ВХОДНЫЕ УЗЛЫ ОСЦИЛЛОГРАФОВ - 4

     простые интересные РАДИОСХЕМЫ сделанные своими руками

» ДАТАШИТ
Например: TDA2050


» РАДИОБЛОГИ
Двухчастотный датчик металлоискателя
Еще в копилку доработок дешевых фонарей
Сетевой регулятор мощности на транзисторе
Простой преобразователь напряжения 12 в 220 вольт
Маленький настольный сверлильный станок
Управление лампой на Атмега8 с помощью любого ИК пульта
Часы на вакуумных лампах ИВ-12
Простой кодовый замок с одной кнопкой на Attiny13A


Радиосхемы » Измерители

ВХОДНЫЕ УЗЛЫ ОСЦИЛЛОГРАФОВ - 4

      

Это окончание темы по входным цепям осциллограффов, предыдущую часть читайте тут. Некоторые вещи относительно цифровых осциллографов стоит пояснить отдельно. При наблюдении осциллограмм можно наблюдать такой эффект. Я его называю ошибкой округления АЦП. За точность термина не поручусь.

Например в Импульсе-5110 при закороченном входе центральная линия вполне чистая, без всякого видимого шума. Сразу приношу свои извинения за качество фото.

Аналогично выглядит и линия развертки Импульса-7735

Это, кстати, говорит о неплохой разводке платы и достаточной фильтрации цепей питания после преобразователей.

Но если мы немного покрутим ручку переменного резистора смещения линии развертки по вертикали, то можем наблюдать, как линия развертки приобретает некую «лохматость». Если прокрутить немного дальше, линия снова становится гладкой. И так несколько раз по высоте дисплея.

Почему так происходит? Дело в том, что аналого-цифровой преобразователь  (АЦП), который собственно и преобразует входной сигнал в цифровую форму для дальнейшей обработки микроконтроллером, мыслит только целыми числами.

Например 8 битный АЦП AD9280  в зависимости от уровня сигнала на входе (допустим при включении на чувствительность от 0 до 5 вольт) разбивает этот диапазон на 256 значений (8 бит).

Т.е. каждая ступенька имеет «вес» примерно 19,5 милливольт, или 0,01953125 вольта. 

Линия в центре дисплея имеет значение 2,5 вольта на входе АЦП и он выдает на микроконтроллер значение 128.

Он не может выдать скажем 128,3 или 128,495. Только целые числа от 0 до 255. И когда значение приближается к переходному уровню, скажем 2,495 вольта, начинают сказываться мелкие помехи, тепловой шум внутри микросхем, наводки и т.п. Которые есть ВСЕГДА. И значение  на выходе начинает гулять 128, 129, 128, 129… и так далее. Т.е реальное значение напряжения сигнала гуляет совсем незначительно, но АЦП округляет то вверх (чуть больше половины) или вниз (чуть меньше половины).
Дисплей штука тоже сугубо цифровая. Он не может отобразить только часть пиксела.

Как следствие мы видим вполне себе «лохматую» линию.

Эта лохматость будет у любого цифрового осциллографа. Она неустранима в принципе. Ее можно замаскировать разными методами обработки сигнала. Например выводя на дисплей усредненный сигнал скажем за 10 периодов входного сигнала. В некоторых моделях серьезных цифровых осциллографов эта функция реализована.

Но так можно не всегда. Например если мы исследуем одиночные импульсы, то усредняя сигнал мы его просто не увидим.

Таким образом это явление неустранимо в принципе и считать его недостатком не стоит.

То же самое происходит когда мы рассматриваем сигнал с плоскими вершинами, меандр, например. Верх меандра может быть чистым и ровным, а низ лохматым. Или наоборот. Это зависит лишь от того, попадает ли уровень сигнала в данной точке в зону округления.

Заметность «лохматости» зависит и от размера пиксела. От разрешения дисплея. От разрядности АЦП. Скажем на 12 битном АЦП и дисплеях с большим разрешением, например 320х240 пикселей заметность будет гораздо меньше, чем на Нокиевском дисплее 5110 с его 48 пикселами по вертикали.

Построение входного аттенюатора

Второе, и пожалуй главное, что хотелось бы пояснить, построение входного аттенюатора (делителя). Не все понимают (наблюдение из практики), что входной аттенюатор не создает предыскажения для последующего усилителя, ОН САМ ЯВЛЯЕТСЯ ИСТОЧНИКОМ ИСКАЖЕНИЙ

Завал, всплеск - во многом его "заслуга". Если посмотреть внешним прибором, что происходит во входных цепях осциллографа, то выяснится, что большая часть искажений появляется именно благодаря входному делителю. А вот конденсаторы в нем как раз и служат для настройки. Убрать все эти скругления и всплески.

