Этот простой и дешёвый USB осциллограф был придуман и сделан просто ради развлечения. Давным давно довелось чинить какой-то мутный видеопроцессор, в котором спалили вход вплоть до АЦП. АЦП оказались доступными и недорогими, я купил на всякий случай парочку, один пошёл на замену, а другой остался. Недавно он попался мне на глаза и почитав документацию к нему я решил употребить его для чего-нибудь полезного в хозяйстве. В итоге получился вот такой приборчик. Обошёлся в копейки (ну рублей 1000 примерно), и пару выходных дней. При создании я постарался уменьшить количество деталей до минимума, при сохранении минимально необходимой для осциллографа функциональности. Сначала я решил, что получился какой-то уж больно несерьёзный аппарат, однако, сейчас я им постоянно пользуюсь, потому что он оказался весьма удобным - места на столе не занимает, легко помещается в карман (он размером с пачку сигарет) и обладает вполне приличными характеристиками:

Максимальная частота дискретизации - 6 МГц;
- Полоса пропускания входного усилителя - 0-16 МГц;
- Входной делитель - от 0.01 В/дел до 10 В/дел;
- Входное сопротивление - 1 МОм;
- Разрешение - 8 бит.

Принципиальная схема осциллографа показана на рисунке 1.

Рис.1 Принципиальная схема осциллографа

Для разных настроек и поиска неисправностей во всяких преобразователях питания, схемах управления бытовой техникой, для изучения всяких устройств и т.д., там где не требуются точные измерения и высокие частоты, а нужно просто посмотреть на форму сигнала частотой, скажем, до пары мегагерц - более чем достаточно.

Кнопка S2 - это часть железа нужного для бутлоадера. Если при подключении осциллографа к USB держать её нажатой, то PIC заработает в режиме бутлоадера и можно будет обновить прошивку осциллографа при помощи соответствующей утилиты. В качестве АЦП (IC3) была использована "телевизионная" микросхема - TDA8708A. Она вполне доступна во всяких "Чип и Дип"ах и прочих местах добычи деталей. На самом деле это не только АЦП для видеосигнала, но и коммутатор входов, выравниватель и ограничитель уровней белого - чёрного и т.д. Но все эти прелести в данной конструкции не используются. АЦП весьма шустр - частота дискретизации - 30 МГц. В схеме он работает на тактовой частоте 12 МГц - быстрее не нужно, потому что PIC18F2550 просто не сможет быстрее считывать данные. А чем выше частота - тем больше потребление АЦП. Вместо TDA8708A можно использовать любой другой быстродействующий АЦП с параллельным выводом данных, например TDA8703 или что-нибудь от Analog Devices.

Тактовую частоту для АЦП удалось хитрым образом извлечь из PIC"а - там запущен ШИМ с частотой 12 МГц и скважностью 0.25. Тактовый импульс положительной полярности проходит в цикле Q1 PIC"а так что при любом обращении к порту B, которое происходит в цикле Q2 данные АЦП будут уже готовы. Ядро PIC"а работает на частоте 48 МГц, получаемой через PLL от кварца 4 МГц. Команда копирования из регистра в регистр выполняется за 2 такта или 8 циклов. Таким образом, данные АЦП возможно сохранять в память с максимальной частотой 6 МГц при помощи непрерывной последовательности команд MOVFF PORTB, POSTINC0. Для буфера данных используется один банк RAM PIC18F2550 размером 256 байт.

Меньшие частоты дискретизации реализуются добавлением задержки между командами MOVFF. В прошивке реализована простейшая синхронизация по отрицательному или положительному фронту входного сигнала. Цикл сбора данных в буфер запускается командой от PC по USB, после чего можно эти данные по USB прочитать. В результате PC получает 256 8-битных отсчётов которые может, например, отобразить в виде изображения. Входная цепь проста до безобразия. Делитель входного напряжения без всяких изысков сделан на поворотном переключателе. К сожалению не удалось придумать как передавать в PIC положение переключателя, поэтому в графической морде осциллографа есть только значения напряжения в относительных единицах - делениях шкалы. Усилитель входного сигнала (IC2B) работает с усилением в 10 раз, смещение нуля, необходимое для АЦП (он воспринимает сигнал в диапазоне от Vcc - 2.41В до Vcc - 1.41В) обеспечивается напряжением с программируемого генератора опорного напряжения PIC (CVREF IC1, R7,R9) и делителем от отрицательного напряжения питания (R6,R10, R8). Т.к. в корпусе ОУ был "лишний" усилитель (IC2A), я использовал его как повторитель напряжения смещения.

