Двухлучевой осциллограф

Вниманию радиолюбителей предлагается малогаба­ритный двухлучевой осциллограф на интегральных микросхемах (ИМС) и транзисторах, предназначенный для визуального исследования одновременно двух электрических сигналов, вольтамперных и фазовых характери­стик и т. п.

В осциллографе применена электроннолучевая труб­ка (ЭЛТ) 8Л039В с длительным послесвечением, что дает возможность наблюдать медленноменяющиеся про­цессы. В отличие от традиционных методов воспроизве­дения второго луча коммутацией сигналов на входе, в данном приборе переключение каналов производится после предварительного усиления, что позволило сохра­нить достаточно высокими входные параметры каналов.

Генератор развертки осциллографа кроме основных режимов (непрерывного и ждущего) может работать с автоматическим переходом из непрерывного режима в ждущий при появлении сигнала: тем самым, помимо удобства эксплуатации, исключена возможность прого­рания люминофора экрана ЭЛТ.

Прибор позволяет сравнивать исследуемые сигналы по амплитуде. Информация в этом случае воспроизво­дится на экране в виде двух светящихся вертикальных линий, положение которых можно произвольно менять.

Диапазон амплитуд исследуемых сигналов 1 мВ — 12 В. Максимальная чувствительность усилителей от­клонения 0,5 мм/мВ; регулировка чувствительности плавная и ступенчатая с коэффициентом пересчета 10 (1 : 1, 1 : 10, 1 : 100). Полоса пропускания осциллографа по уровню 3 дБ составляет 0 — 100 кГц. Входное сопро­тивление 1,6 МОм на всех пределах. Длительность раз­вертки на каждом из пяти диапазонов плавно регули­руется в пределах: 10 с — 1 с; 1 с — 0,1 с; 0,1 с — 10 мс; 10 мс — 1 мс; 1 мс — 0,1 мс. Коэффициент нелинейности развертки не хуже 3%.

Синхронизация развертки осциллографа внутренняя и внешняя. Амплитуда напряжения внешней синхрони­зации 0,15 — 10 В.

Осциллограф питается от сети переменного тока напряжением 220 В. Потребляемая им мощность не преышает 25 Вт. Габариты прибора 115 X 230 X 320 мм.

Осциллограф, функциональная схема которого при­ведена на рис. 1, содержит: ЭЛТ, идентичные каналы вертикального и горизонтального отклонения, коммута­тор каналов, управляемый триггером, мультивибратор, генератор развертки с узлом гашения обратного хода ^лУча ЭЛТ и блок питания. Каждый из каналов отклонения включает в себя аттенюатор, предварительный усилитель и усилитель отклонения. Схема коммутации обеспечивает включение осциллографа в любой из трех основных режимов работы: режим «1 луч». Включение в этот режим работы про­изводится нажатием клавиши S4.1 ячейки сброса блока переключателей S4. При этом выход генератора разверт­ки осциллографа подключается к входу усилителя го­ризонтального отклонения, выход предварительного уси­лителя X канала горизонтального отклонения отключа­ется, а триггер устанавливается в такое состояние, что управляемый им коммутатор каналов обеспечивает подключение выхода предварительного усилителя У к входу усилителя вертикального отклонения.

Рис. 1. Функциональная схема осциллографа

Таким образом, в режиме работы «1 луч» исследуе­мый сигнал подают на вход У канала вертикального от­клонения, а развертка луча ЭЛТ по горизонтали осу­ществляется от генератора развертки. В зависимости от положения переключателя S6 запуск генератора раз­вертки производится сигналом с выхода предваритель­ного усилителя У (внутренняя синхронизация), либо от внешнего генератора через разъем «Вход синхр»;

режим X — У. Нажатием клавиши S4.2 выход пред­варительного усилителя X подключается к входу усили-

теля горизонтального отклонения. В этом режиме ис­пользуются, таким образом, оба канала отклонения: один из исследуемых сигналов подают на вход У кана­ла вертикального отклонения осциллографа, а развертку луча ЭЛТ по горизонтали осуществляют вторым иссле­дуемым сигналом, подаваемым на вход X канала гори­зонтального отклонения. Как известно, такой режим ра­боты весьма удобен для исследования различного рода функциональных зависимостей — вольтамперных харак­теристик, фазовых сдвигов, для определения частоты сигнала методом фигур Лиссажу и т. п.;

режим «2 луча». При нажатой клавише S4.3 выход предварительного усилителя X канала горизонтального отклонения подключается к входу коммутатора каналов. При этом на вход усилителя вертикального отклонения осциллографа с помощью коммутатора поочередно по­даются исследуемые сигналы.

