Матричные осциллографы

Цифровые устройства регистрации

 

Цифровые регистраторы данных предназначены для записи технических  параметров в цифровом виде на электронные  носители информации — магнитные  диски, твердотельные накопители и  т. д. В простейшем случае цифровой регистратор  представляет собой микропроцессорное  устройство с аналого-цифровым, преобразователем, цифровым таймером для временно́й привязки и накопителем информации, в более сложных случаях — это специализированная ЭВМ, которая кроме простой записи информации по множеству каналов предоставляет возможность обработки информации, в т. ч. в режиме реального времени, и её визуализацию на экране дисплея. Возможна реализация устройства регистрации на базе обычного универсального компьютера с АЦП при помощи соответствующего программного средства.

 

Устройства записи временных графиков на визуальные носители

 

По способу записи такие  устройства бывают двух видов —  с записью на бумаге чернильным пером  или процарапыванием иглой на плёнке со специальным покрытием, и  с записью на фотоплёнке (светолучевые осциллографы). Функционально самописец  состоит из устройства для равномерного непрерывного перемещения носителя (бумаги, плёнки) и измерительного механизма, перемещающего перо, корундовую иглу для процарапывания или зеркальце  осциллографа, направляющее луч в  нужное место на фотоплёнке. Самописцы  бывают одноканальные — для записи одного параметра и многоканальные — для одновременно записи нескольких параметров. Для многоканальной регистрации  возможно применение нескольких измерительных  механизмов или использование точечной записи, при которой один механизм через короткие промежутки времени  поочередно переключается на разные каналы, в результате чего на ленте  получается несколько графиков из точек  или коротких штрихов.

 

Примеры технических средств  с использованием автоматической регистрации  данных

 

 

 Прибор с цифропечатающим  устройством

 Перьевой самописец

 Бортовое устройство регистрации

 Компактный электронный регистратор

 Электронный регистратор с  цветным ЖКИ.

 

 

 

 

Импульсный матричный  осциллограф

 

Используемые при проверке и налаживании цифровой техники  логические пробники и т. п. устройства рассчитаны, как правило, на проверку работы интегральных микросхем только одной логики и обычно не позволяют  измерить временные параметры контролируемых импульсов. Не всегда помогают делу и  осциллографы, особенно при исследовании редко повторяющихся импульсов, поиске причин случайных сбоев в  аппаратуре и т, п. От всех этих недостатков свободен импульсный матричный запоминающий осциллограф, внешний вид которого показан на рис. 1.

 

 

Осциллографом можно измерить размах импульсов в пределах 0,5...30 В, определить длительность импульсов с периодом следования от 1 мкс и более, их фронтов и спадов с погрешностью не более ±10%. Полоса пропускания прибора — 0...20 МГц, входное сопротивление — 1 МОм. Генератор осциллографа работает в ждущем режиме и может быть синхронизирован как внутренним, так и внешним сигналом с частотой следования импульсов до 10 МГц и амплитудой ±2,5...10 В. Он формирует стробирующие импульсы восемнадцати калиброванных длительностей в пределах 0,1 мкс — 50 мс, кратных 2, 5 и 10. Предусмотрена плавная регулировка частоты повторения стробирующих импульсов. Потребляемая осциллографом мощность — 12 Вт, его размеры — 200Х152Х54 мм, масса --1,2 кг.

 

Прибор позволяет исследовать  один импульсный сигнал по двум уровням  или одновременно два сигнала  по одному уровню каждый. Сигналы отображаются на дисплее, представляющем собой двухрядную матрицу светодиодов (по 16 в каждом ряду). Размах импульсов определяют по линейному индикатору, состоящему из 13 светодиодов.

Структурная схема осциллографа изображена на рис. 2, временные диаграммы  работы и состояния дисплея и  индикатора амплитуды — на рис. 3 (полностью закрашенные кружки в  индикаторах соответствуют ярко светящимся светодиодам, наполовину —  слабо светящимся, незакрашенные —- негорящим). При контроле по двум уровням сигнал подают на гнездо “Вход 2”, переключатель SA4 устанавливают в положение “Совместно”. Его переводят в положение “Раздельно” в случае исследования по одному уровню двух сигналов, которые подают на гнезда “Вход 1” и “Вход 2”. Если необходимо, сигналы ослабляют входными делителями A3 и А4.