Не забудьте про емкостные цепочки для частотной компенсации входной ёмкости вашего ОУ и ограничивающих диодов, которые отсутствуют на схеме - нужно подобрать ёмкости параллельно резисторам делителя и резистору R1, иначе частотные характеристики входной цепи загубят всю полосу пропускания. С постоянным током всё просто - входное сопротивление ОУ и закрытых диодов на порядки выше сопротивления делителя, так что делитель можно просто посчитать не учитывая входное сопротивление ОУ. Для переменного тока иначе - входная ёмкость ОУ и диодов составляют значительную величину по сравнению с ёмкостью делителя. Из сопротивления делителя и входной ёмкости ОУ и диодов получается пассивный ФНЧ, который искажает входной сигнал.

Чтобы нейтрализовать этот эффект нужно сделать так, чтобы входная ёмкость ОУ и диодов стала значительно меньше ёмкости делителя. Это можно сделать соорудив емкостной делитель параллельно резистивному. Посчитать такой делитель сложно, т.к. неизвестна как входная ёмкость схемы, так и ёмкость монтажа. Проще его подобрать.

Способ подбора такой:
1. Поставить конденсатор ёмкостью примерно 1000 пФ параллельно R18.
2. Выбрать самый чувствительный предел, подать на вход прямоугольные импульсы с частотой 1 кГц и размахом в несколько делений шкалы и подобрать конденсатор параллельно R1 так, чтобы прямоугольники на экране выглядели прямоугольниками, без пиков или завалов на фронтах.
3. Повторить операцию для каждого следующего предела, подбирая конденсаторы параллельно каждому резистору делителя соответственно пределу.
4. Повторить процесс с начала, и убедиться, что на всех пределах всё в порядке (может проявиться ёмкость монтажа конденсаторов), и, если что-то не так, слегка подкорректировать ёмкости.

Сам ОУ - это Analog Devices AD823. Самая дорогая часть осциллографа. :) Но зато полоса 16 МГц - что весьма неплохо.А кроме того, это первое из шустрого, что попалось в розничной продаже за вменяемые деньги.

Конечно же этот сдвоенный ОУ без всяких переделок можно поменять на что-то типа LM2904, но тогда придётся ограничится сигналами звукового диапазона. Больше 20-30 кГц оно не потянет.

Ну и форму прямоугольных, например, сигналов будет слегка искажать. А вот если удастся найти что-то типа OPA2350 (38МГц) - то будет наоборот замечательно.

Источник отрицательного напряжения питания для ОУ сделан на хорошо известной charge-pump ICL7660. Минимум обвязки и никаких индуктивностей. Ток по выходу -5 В конечно у неё невелик, но нам много и не надо. Цепи питания аналоговой части изолированы от помех цифры индуктивностями и ёмкостями (L2, L3, C5, C6). Индуктивности попались номиналом 180 uГн, вот их и поставил. Никаких помех по питанию даже на самом чувствительном пределе. Прошивка PIC заливается по USB с помощью бутлоадера который сидит с 0-го адреса в памяти программ и запускается если при включении удерживать нажатой кнопку S2. Так что прежде чем прошивать PIC - залейте туда сначала бутлоадер - будет проще менять прошивки.
Исходники драйвера осциллографа для ядер 2.6.X находятся в архиве с прошивкой. Там же есть консольная утилитка для проверки работоспособности осциллографа. Её исходники стоит посмотреть, чтобы разобраться как общаться с осциллографом, если хочется написать для него свой софт.
Программа для компьютера проста и аскетична, ее вид показан на рисунках 2 и 3. Подключить осциллограф к USB и запустить qoscilloscope. Требуется QT4.

Любому радиолюбителю сложно представить свою лабораторию без такого важного измерительного прибора, как осциллограф. И, действительно, без специального инструмента, позволяющего анализировать и измерять действующие в цепи сигналы, ремонт большинства современных электронных устройств невозможен.