Развертка луча ЭЛТ по горизонтали производится в этом режиме от генератора развертки, выход которого через переключатели S4.2 и 55 подключен к входу уси­лителя горизонтального отклонения.

Управление коммутатором каналов осуществляется выходными сигналами триггера, который, в свою оче­редь, запускается от мультивибратора с частотой 10 кГц, либо — при нажатой клавише переключателя 57 — от генератора развертки. Этот режим используется при ис­следованиях сигналов частотой выше 20 Гц. При иссле­дованиях более низкочастотных процессов для запуска триггера целесообразно использовать мультивибратор; осциллограмма при этом будет представлять собой две непрерывные светящиеся линии;

при нажатии клавиши переключателя 55 вход усили­теля горизонтального отклонения осциллографа подклю­чается в одному из выходов триггера. При подаче на входы X и У осциллографа исследуемых сигналов часто­той выше 20 Гц на экране воспроизводятся две вер­тикальные светящиеся линии, высоты которых опреде­ляются амплитудами исследуемых сигналов. Этот до­полнительный режим удобен при сравнении амплитуд исследуемых сигналов и исследовании медленных про­цессов.

Принципиальная электрическая схема осциллографа приведена на рис. 2.

Каналы вертикального и горизонтального отклонения идентичны, поэтому рассмотрим построение и работу одного из них — канала вертикального отклонения.

Исследуемый сигнал через разъем «Вход Y» (откры­тый вход осциллографа) или через разъем «Вход Y'» (закрытый вход) поступает на ступенчатый аттенюатор S1 с коэффициентами деления: 1 : 1, 1 : 10, 1 : 100. Выход аттенюатора через резистор R11 связан с неинверти-рующим входом предварительного усилителя У — диф­ференциального усилителя, выполненного на ИМС А1 (КШТ591Е) и А2 (К1УТ401Б). Транзисторы микросхе­мы работают в режиме дифференциального эмиттерного повторителя: их нагрузкой является входное сопротивле­ние ИМС А2. В целом предварительный усилитель охвачен отрицательной обратной связью с выхода на инвертирующий вход через резисторы R10, R15.

Переменным резистором R10 осуществляется плавная регулировка усиления от 10 до 100. Смещение луча ЭЛТ по вертикали регулируют резистором R7, а напря­жение смещения нуля на входе усилителя компенсируют подстроечным резистором R14. Диоды VI и V2 установ­лены для защиты входных цепей усилителя от перегру­зок по напряжению. Элементы С4, R16 устраняют само­возбуждение ИМС А2.

Рис. 2 (а и б). Принципиальная схема осциллографа

Такое построение предварительного усилителя обес­печивает входное сопротивление осциллографа не ме­нее 2 МОм на частоте 1000 Гц, малые шумы и дрейф выходного сигнала.

Усилитель вертикального отклонения выполнен на транзисторах V5 и V6 по балансной схеме с эмиттерным повторителем (транзистор V4) на входе. Балансировку усилителя производят переменным резистором R28.

В качестве коммутатора каналов использован ин- тегралькый прерыватель на полевых транзисторах К1КТ901 (A3).

Во входные цепи коммутатора включены диоды V3 и V13, предотвращающие одновременное включение обо­их каналов в случаях больших амплитуд сигналов с вы­ходов микросхем А2 и А5.

Для нормальной работы микросхемы A3 необходимо, чтобы потенциал, открывающий ключ, был больше сум­мы максимального переключаемого напряжения и на­пряжения срабатывания ключа. Поэтому триггер на транзисторах V7 и V10 питается повышенным напряже­нием.