Усилители тоже имеют собственные искажения, которые могут быть заметны на осциллограмме, но их гораздо меньше, при правильно построенном усилителе.

Отсюда вывод – входной аттенюатор не может быть полноценным если КАЖДАЯ ЕГО СТУПЕНЬ не имеет собственных цепей частотной коррекции.

Т.е. входной аттенюатор, построенный по схеме

(Я приводил ее ранее) Может быть нормально отстроен (пример на картинке)

(углы прямоугольных импульсов достаточно ровные) только на одном из диапазонов (положений переключателя S1)

На двух других при этом мы будем наблюдать это

Или это

Проблема этой схемы в том, что конденсатор С1, установленный параллельно резистору R1, будет настроен на одно конкретное положение переключателя.

Отстраивать его заново каждый раз когда мы переключаем диапазоны никто не станет да и неудобно это. Не говоря уж о том, что его величина может изменяться на два порядка, т.е. без перепайки не обойтись.

Не готов полностью исключить, что в каких то случаях нормальная настройка возможна, но мне это не удавалось. Ни теоретически (на симуляторах), ни практически. Кроме того из опыта, входные аттенюаторы построенные по одной схеме, с использованием деталей из одной партии, работающие на ОУ одного типа, вовсе не обязательно будут иметь одинаковую емкость конденсаторов частотной коррекции. Т.е. рассчитывать, что именно вам вот сейчас повезет не стоит.

Разная емкость монтажа, немного разные параметры ОУ (технологический разброс есть всегда), разные щупы для осциллографа (Это тоже важно упомянуть. Осциллограф надо настраивать с «родными» щупами).

Поэтому единственно нормальный путь для построения входных цепей это следовать принципам, заложенным в схему 2

Важное отличие состоит в том, что переключается не только нижний резистор делителя, нижнее плечо, как я обычно говорю, но и верхнее.

Т.е. требуется переключатель с ДВУМЯ ГРУППАМИ КОНТАКТОВ. И по сути это несколько разных и независимых друг от друга делителей. И мы переключаем их полностью, исключая таким образом влияние друг на друга.

И только этот способ способен гарантированно обеспечить возможность настройки в любом положении переключателя.

Те, кто читал предыдущие части моих обзоров наверное удивлены, для чего я повторяю часть картинок и часть информации. 

А дело в том, что уже столкнулся с использованием ущербных схем входного делителя в самоделках людьми, точно прочитавшими предыдущие части, специально этому посвященные.

Ущербный входной аттенюатор уже погубил несколько серьезных и интересных разработок, которые мне попадались. Он погубил и некоторые из выпускаемых промышленностью осциллографов начального уровня для радиолюбителей. Так быть не должно.

Важно уяснить, нормальный входной аттенюатор ОБЯЗАТЕЛЬНО имеет переключение с двумя группами контактов.

Автоматический расчет напряжений входных сигналов

У меня на схемах изображены механические переключатели. А как же быть, если при построении собственной схемы хочется обеспечить автоматический расчет напряжений входных сигналов? Можно реализовать и такое. 

Возможные пути:

  1. Реле с двумя группами контактов во входном делителе. Естественно со своими цепями коммутации (транзисторы, резисторы, диоды). Управление от микроконтроллера. На три диапазона требуется три реле, работающих по очереди. Соответственно еще минимум пара реле на переключение промежуточного делителя. Эти два реле уже могут иметь одну группу контактов.
  2. Реле с одной группой контактов на верхнее плечо делителей. Нижнее плечо можно переключать мультиплексором. Промежуточный делитель тоже.

Итого требуется три порта МК на управление реле. Еще два порта на управление реле промежуточного делителя.

Мультиплексор как правило управляется тремя портами (выходами) микроконтроллера.

Одна из проблем такого решения состоит в том, что электромагнитные реле имеют некоторые габариты, да еще и кушают немалый ток, что делает такую схему малопригодной под батарейное питание.

Да и сильно простой ее уже не назовешь. И микроконтроллеры уже требуются с большим количеством портов ввода-вывода.

Это все неплохо вписывается в настольные варианты осциллографов с питанием от сети, но гораздо сложнее использовать в малогабаритных вариантах с батарейным питанием.

Именно из таких соображений я и считаю целесообразным для радиолюбительских конструкций осциллографов начального уровня применять механические переключатели и производить пересчет напряжения сигнала ориентируясь по положению переключателей в уме.

Да, это менее удобно. Но это единственный путь сохранить возможность нормальной настройки и работы осциллографа во всем диапазоне доступных ему сигналов при сохранении относительной простоты схемы.