С другой стороны, стоимость этих приборов нередко превышает бюджетные возможности рядового потребителя, что вынуждает его искать альтернативные варианты или изготавливать осциллограф своими руками.

Варианты решения проблемы

Отказаться от покупки дорогостоящих электронных изделий удаётся в следующих случаях:

• Использование для этих целей встроенной в ПК или ноутбук звуковой карты (ЗК);
• Изготовление USB-осциллографа своими руками;
• Доработка обычного планшета.

Каждый из перечисленных выше вариантов, позволяющих изготавливать осциллограф своими руками, применим не всегда. Для полноценной работы с самостоятельно собранными приставками и модулями необходимо выполнение следующих обязательных условий:

• Допустимость определённых ограничений по измеряемым сигналам (по их частоте, например);
• Наличие опыта обращения со сложными электронными схемами;
• Возможность доработки планшета.

Так, осциллограф из звуковой карты, в частности, не позволяет измерять колебательные процессы с частотами, находящимися за пределами её рабочего диапазона (20 Гц-20 кГц). А для изготовления USB-приставки к ПК потребуется определённый опыт сборки и настройки сложных электронных устройств (как и при подключении к обычному планшету).

Обратите внимание! Вариант, при котором удаётся изготовить осциллограф из ноутбука или планшета при простейшем подходе, сводится к первому случаю, предполагающему использование встроенной ЗК.

Рассмотрим, как реализуется на практике каждый из указанных выше методов.

Использование ЗК

Для реализации этого способа получения изображения потребуется изготовить небольшую по габаритам приставку, состоящую всего из нескольких доступных для каждого электронных компонентов. С её схемой можно ознакомиться на приведённой ниже картинке.

Основное назначение такой электронной цепочки – обеспечить безопасное поступление внешнего исследуемого сигнала на вход встроенной звуковой карты, имеющей «собственный» аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Используемые в ней полупроводниковые диоды гарантируют ограничение амплитуды сигнала на уровне не более 2-х Вольт, а делитель из соединенных последовательно резисторов позволяет подавать на вход напряжения с большими амплитудными значениями.

К плате с резисторами и диодами со стороны выхода подпаивается провод с имеющимся на ответном конце штекером на 3,5 мм, который вставляется в гнездо ЗК под наименованием «Линейный вход». Исследуемый сигнал подаётся на входные клеммы.

Важно! Длина соединительного шнура должна быть по возможности короче, что обеспечивает минимальные искажения сигнала при очень низких измеряемых уровнях. В качестве такого соединителя рекомендуется использовать двухжильный провод в медной оплётке (экране).

Хотя пропускаемые таким ограничителем частоты относятся к НЧ диапазону, указанная предосторожность способствует повышению качества передачи.

Программа для получения осциллограмм

Помимо технического оснащения, перед началом измерений следует подготовить соответствующее программное обеспечение (софт). Это значит, что на ПК нужно установить одну из утилит, разработанных специально для получения изображения осциллограммы.

Таким образом, всего за час или чуть больше удаётся создать условия для исследования и анализа электрических сигналов посредством стационарного ПК (ноутбука).

Доработка планшета

Использование встроенной карты

Для того чтобы приспособить обычный планшет под снятие осциллограмм можно воспользоваться уже описанным ранее способом подключения к звуковому интерфейсу. В этом случае возможны определённые затруднения, так как дискретного линейного входа для микрофона у планшета нет.

Решить эту проблему удаётся следующим образом:

• Нужно взять гарнитуру от телефона, в составе которой должен иметься встроенный микрофон;
• Затем следует уточнить разводку (распиновку) входных клемм на используемом для подключения планшете и сравнить её с соответствующими контактами на штекере гарнитуры;
• При их совпадении можно смело подключать источник сигнала вместо микрофона, используя уже рассмотренную ранее приставку на диодах и резисторах;
• В завершении останется установить на планшете специальную программу, способную анализировать сигнал на микрофонном входе и выводить на экран его график.

Преимущества данного способа подключения к компьютеру – это простота реализации и дешевизна. К его минусам следует отнести малый диапазон измеряемых частот, а также отсутствие стопроцентной гарантии безопасности для планшета.

Преодолеть эти недостатки удаётся за счёт применения специальных электронных приставок, подключаемых через Bluetooth-модуль или посредством Wi-Fi-канала.

