Осциллограф является одним из основных приборов в лаборатории радиолюбителя. И если для человека зрение является основным источником получения информации, то для электронщика осциллограф - основной источник получения практической информации о процессах в электронных устройствах.
Многие радиолюбители используют в своей работе произведённые ещё в СССР осциллографы. Это качественные и надёжные приборы, в большинстве из которых установлены надёжные галет-ные переключатели. Тем не менее автор при проектировании самодельного компактного осциллографа вынужден был отказаться от применения громоздких переключателей. Был разработан осциллографический аттенюатор с кнопочным управлением и цифровой коммутацией, позволяющий избавиться от механического переключателя и значительно уменьшить площадь лицевой панели и объём всего устройства.
Рис. 1. Схема аттенюатора вертикального отклонения
На рис. 1 приведена схема аттенюатора вертикального отклонения, имеющего восемь значений чувствительности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10 В/дел. Как видно, при переключении аттенюатора коэффициент отклонения изменяется в два или в два с половиной раза. В коммутирующем звене применён восьмиканальный аналоговый мультиплексор/демультиплексор DD4 К561КП2 (CD4051A). Переключение чувствительности осуществляется кнопкой SB1 "Плюс" и кнопкой SB2 "Минус". При этом изменяется состояние реверсивного счётчика DD2 (К561ИЕ11), управляющего состоянием мультиплексора DD4. При включении устройства счётчик обнуляется кратковременной подачей на вход R (вывод 9 DD2) лог. 1. При этом на мультиплексор поступает код 000, что соответствует установке первого предела чувствительности - 0,05 В/дел. Код 111 на выходе счётчика DD2 соответствует восьмому пределу чувствительности - 10 В/дел. Состояние счётчика, а значит, и установленный предел чувствительности индицируются и светодиодами HL1-HL8, которыми управляет дешифратор DD3 (К561ИД1).
Собственно аттенюатор состоит из частотно-компенсированного делителя, верхнее плечо которого состоит из элементов R3 и C5, размещённых в выносном щупе, а нижнее плечо - из постоянно подключённых элементов R6, C8, соответствующих первому пределу (0,05 В/дел), а также подключаемым параллельно им элементам R7-R13, C9-C15 на других пределах.
Исследуемый сигнал поступает на вход щупа - элементы R3,C5 (верхнее плечо делителя), выход которого через экранированный кабель поступает на нижнее плечо делителя, расположенное в корпусе прибора. Далее сигнал подаётся на усилитель вертикального отклонения (УВО). К реактивной части нижнего плеча относятся ёмкость кабеля Cкаб, ёмкость конденсатора C8 и входная ёмкость осциллографа Свх, включающая в себя ёмкость монтажа. То есть ёмкость нижнего плеча Сн на первом пределе равна: Сн1 = Ска6 + С8 + Свх.
На других пределах чувствительности к ёмкости Сн1 будет суммироваться одна из ёмкостей конденсаторов С9-C15. Кактивной части нижнего плеча относится резистор R6 на первом пределе, и параллельно ему подключается один из резисторов R7-R13.
Для частотной компенсации делителя должно выполняться условие CвRв = СнRн, где Cв и Rв - ёмкость и сопротивление верхнего плеча; Сн и Rн - ёмкость и сопротивление нижнего плеча. При выполнении этого условия коэффициент деления Кдел = (Rв + Rн)/Rн = (Св + Сн)/Св. Как видно, коэффициент деления не зависит от частоты. При выполнении условия компенсации искажения прямоугольного сигнала, подаваемого на вход Y осциллографа, отсутствуют, что наглядно видно из осциллограммы, показанной на рис. 2. При недокомпенсации (занижена ёмкость Св или завышена ёмкость Сн) осцилограмма приобретает вид, показанный на рис. 3. При перекомпенсации (завышена ёмкость Св или занижена ёмкость Сн) осциллограмма сигнала приобретает вид, показанный на рис. 4.