При работе осциллографа в режиме «2 луча» на счет­ный вход триггера через переключатель S4.3 поступают импульсы запуска, которые переключают триггер, обес­печивая тем самым поочередное прохождение через ком­мутатор исследуемых сигналов со входа У и со входа X. В других режимах работы база и эмиттер транзистора V7 замкнуты переключателем S4.3. При этом высокий потенциал на коллекторе запертого транзистора V7 под­держивает коммутатор постоянно открытым для сигна­лов, подаваемых на вход У осциллографа.

Наиболее сложной частью осциллографа является генератор развертки, за основу которого принят с незна­чительными изменениями генератор пилообразного на­пряжения, описанный в журнале «Радио», № 11, 1976 год. Этот генератор формирует пилообразное на­пряжение независимо от того, поступают ли на его вход импульсы запуска или же отсутствуют. При отсутствии синхроимпульсов устройство работает в автоколебатель­ном режиме, а при подаче на вход синхроимпульсов ав­томатически переключается в режим принудительного запуска. Изменения в схеме генератора проводились с целью увеличения амплитуды выходного пилообразного напряжения до 8 В с сохранением достаточной линей­ности развертки.

Пилообразное напряжение формируется здесь путем заряда одного из конденсаторов С22 — С26 постоянным током через токостабилизирующий полевой транзи­стор V17. По окончании рабочего хода развертки кон­денсатор быстро разряжается через транзистор V20, ра­ботающий в режиме ключа.

В предложенной схеме генератора развертки на за­творе токостабилизирующего транзистора V17 действует напряжение обратной связи с коллектора транзисто­ра V18.

Подбор величины сопротивления резистора R63 по­зволяет обеспечить линейность выходного пилообразно­го напряжения не хуже 3%.

Транзистором V20 управляет ждущий мультивибра­тор, собранный на элементе «ЗИ — НЕ» D1.2 и двух (D1.1 и D1.3) инверторах. Длительность импульса, обес­печивающего разряд конденсаторов С22 — С26, определяется конденсаторами С27 — С31, т. е. положением пере­ключателя S3.2. Порог срабатывания мультивибратора, а значит, и максимальное значение амплитуды пилооб­разного напряжения устанавливают подбором резисто­ра R69.

При работе в автоколебательном режиме запуск ждущего мультивибратора производится по входу 2 эле­мента D1.2, а в ждущем режиме — по входу 13, соеди­ненному с выходом 6 триггера D2. Импульсы синхрони­зации вырабатываются устройством, состоящим из уси­лителя на микросхеме А6, работающей в режиме ключа, и дифференцирующей цепочки С16, R67, R68. Ключевой режим работы ИМС А6 обеспечивается положительной обратной связью через резистор R66. Уровень синхрони­зации устанавливают переменным резистором R61. Сформированные таким образом импульсы синхрониза­ции поступают на вход G триггера D2 и на устройство (D3.1, V26 и D3.2), определяющее наличие синхроим­пульсов. В случае отсутствия синхроимпульсов на вход 13 элемента D1.2 с выхода 6 триггера D2 посту­пает высокий логический уровень, разрешающий запуск ждущего мультивибратора по входу 2.

При наличии синхроимпульсов уровень логической единицы с выхода 6 элемента D3.2 воздействует на вход R триггера D2, блокируя тем самым генератор раз­вертки до очередного синхроимпульса. Если же очеред­ной синхроимпульс не поступает в течение 0,3 — 0,5 с, то уровень логического нуля с выхода 6 элемента D3.2 переключает генератор развертки в режим автоколе­баний.

Включение генератора развертки в принудительный ждущий режим работы осуществляется нажатием кла­виши переключателя S8. Тогда на выходе элемента D3.2 формируется постоянный высокий уровень, разрешаю­щий развертку луча ЭЛТ только с поступлением синхро­импульса.