Самодельная приставка к Bluetooth-модулю

Подключение по «Bluetooth» осуществляется с помощью отдельного гаждета, представляющего собой приставку со встроенным в неё микроконтроллером АЦП. За счёт использования самостоятельного канала обработки информации удаётся расширить полосу пропускаемых частот до 1 МГц; при этом величина входного сигнала может достигать 10 Вольт.

Дополнительная информация. Радиус действия такой самостоятельно изготовленной приставки может достигать 10-ти метров.

Однако собрать такое преобразовательное устройство в домашних условиях способен не каждый, что существенно ограничивает круг пользователей. Для всех не готовых к самостоятельному изготовлению приставки возможен вариант приобретения готового изделия, с 2010 года поступающего в свободную продажу.

Приведённые выше характеристики могут устроить домашнего мастера, занимающегося ремонтом не очень сложной низкочастотной аппаратуры. Для более трудоёмких ремонтных операций могут потребоваться профессиональные преобразовательные устройства с полосой пропускания до 100 МГц. Эти возможности может обеспечить Wi-Fi-канал, поскольку скорости протокола обмена данными в этом случае несравнимо выше, чем в «Bluetooth».

Осциллографы-приставки с передачей данных по Wi-Fi

Вариант передачи цифровых данных по этому протоколу заметно расширяет пропускные способности измерительного устройства. Работающие по данному принципу и свободно продающиеся приставки не уступают по своим характеристикам некоторым образцам классических осциллографов. Однако стоимость их также далека от того, чтобы считаться приемлемой для пользователей со средними доходами.

В заключение отметим, что с учётом приведённых выше ограничений вариант подключения по Wi-Fi также подходит лишь для ограниченного круга пользователей. Тем же, кто решил отказаться от этого способа, советуем попытаться собрать цифровой осциллограф , обеспечивающий те же характеристики, но за счёт подключения к USB-входу.

Данный вариант также очень сложен в реализации, так что тем, кто не до конца уверен в своих силах, разумнее будет приобрести имеющуюся в свободной продаже готовую USB-приставку.

Видео

режимы работы:

• осциллограф смешанных сигналов;
• генератор сигналов произвольной формы;
• 8-канальный логический анализатор;
• анализатор спектра;

возможность одновременной работы генератора и осциллографа;

графический OLED дисплей, размер 0.96"", разрешение 128×64 точки;

PDI интерфейс для программирования и отладки;

управление с помощью 4-кнопочной клавиатуры;

USB коннектор для питания устройства (в дальнейшем программная реализация USB интерфейса).

Спецификация измерительного прибора:

• осциллограф:
  • 2 аналоговых канала;
  • 8 цифровых каналов;
  • аналоговая полоса пропускания - 318 кГц;
  • максимальная скорость выборки - 2 Msps;
  • разрешение - 8 бит;
  • аналоговая синхронизация и внешняя цифровая синхронизация;
  • вертикальный и горизонтальный курсоры;
  • входное сопротивление - 1 МОм;
  • размер буфера для каждого канала - 256;
  • максимальное входное напряжение - ±10 В;
• генератор сигналов произвольной формы:
  • 1 аналоговый канал;
  • максимальная скорость конвертирования - 1 Msps;
  • аналоговая полоса пропускания - 66 кГц;
  • разрешение - 8 бит;
  • низкое выходное сопротивление;
  • размер буфера - 256;
  • максимальное выходное напряжение - ±2 В.

Принципиальная схема прибора

Входные аналоговые каналы осциллографа, выходной канал генератора сигналов - выполнены на JFET операционном усилителе TL064 с низким потреблением. На таком же операционном усилителе выполнен источник опорного напряжения для встроенного аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера.

Питание прибор получает от USB интерфейса, однако можно применить внешний источник напряжения 5 В, но следует быть внимательным и необходимо исключить возможность одновременного подключения внешнего источника и USB интерфейса. Напряжение питания микроконтроллера составляет 3.3 В, с этой целью установлен регулятор напряжения 3.3 В AP7333 . Также, напряжение 3.3 В необходимо для питания контроллера дисплея.

Для питания операционных усилителей требуется двуполярный источник напряжения + 5 В и -5 В. Для получения отрицательного напряжения -5 В установлен интегральный DC/DC преобразователь TPS60403 (charge pump).

