Малогабаритный двухлучевой осциллограф-мультиметр

Осциллограф — один из самых необходимых в комплексе измерительных приборов на рабочем месте у радиолюбителя, но в то же время и один из самых дорогих из оборудования. Вот почему тяга к конструированию подобного изделия у радиолюбителей не иссякает никогда. В данной статье читателям предложено ознакомиться с оригинальным построением малогабаритного двухлучевого осциллографа, который совсем несложно изготовить самостоятельно.

Технические характеристики
Пуск развертки - ручной или внешним сигналом положительной полярности уровня TTL
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)
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 .......... .(O...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 .............................................................................135х90х30

Рис.1

Основная часть принципиальной схемы приведена на рис. 1.  Она содержит два идентичных усипителя А1 и А2, собранных на сдвоенном операционном усилителе DA1. микроконтроллер DD1, измеритель R. С (A3). В качестве индикатора использован жидкокристаллический модуль с разрешением 128х64 точек типа МТ12864А-1 со встроенным контроллером и драйвером питания {-8 В) ЖКИ (1).  Резистор 1R6 (2R6) предназначен для смещения "лучей", сдвоенный переключатель 1SAI (2SA1) устанавливает усиление операционного усилителя DA1.

Входной делитель конструктивно собран на малогабаритном разъеме 1XS  1XS5 (2XS —2ХS5). Сигналы с выходов устройств A1, 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 реботы "осциллограф — мультиметр" Кнопка SB1 — "Пуск", развертка в режиме осциллографа или измерение "R" в режиме мулыиметра Кнопка SB2 — "CLS"  очистка экрана. Кнопка SB3 — "kY", программная установка усиления по оси V в режиме осциллографа или измерение X* в режиме мулыиметра. Кнопка SB4 — "кХ". 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 RCO—RC7) микроконтроллера используют для передачи данных на индикатор. К выходам RBO - 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 (126 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-раэрядный АЦП, а в индикаторе по оси Yвсего 64 точки, что соответствует 6 разрядам.  Это используют для программной регулировки усиления.
Для вывода на экран выбраны восемь разрядов в режиме 2 (х1) из экран выводят старшие шесть разрядов из восьми, в режиме 1 (х0.5) используются средние шесть разрядов, что эквивалентио 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 U_сс/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 верхней 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)

 Рис.2

Сеетодиод 3HL1 использован в качестве источника образцового напряжения.  Резисторами 3R3—3R5 устанавливают токи источника гока в каждом диапазоне Транзистор 3VT3 используют для резрядки 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 0,267 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.

Рис.3

Блок питания (рис. 3) несколько усложнен из-за желания использовать аккумуляторную батарею от сотового телефона с номинальным напряжением 3,6В (питание индикатора 4.5 ... 5.5 В).  Преобразователь напряжения из транзисторах VТ1, VT2 увеличивает напряжение питания до 5 В.  Стабилизатор на транзисторах VT6 - VT8 ограничивает напряжение на уровне, близким к минимально допустимому для  работы  индикатора  — 4.6 В.  Светодиод НЛ 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 памялью или использовать стробоскопический эффект [2].  Технические характеристики и команды программирования индикатора MT12864A-1 приведены в [ 1].  Микроконтроллер можно заменить на PIC16F876. используя ту же прошивку.
Описания этих микроконтроллеров на русском языке можно найти в ресурсах Интернета [3]. Программирование микроконтроллера и схема программатора описаны в [4]. Прошивка микроконтроллера в hex-файле (Oscil873.hex) и исходный текст программы на ассемблере (Oscil873.asm) с комментариями ив квазианглийском    языке    (MPLAB    IDE 6.0.20 очень ппохо "переваривзет" русский язык) приведены внизу страницы.

Операционный усилитель крайне желательно использовать из серши КР1446.

Трансформатор Т1 намотан на кольце типоразмера К 16х8х5 мм из феррита марки М2000НМ.  Обмотка I содержит 2х65 витков с отводами от 45-го витка, считая or 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 130х86 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 дли 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 усилители 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 PIC16FB73 не хватает. При использовании PIC16FB76 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 нэ соответствующем диапазоне, a 3R1 — общую.
Калибровку измерителя емкости производят программными задержками (если использован кварц с другой частотой).

Вывод 6 микроконтроллера DD1 необходимо подключить к его выводу 20 через  резистор  сопротивлением 4,7...10к0м.
При программировании микроконтроллера в слове конфигурации следует выбрать высокочастотный (HS) генератор.

ЛИТЕРАТУРА
1.  http://www.melt.aha.ru
2.  Хабаров А. Двухканальная осциллографическая приставка к ПК — Радио. 2003, № 4 С 2^-25
3.  http://www. microchip.ru
4.   Фролов Д. Многопрограммный таймер часы термометр — Радио, 2003. N9 3 с  18—21
5.  Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах — Л Энергоагомиэдат, 1996, с 36

5.КИЧИГИН А. Малогабаритный двухлучевой осциллограф-мультиметр. — Радио, 2004, Ns 6, с. 24—26
(редактор Е. Карнаухов).