Выходные сигналы мультивибратора, построенного на элементах Dl.l, D1.2 и D1.3, поступают также на ба­зу транзистора V27 узла гашения луча ЭЛТ и, кроме того, через согласующий эмиттерный повторитель на транзисторе V23 и переключатель S7 поданы в обмотку трансформатора Т1 для управления коммутатором ка­налов осциллографа.

Мультивибратор, обеспечивающий (при нажатии кла­виши переключателя 57) переключение каналов осцил­лографа с частотой 10 кГц, построен на элементах D3.3, 03.4 с хронирующими конденсаторами С19 и С20.

Блок питания осуществляет стабилизированное пита­ние микросхем и нестабилизированное питание выход­ных каскадов, накала ЭЛТ и ее электродов. Высокое напряжение вырабатывается й блоке питания методом учетверения. Средняя точка умножителя заземлена — этим достигается получение симметричных относитель­но корпуса напряжений +1,5 кВ и — 1,5 кВ.

Основа конструкции осциллографа — каркас, выпол­ненный из дюралюминиевого уголка размером 15 X 15 мм.

Для защиты от влияний внешних электромагнитных полей осциллографическая трубка заключена в глухой цилиндрический экран, изготовленный из стального лис­та толщиной 1,0 мм.

Монтаж осциллографа выполнен на четырех печат­ных платах: на плате 1 размещены элементы канала вертикального отклонения и коммутатора каналов с управляющим триггером; канал горизонтального откло­нения и генератор развертки осциллографа смонтирова­ны на платах 2 и 3 соответственно, а монтаж блока пи­тания выполнен на плате 4.

Плата 4 изготовлена размером 60 X 120 мм, а раз­меры остальных печатных плат составляют 55 X 120 мм.

При сборке осциллографа печатные платы устанав­ливают вертикально вдоль боковых стенок корпуса (по две с каждой стороны) и закрепляют на каркасе.

Потенциометры и кнопочные переключатели типа П2К установлены на передней панели осциллографа, изготов­ленной из дюралюминия толщиной 3 мм.

Переключатели S1 — S3, с целью более полного ис­пользования внутреннего объема, закреплены на отдель­ной панели, установленной за потенциометрами. Ручки этих переключателей выведены на переднюю панель при­бора.

В качестве входных гнезд осциллографа использова­на колодка РП-14 с 16 контактами. Контакты нижнего ряда колодки соединены с корпусом. Транзисторы V5, V6 и V15, V16 попарно подобраны и установлены на .; Радиаторах, изготовленных из П-образного уголка.

В качестве изолятора применена лавсановая пленка тол­щиной 0,05 мм.

Проводники объемного монтажа связаны нитками в жгут таким образом, что каждая плата и передняя па-нель осциллографа могут откидываться.

Боковые стенки корпуса прибора изготовлены из дюр­алюминия толщиной 2 мм. В углах стенок просверлены группы вентиляционных отверстий диаметром 4 мм. На верхней крышке осциллографа установлена ручка для его переноски. Наружная поверхность корпуса прибора, исключая переднюю панель, оклеена пленкой, имити­рующей ценные породы дерева.

В качестве трансформатора 77 можно использовать выходной трансформатор любого транзисторного прием­ника. Первичная обмотка его подключается к конденса­тору С32.

Силовой трансформатор Т2 выполнен на сердечни­ке ПЛ12,5 X 2,5 — 40 со следующими моточными данны­ми: обмотки I, II, III имеют соответственно 2200, 150 и 150 витков провода ПЭВ-2; обмотка IV содержит 1750 витков провода ПЭВ-2 0,1; обмотки V и VII — 75 и 80 витков соответственно провода ПЭВ-2 0,55; а высоко­вольтная обмотка VI выполняется проводом ПЭЛШО 0,09 и содержит 7000 витков.

Силовой трансформатор установлен в осциллографе у задней стенки под цоколем ЭЛТ. Электромагнитный экран трансформатора, изготовленный из стали толщи­ной 1,0 мм, использован одновременно и для установки конденсаторов СЗЗ — С36 фильтра высокого напряжения.

Электролитические конденсаторы С37 — С38 крепятся на специальном кронштейне.