Источником тактовой частоты для микроконтроллера является внешний кварцевый резонатор 16 МГц.

Управление, навигация по меню, настройка параметров осуществляются с помощью клавиатуры K1-K4.

Для программирования (а также для отладки ПО) микроконтроллера используется 2-проводный интерфейс PDI. Данный интерфейс поддерживает высокоскоростное программирование всех пространств энергонезависимой памяти, в т.ч. Flash-память, EEPOM, Fuse-биты, Lock-биты и сигнатурный код пользователя. Программирование осуществляется путем доступа к контроллеру энергонезависимой памяти (NVM-контроллер) и выполнения NVM-контроллером команд.

Внешний вид печатной платы

Демонстрация работы прибора

Есть такой замечательный USB осциллограф китайской фирмы Instrustar с маркировкой ISDS205A. Он привлекателен в первую очередь своим софтом, он очень удобен и функционален как для USB осциллографа, ну и конечно же характеристиками, которые очень даже не плохие учитывая цену осциллографа. На Aliexpress она составляет около 55$ за весь комплект. Поэтому если не уверены в своих силах повторить прибор, то целесообразнее будет приобрести готовый прибор. Тем более разница в цене не такая и большая. Вообще вся эта затея по повторению, исключительно из спортивного интереса. Одно из отличий это то что в авторском варианте питание реле осуществляется от +5В, которые выходят из преобразователя, тем самым нагружая последний и перекашивает напряжения. В нашем случае питание реле будет осуществляться от отдельного стабилизатора, и преобразователь также будет другой. Ниже приведена схема Instrustar ISDS 205A (модифицированная).

В аналоговой части отрисован лишь один канал, второй такой же. Осциллограф построен на базе процессора CY7C68013A , и двухканальной микросхеме АЦП AD9288-40BRSZ. Все полученные данные процессор передает по USB на компьютер, поэтому его работа очень сильно зависит от производительности компьютера. На старых машинах, вероятнее всего, этот осциллограф корректно работать не будет.

Особенности сборки

Печатная плата прикреплена внизу в архиве. Плата на которой я изготавливал осциллограф содержит небольшую ошибку в разводке, поэтому некорректно управляет реле. Пришлось применить инвертор (на фото видно микросхема расположена выводами вверх и распаяна на проводках).

Плата довольно сложная, двухсторонняя и с металлизацией, поэтому ее изготовление советую Реле, который применены во входной части типа TX-4.5. Напряжение срабатывания должно быть не более 3,3 вольт. Операционные усилители AD8065 очень боятся перегрева и статики. Еще очень легко нарваться на подделку. Поэтому рекомендую паять их хорошо заземленным паяльником с регулировкой температуры, и стараться не перегревать, запаивать в одно касание. До запайки ОУ рекомендую изготовить DC-DC преобразователь и впаять его.
Это нужно для контроля работоспособности ОУ. После установки первого, подаем питание и контролируем напряжение на входе и выходе. У нормального ОУ должно быть 0 вольт на входе и выходе. Ну и теперь про сам DC — DC. Он делает из 5 вольт +5 и -5 Вольт. Его схема и плата также есть в архиве. Там самое сложное — намотать транс. Нужно обязательно соблюдать полярность намотки и ничего не напутать.

Можно также приобрести готовый DC-DC, при этом немного возрастает уровень шумов осциллографа. После сборки нужно прошить микросхему Eeprom. Для этого устанавливаем перемычку на плате, подключаем по USB к компьютеру, запускаем программу Cypress Suite, заходим в EZ Console, нажимаем кнопку LGeeprom, выбираем файл прошивки из архива (расширение.iic), и прошивка загружается. Подробнее о прошивке можно почитать в . Корпус применен стандартный с маркировкой BIS-M1-BOX-100-01BL. Размер корпуса — 100*78*27 мм. Идеально подходит для платы с архива. Ниже фото самого корпуса и процесса сборки.