Мне понятно стремление осциллографостроителей к автоматизации. И на первом этапе обычно кажется, что «Как нибудь прорвусь. Как то настрою. Ну пусть и с искажениями…» Сам был такой когда-то.

Поверьте, входная часть осциллографа в значительной мере  определяет его рабочие качества.

И если строите прибор не только на «поиграться/похвалиться», а хотите иметь верного помощника – не упрощайте входной аттенюатор.  Именно ДВЕ группы контактов.

Все сказанное в полной мере справедливо и при выборе готовых схем, кит-наборов и готовых конструкций. Осциллограф не столь простой и дешевый прибор, чтобы стоило заведомо снижать его рабочие качества, лишь немного упростив схему входных делителей.

Еще один вопрос, которому стоит уделить внимание

Далеко не все операционные усилители, которые можно использовать в схемах осциллографов имеют чистый ноль на входе. 

У некоторых присутствует некий постоянный потенциал. Он как правило невелик по величине, но сам факт его наличия вызывает очень неприятное явление – при переключении входного аттенюатора линия  развертки смещается. И как правило весьма сильно, вплоть до того, что уходит в зашкаливание.
ОУ с чистым нулем на входах отыскать не всегда просто. Как же быть?

Один из возможных путей отсечь постоянную составляющую на входе, используя разделительные конденсаторы. Для осциллографа не самый лучший выход.

Другой выход был озвучен пользователем по ником «apeks» и предложена схема в теме на форуме. Фрагмент схемы:

Обратите внимание на резисторы R10 и R18. Их назначение – скорректировать потенциал на входе ОУ, тем самым устранив скачки линии развертки при переключении входного делителя.

Этот способ сильно расширяет номенклатуру ОУ пригодных для использования в схемах осциллографов. Первое время я сомневался, будет ли результат стабильным во времени, при изменении температуры, влажности и т.п. 

Но реализовав два экземпляра таких усилителей в Импульсе-5110 и Импульсе-7735, я успокоился. Отрегулировав схему один раз, больше к регулировке возвращаться не приходилось.

Справедливости ради должен заметить, что идеальную компенсацию получить достаточно сложно, и при изменении условий среды (прогреве цепей питания осциллографа) незначительное смещение линии развертки все же наблюдается, но оно совсем невелико и проблем не возникает.

Но при включении осциллографов появился некий эффект (почти как в ламповых) – требуется некоторое время на прогрев, в течение которого линия немного уплывает.

Время не велико. В пределах двух минут. Да и само смещение тоже не так значительно, около половины деления (дисплей разбит на 5 делений по высоте). Каких либо сложностей из-за этого эффекта не ощутил. Реально может мешать только при исследованиях с постоянной составляющей. Но тогда проще подождать прогрева и продолжать исследования спокойно.

Связываю дрейф линии с неидеальной температурной стабильностью примененных стабилизаторов постоянного напряжения (у меня AMS1117-5 и инвертор напряжения на  MC34063). Видимо какой то из них, или оба, незначительно меняют напряжение при прогреве рабочим током. И возникает некий разбаланс  питающих ОУ напряжений. Считаю этот недостаток приемлемой платой за возможность использовать «левые» операционные усилители.

Естественно, данную схему входного усилителя можно использовать и для ОУ с чистым нулем на входе.  Если вам повезло отыскать такой, то эти два резистора можно просто не устанавливать. Схема будет работать и без них.

Обратное тоже возможно, эти резисторы можно добавить в схемы, изначально не предназначенные для использования ОУ с паразитным потенциалом на входе.

Вопросы по тематике статьи можно обсудить в специальной теме конференции. Всем успеха! Тришин А.О. Г. Комсомольск-на Амуре. 2018 г.

   Форум

   Обсудить статью ВХОДНЫЕ УЗЛЫ ОСЦИЛЛОГРАФОВ - 4


АВТОУСИЛИТЕЛЬ

АВТОУСИЛИТЕЛЬ     Автоусилитель высокого качества на основе TDA7381.

РАЗНОЦВЕТНАЯ СВЕТОДИОДНАЯ ЦВЕТОМУЗЫКА

     Недавно собрал довольно простую цветомузыку, на светодиодах различных цветов. Планирую использовать её для подключения к компьютеру, мобильному телефону или МП3 плееру.

СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ

СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ     Схема проверенного автомобильного преобразователя напряжения 12В в двухполярное, для питания мощного УНЧ.

МИКРОФОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

МИКРОФОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ     Схема и фотографии качественного микрофонного усилителя на ОУ.


» ПОИСК СХЕМ



» РАДИОЭЛЕМЕНТЫ

Группа вконтакте Канал ютуб Группа в фэйсбук Мобильная версия © 2010-2018, "Радиосхемы". Все права защищены. Почта