Применение микросхем позволило значительно упро­стить процесс наладки осциллографа. Прежде всего сле­дует проверить работоспособность всех источников пи­тания.

Перед включением осциллографа в сеть убеждаются в отсутствии коротких замыканий в цепях питания. Из­меряют выходные напряжения блока питания на со­ответствие значениям, указанным на принципиальной схеме.

Проверяют правильность подачи напряжений на электроды ЭЛТ и действие регулировок яркости и фо­кусировки.

Затем приступают к настройке плат усилителей от­клонения. Регулировку R10 устанавливают в положение, Соответствующее максимальному усилению канала вер­тикального отклонения. Движок резистора R7 следует установить в среднее положение. Подстроечным рези­стором R14 на выходе микросхемы А2 устанавливают напряжение, равное 0 ± 0,5 В. С помощью подстроечного резистора R28 производят балансировку усилители вертикального отклонения, установив на коллекторах транзисторов V5 и V6 напряжения, равные +105 ±5 В относительно корпуса.

Аналогичные регулировки производят на плате уси­лителя горизонтального отклонения.

Самовозбуждение в ИМС А2 и А5 устраняют подбо­ром сопротивлений резисторов R16 и R48. При необхо­димости следует подобрать также и емкости конденсато­ров С4 и С13.

Затем проверяют правильность работы каналов ос­циллографа в целом. Нажатием клавиши S4.2 осцилло­граф включают в режим работы X — У. При этом све­тящаяся точка на экране ЭЛТ должна располагаться в центральной его области. Проверяют действие регу­лировок смещения (R7 и R39).

Подав сигнал на вход У осциллографа, убеждаются в наличии вертикального отклонения луча ЭЛТ. Анало­гичную проверку производят и в канале горизонтально­го отклонения. При подаче сигнала одновременно на оба входа осциллографа, на экране должен воспроизводить­ся отрезок прямой линии, располагающийся (в случае равенства коэффициентов усиления в каналах) под углом 45°.

Если при подаче на входы осциллографа низкочас­тотных сигналов (частотой менее 100 Гц) наблюдается отклонение траектории луча от прямолинейной, то это свидетельствует о нелинейности амплитудной характери­стики одного из каналов. Обычно это происходит из-за неисправностей в одном из усилителей отклонения.

Иногда из-за несимметричности частотных и фазовых характеристик каналов при подаче на входы осцилло­графа высокочастотных сигналов (частотой более 10 кГц) наблюдается раздвоение луча. При необходи­мости указанное явление устраняется более тщательным Подбором элементов С4, R16 и С13, R48,

Настройку генератора развертки следует начать с подбора резистора R69. Для этого нажимают клавишу переключателя S3, а переменный резистор R60 устанав­ливают в положение, соответствующее самой медленной развертке. Затем, контролируя вольтметром напряже­ние на выходе генератора, следует подобрать такое со­противление резистора, при котором размах амплитуды выходного напряжения достигает 8 В.

Для подбора сопротивления резистора R63 в разрыв цепи между стоком полевого транзистора V17 и конден­сатором С22 необходимо включить микроамперметр, рас­считанный на измерение постоянного тока до 100 мкА. Следует подобрать такое значение R63, при котором ток в процессе заряда конденсатора С22 остается по­стоянным и составляет 50 — 70 мкА. Подгонку диапазона развертки осциллографа производят подбором сопротив­ления резистора R62. Все остальные диапазоны разверт­ки сопрягаются автоматически.

Правильность работы генератора развертки прове­ряют следующим образом: на вход Y осциллографа с НЧ-генератора подают сигнал частотой 1000 Гц. Вращая ручку потенциометра R61, следует убедиться в наличии синхронизации. Затем быстрым поворотом регулиров­ки R61 синхронизацию сбивают. При этом развертка луча должна исчезнуть, а через 0,5 — 0,7 с вновь появить­ся, но уже в автоколебательном режиме. Восстановив резистором R61 синхронизацию, следует нажать клави­шу переключателя S8 и убедиться в наличии принуди­тельной ждущей развертки.

Остальные узлы осциллографа при правильно выпол­ненном монтаже регулировок не требуют.