Частота измерения: 10 Гц - 7.7 кГц
Макс. входное напряжение: 24В AC / 30В DC
Напряжение питания: 12В DC
Разрешение экрана: 128x64 пикселей
Область экрана осциллограммы: 100x64 пикселей
Информационная область экрана: 28x64 пикселей
Режим триггера: автоматический

Введение

Однажды, просматривая различные интернет сайты по электронике, я наткнулся на очень любопытный проект осциллографа, который был спроектирован с использованием МК PIC18F2550 и графического LCD с контроллером KS0108. Это был веб-сайт Steven Cholewiak . Это была хорошая схема и я решил разработать свой проект осциллографа и использование языка С, на котором я программировал последние года, вместо ассемблера. В качестве среды разработки я использовал , которая основывается на open source AVR-GNU компиляторе и прекрасно работает с . Графическую библиотеку я разработал сам, специально для данного проекта. Если вы захотите ее использовать для каких-то других проектов, то ее необходимо переделывать. При измерении прямоугольного сигнала, максимальная частота, при которой вы увидите хорошую осциллограмму составляет около 5 кГц. Для других форм сигналов (синусоида или треугольный сигнал) максимальная частота составляет около 1 кГц.

Принципиальная схема AVR-осциллографа приведена на картинке ниже (нажмите для увеличения):

Напряжение питания схемы составляет 12 вольт постоянного тока. Из этого напряжения, в дальнейшем получается еще 2 напряжения: +8.2В для IC1 и +5В для IC2, IC3. Устройство может измерять входное напряжение от +2.5В до -2.5В или от 0 до +5В, зависящее от позиции переключателя S1 (выбор типа входного тока: постоянный или переменный). При использовании пробника 1:10, входное напряжение соответственно может быть увеличено в 10 раз. Кроме того, переключателем S2, можно установить дополнительно деление напряжения на 2.

Прошивка ATmega32

Файл прошивки: AVR_oscilloscope.hex, при выборе фьюзов необходимо указать использование внешнего кварца. После, необходимо обязательно отключить JTAG интерфейс, если этого не сделать, то на осциллографе будет отображаться экран инициализации, а после он будет уходить в перезагрузку.

Настройка

Для настройки прибора нужно выполнить всего 2 вещи: настроить контрастность LCD при помощи подстроечного резистора Р2 и выставить центр осциллограммы при помощи подстроечного резистора Р1.

Использование

Вы можете перемещать луч осциллограммы вверх или вниз путем нажатия кнопок S8 и S4. Один квадрат на экране, соответствует 1В.
При помощи кнопок S7 и S3 можно увеличивать или уменьшать частоту измерений. Минимальная частота формы сигнала, которая может быть отображена на LCD составляет 460Гц. Если необходимо посмотреть сигнал с более низкой частотой, например 30Гц, то необходимо нажать S7 для сжатия осциллограммы или S3 для растяжения.
В осциллографе используется автоматический режим триггера. Это означает, что если входной сигнал повторяющийся (к примеру треугольник) то триггер работает хорошо. Но если, форма сигнала постоянно меняется (к примеру какая-то последовательность данных), то для фиксации изображения необходимо нажать кнопку S6. Повторное нажатие S6 возвращает в нормальный режим.

Видео работы осциллографа

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
IC1	Операционный усилитель	LM358	1			В блокнот
IC2	LCD-дисплей	DEM128064A	1	128x64, контроллер KS0108		В блокнот
IC3	МК AVR 8-бит	ATmega32	1			В блокнот
IC4	Линейный регулятор	LM7805	1			В блокнот
D1	Стабилитрон	1N4738A	1	8.2В		В блокнот
D2	Выпрямительный диод	1N4007	1			В блокнот
C1	Конденсатор	470 нФ	1			В блокнот
C2	Конденсатор	27 пФ	1			В блокнот
C3		22 мкФ 16 В	1			В блокнот
C4, C7, C9	Конденсатор	100 нФ	3			В блокнот
C5, C6	Конденсатор	22 пФ	2			В блокнот
C8	Электролитический конденсатор	100 мкФ 25 В	1			В блокнот
R1, R2, R4	Резистор	1 МОм	3			В блокнот
R3, R5	Резистор	390 кОм	2			В блокнот
R6	Резистор	56 Ом	1			В блокнот
R7	Резистор	220 Ом	1			В блокнот
P1	Подстроечный резистор	10 кОм	1			В блокнот
P2	Подстроечный резистор	22 кОм	1			В блокнот
X1	Кварц	16 МГц	1

Похожие статьи