Операционный усилитель А2 включён по схеме повторителя (с единичным коэффициентом передачи), - его задача в том, чтобы развязать вход индикатора и вход микросхемы A3. Если необходимо получить более высокий коэффициент передачи (например, чтобы повысить чувствительность индикатора для исследования НЧ сигналов низкого уровня), можно между его инверсным входом и выходом ввести цепь ООС, величину которой можно будет менять переключателем ("V/Дел.").

Подстроечный резистор R21 служит для установки отклонения "луча" на верхнее значение при налаживании индикатора.

Экран представляет собой матрицу из 90 светодиодов общего применения. На схеме расположение светодиодов показано так же, как на экране готовой конструкции.

Как уже сказано, вертикальную развёртку осуществляет микросхема A3. Горизонтальная развёртка автоматическая, не синхронизирована. Она выполняется цифровым способом при помощи счётчика D2 и мультивибратора D1. Мультивибратор вырабатывает импульсы, которые поступают на счётный вход счётчика D2. Это приводит к тому, что состояние счётчика все время меняется от 0 до 9, можно сказать, что по его выходам "пробегает" логическая единица слева на право (по схеме). Этот процесс и создает горизонтальную развёртку. Если, например, на вход индикатора подано постоянное напряжение, такого уровня, что открыт 11-й вывод A3, то счётчик D2 будет поочерёдно включать все светодиоды, подключённые к этому выводу A3. И при определённой частоте импульсов, поступающих на вход D2, скорость переключения этих светодиодов будет такой, что это будет зрительно восприниматься как светящаяся горизонтальная линия.

Частота горизонтальной развёртки определяется частотой импульсов на выходе мультивибратора D1. Грубо она устанавливается переключателем S3, а точно -переменным резистором R10. Поскольку, в этой схеме не предусмотрена автоматическая синхронизация, то, подав сигнал на вход нужно подстраивать R10 так, чтобы "поймать" входной сигнал и увидеть его форму на экране.

Подстраивая резисторы R2 и R10 можно установить такой уровень и развёртку, при котором на экране будет наиболее полно и стабильно видна форма входного сигнала.

S4 - выключатель питания. Питается прибор от источника постоянного тока напряжением 9V (например, от "Кроны").

Светодиоды можно использовать любые, работающие в видимом спектре излучения, желательно одинаковые (и подешевле).

Операционные усилители - общего применения. Микросхему K561ЛA7 можно заменить любой другой микросхемой серий К561, К176, К1561, CD40 в которой не менее тр`х инверторов. Счётчик К561ИЕ8 может быть заменен аналогичным вышеуказанных серий.

Микросхему LM3914 можно заменить любым импортным или отечественным аналогом, допускающим индикацию перемещающейся точкой (режим "DOT").

Переключатели S1, S2 и S4 - импортные микротумблеры. Переключатель S3 -импортный галетный на 9 положений (используется 8 положений).

Индикатор собран в пластмассовой коробке размерами 80x180x30мм. С левой стороны передней панели (80x180мм) расположен экран. Его размеры зависят от размеров применяемых светодиодов. Экран состоит из девяноста отверстий - девять горизонтальных рядов по десять отверстий (как показано на рисунке 1). Отверстия выполняются такого диаметра, чтобы в них плотно вставлялись используемые светодиоды. Перед установкой корпус каждого из светодиодов по окружности ближе к выводам промазывается клеем "Момент" (или любым другим для пластмассы). Все светодиоды нужно установить в одинаковом положении (например, катод слева, анод справа).

После того как все светодиоды установлены и приклеены их выводы подрезают, но не равномерно, а так, чтобы, например, вывод анода был длиннее вывода катода. Затем нужно немного отогнуть выводы (например, катод немного вверх, а анод немного вниз). Далее, изготавливаете 19 оголённых лужёных проводников и припаиваете их припаиваете из них 10 вертикальными линиями к анодам, а 9 - горизонтальными линиями к катодам (точно как показано на принципиальной схеме). В этой же передней панели коробки просверлены отверстия под все переключатели, переменные резисторы и X1.

Монтаж выполнен без применения печатной платы. Все микросхемы предварительно подписаны (на "животах") и приклеены "вверх ногами" изнутри корпуса к передней панели при помощи клея "Момент" (или другого). Весь монтаж выполнен объёмным способом на выводах этих микросхем, переменных резисторов, переключателей и светодиодов.

Налаживание. После проверки монтажа включите питание. На экране должна перемещаться горизонтально точка (или видна горизонтальная линия, образованная светодиодами). Установите резистор R5 в среднее положение. Затем, подстройте R7 так, чтобы точка перемещалась по средней линии экрана (или светилась средняя горизонтальная линия экрана).

Установите R2 в нижнее (по схеме) положение и переключите S1 в нижнее (по схеме) положение. Подайте на вход постоянное положительное напряжение 10V. Поворачивая R2 следите за тем, как перемещается вверх горизонтальная линия. Как только линия переместится в верхнее максимальное положение сделайте отметку "10V" на шкале резистора R2. Затем, аналогичным образом отметьте "5V", "15V".

Переключите S1 в верхнее положение и подайте на вход переменное напряжение, например, 6V (от понижающего трансформатора). Переключите S3 в положение "30mS" или "10mS" и регулируя R2 и R10

добейтесь того, чтобы светящаяся точка на экране описывала синусоиду.

Если есть функциональный генератор, - проверьте работу на других частотах, с другой формой сигнала.

Конечно, этот прибор сильно упрощён и конструкция довольно "сырая". Он не может конкурировать с обычными осциллографами на ЭЛТ или с современными карманными цифровыми осциллографами на жидких кристаллах, но данная конструкция, - это всего лишь эксперимент. Попытка сделать несложный пробник, способный хотя бы частично заменить осциллограф.

А усовершенствований может быть много - можно увеличить число "пикселей" экрана, использовать вместо отдельных светодиодов жидкокристаллическую или светодиодную матрицу, ввести синхронизацию развёртки, ждущий режим, сделать прецизионный вход, увеличить яркость свечения экрана повысив ток через светодиоды путём введения буферных ключей.

Радиоконструктор 2004 №12

Андреев С.

datasheet LM3914N