Рис. 2.
Рис. 3.
Рис. 4.
Расчёт элементов делителя
Вначале выберем некоторые значения, необходимые для дальнейших расчётов. Заданная нами чувствительность по вертикали для первого предела - 0,05 В/дел или 500 мВ на весь экран. Измеренная чувствительность УВО для нашего устройства составила 38,4 мВ на весь экран. Коэффициенты деления для всех пределов Кдел1 = 500/38,4 = 13,02; Кдел2 = 26,04 К Значения резисторов нижнего плеча выбирают с учётом наименьшего влияния на их значения входного сопротивления УВО и реального значения открытого ключа мультиплексора. Поскольку реальное сопротивление открытого ключа микросхемы К561КП2 100...150 Ом, сопротивление резистора R13 должно быть примерно на порядок больше, а сопротивление резистора R6 значительно меньше входного сопротивления УВО. Выбираем сопротивление резистора R6 = 200 кОм. Так как Кдел1 = (R3 + +R6)/R6, то сопротивление резистора R3 = R6(Кдел 1 - 1) = 2,4 МОм. Аналогично Кдел 2 = [R6R7/(R6 + R7) + R3]/R6R7/(R6 + +R7) = 1 + R3(R6 + R7)/R6R7, отсюда R7 = R3R6/(Кдел.2R6 - R3 - R6) = 184 кОм Проводим расчёт далее: R8 = 61,41 кОм R9 = 20,48 кОм; R10 = 9,7 кОм R11 = 4,726 кОм; R12 = 1,864 кОм R13 = 926 Ом.
Рассчитывают ёмкости конденсаторов делителя. Для сигнального кабеля был использован экранированный провод диаметром 2,5 мм с погонной ёмкостью 100 пФ/м длиной 65 см. Для уменьшения ёмкости кабеля его длина меньше общепринятых 80 см, т. е. Скаб. = 65 пФ. Ёмкость подстроечного конденсатора С8 примем равной 10 пФ, а ёмкость Свх = 15 пФ. Тогда при ёмкости нижнего плеча на первом пределе Сн1 = Скаб. + С8 + Свх = 90 пФ определим ёмкость конденсатора С5 = Сн1/(Кдел1 - 1) = 7,5 пФ. Так как R3C5 = R6R7(Cн1 + + C9)/(R6 + R7), то С9 = R3C5 (R6 + R7)/R6R7 - СН1 = 98 пФ Аналогично С10 = 293 пФ С11 =879 пФ; С12 = 1855 пФ С13 = 3808 пФ; С14 = 9658 пФ С15 = 19433 пФ. Результаты расчёта сведены в таблицу. Для нижнего плеча делителя сопротивления резисторов указаны в килоомах, ёмкость конденсаторов - в пикофарадах.
При желании увеличить входное сопротивление щупа до 10мОм увеличивают сопротивление резистора R3 до 10 МОм, а сопротивление резистора R6 - до 833 кОм и проводят расчёты в том же порядке (при условии, если входное сопротивление УВО не менее 107 Ом). Результаты этих расчётов также приведены в таблице. Входная ёмкость щупа осталась той же - 7,5 пФ.
Номиналы элементов | R6/C8 | R7/C9 | R8/C10 | R9/C11 | R10/C12 | R11/C13 | R12/C14 | R13/C15 |
R3 = 2,4 МОм; С5 = 7,5 пФ | 200/10 | 184/98 | 61,41/293 | 20,48/879 | 9,7/1855 | 4,726/3808 | 1,864/9658 | 0,926/19433 |
R3 = 10 МОм; С5 = 7,5 пФ | 833/10 | 767/98 | 256/293 | 85,3/879 | 40,43/1855 | 19,69/3808 | 7,765/9658 | 3,865/19433 |
R3 = 2,4 МОм; С5 = 5,7 пФ | 200/10 | 184/68 | 61,4/223 | 20,48/668 | 9,7/1411 | 4,726/2896 | 1,864/7344 | 0,926/14777 |
R3 = 2,4 МОм; С5 = 3,5 пФ | 200/10 | 184/46 | 61,41/138 | 20,48/415 | 9,7/876 | 4,726/1798 | 1,864/4559 | 0,926/9173 |
Посмотрим, как изменятся номиналы элементов аттенюатора при использовании кабеля с меньшей погонной ёмкостью. При использовании кабеля РК75-2-13 диаметром 3,2 мм, погонной ёмкостью 67 пФ/м и той же длиной 65 см входная ёмкость C5 уменьшится до значения С5 = (43,55 + 10 + 15)/ /(13,02 - 1) = 5,7 пФ при тех же сопротивлениях резисторов делителя R3, R6-R13. Расчётные значения конденсаторов С9-С15 для этого случая приведены в таблице.
При использовании кабеля РК200-2-31 диаметром 3,7 мм и погонной ёмкостью 27 пФ/м и той же длиной 65 см входная ёмкость С5 уменьшится до значения: С5 = (17,55 + 10 + 15)/( 13,02 - 1) = 3,54 пФ при тех же значениях резисторов делителя R3, R6-R13. Расчётные значения конденсаторов С9-С15 для этого кабеля приведены в таблице.
Из приведённых данных видно значительное влияние ёмкости кабеля на входную ёмкость щупа. При этом она практически равна ёмкости конденсатора C5. Ёмкость щупа лучше выбирать минимальной, так как она является шунтирующей ёмкостью и может вызвать в контролируемом устройстве искажения, носящие частотно-зависимый характер.
Рис. 5. Внешний вид аттенюатора
Рис. 6. Внешний вид щупа
Этот аттенюатор был применён в малогабаритном осциллографе на ЭЛТ, внешний вид которого показан на фото рис. 5, а фото щупа - на рис. 6. Размеры лицевой панели составили 32x95 мм. Аттенюатор размещён на плате совместно с УВО с применением элементов для поверхностного монтажа. Применён резистор R3 - С2-29В, С2-33Н, остальные резисторы - для поверхностного монтажа. Оксидные конденсаторы - К50-35 или импортные. Конденсатор C5 - КТ-1 на напряжение 250 В, конденсатор C7 - К73-17, подстроечный конденсатор - КТ4-25, КТ4-23, КТ4-21, остальные - для поверхностного монтажа. Светодиоды HL1-HL8 - для поверхностного монтажа типоразмера 0805, они распаяны с двух сторон на переднем торце печатной платы. В качестве замены микросхемы К561ЛП2 можно применить микросхему CD4030A, замена микросхемы К561ИЕ11 - MC14516B, микросхемы К561ИД1 - CD4028B. Кнопки SB1 и SB2 - любые малогабаритные без фиксации, работающие на замыкание, например, тактовые кнопки размерами 6x6 мм и высотой 7...8 мм.
Светодиоды HL1-HL8 распаяны на переднем торце платы выводами с двух сторон платы. Коаксиальный разъём XW2 -СР-50-101ФВ, разъём XW1 - СР-50-111ФВ. Каждый из резисторов R7- R13 составлен из двух или трёх для упрощения подбора нужных значений. Приведённые значения ёмкостей являются расчётными и уточняются при налаживании по изображению импульсного сигнала прямоугольной формы на экране. Налаживание начинают на первом пределе с помощью конденсатора C8.
По аналогичной схеме было изготовлено и кнопочное управление длительностью горизонтальной развёртки с тем отличием, что генератор развёртки имеет ещё множитель длительности 100, при этом увеличивается число длительностей развёртки.
Что касается фабричных устройств, нужно учитывать, что щуп и кабель являются "расходной" частью всего устройства ввиду их частых обрывов и поломок. Поэтому неправильная замена или неквалифицированный ремонт могут нарушить характеристики всего устройства.
Автор: Б. Демченко, г. Киев, Украина