 

 

Рис. 3. Временные диаграммы: а — для пояснения принципа работы осциллографа по структурной  схеме, б — при исследовании положительного сигнала по двум уровням, в — при контроле двух отрицательных сигналов по одному уровню.

 

Предположим, что исследуется  сигнал по двум уровням, как показано на рис. 3,а. Напряжения компарирования Uверхн и Uнижн устанавливают соответственно в компараторах верхнего (А2) и нижнего (А5) уровней (см. рис. 2). При превышении амплитудой входного сигнала установленных уровней на выходах компараторов появляются напряжения логической I. Так как переключатель SA4 находится в положении “Совместно”, выход компаратора А5 подключен к линейке триггеров DS1— DS16 через инвертор DD3. Генератор 01 вырабатывает короткие стробирующие импульсы, которые поступают на дешифратор DD2, содержащий 16-разрядный счетчик и собственно дешифратор. Импульсы на выходах последнего возникают поочередно, один раз в каждый цикл, как показано на рис. 3,а. В результате в каждый триггер линейки DS1—DS16 записывается состояние компаратора в момент спада соответствующего стробирующего импульса. Выходы триггеров, запоминающих информацию о состоянии компаратора нижнего уровня А5, подключены к светодиодам нижнего ряда дисплея HL.1 (см. рис. 2). К светодиодам его верхнего ряда подсоединены выходы триггеров, запоминающих информацию о состоянии компаратора верхнего уровня А2. На дисплее получается рисунок из светящихся светодиодов, соответствующий форме входного сигнала (см. рис. 3,а). Размах исследуемых импульсов наблюдают на индикаторе HL2.

Источник синхронизирующего  сигнала выбирают переключателем SA3, его полярность — переключателем SA2. Для изменения последней служит инвертор DD1, а для согласования с внешним источником синхронизирующих импульсов — эмиттерный повторитель А1. Источник G2 вырабатывает необходимые напряжения питания.

 

Принципиальная схема  осциллографа представлена на рис. 4.

 

Компаратор нижнего уровня собран на транзисторах VT6, VT9- VT11 и диодах VD42, VD43, VD46. Диоды VD42, VD43 ограничивают напряжение на затворе транзистора VT6 на уровнях ±5 В, определяемых стабилитронами VD40, VD41, что предохраняет компаратор от перегрузок. Переменным резистором R77 устанавливают напряжение на базе транзистора VT10 — нижний уровень компарирования. Если на гнездо XS3 поступает сигнал, напряжение которого больше этого уровня, транзистор VT9 открывается. Но так как ток через катушку L2 мгновенно измениться не может, ток транзистора протекает через туннельный диод VD46, и он переключается в состояние, в котором на нем падает большее напряжение. 'На диоде формируется импульс с очень крутым франтом. Как только напряжение входного сигнала становится меньше нижнего уровня компарирования, транзистор VT9 закрывается и диод возвращается в исходное состояние. Сформированный таким образом импульс управляет транзисторным ключом VT11.

Аналогично работает и  компаратор верхнего уровня (VT2—VT5, VD37— VD39), устанавливаемого переменным резистором R53.

Индикатор амплитуды включает в себя линейку светодиодов (VD47— VD59), ключи (VT12—VT23, VD60— VD71). источник тока (VT24, VD72) и двухтактный эмиттерный повторитель (VT7, VT8, VD44, VD45).

Пока напряжение на движке подстроечного резистора R71 относительно эмиттера транзистора VT23 меньше 0,6...0,7 В, транзисторы VT12—VT23 закрыты, ток протекает через последовательно включенные диоды VD60— VD71 и светодиод VD59 светится. С повышением входного напряжения открывается транзистор VT23 и зажигается светодиод VD58, а светодиод VD59 гаснет. При дальнейшем росте напряжения поочередно открываются остальные транзисторные ключи, загораются соответствующие им светодиоды, а предыдущие гаснут. Таким образом, светящаяся точка на индикаторе перемещается до тех пор, пока не откроется транзистор VT12. Понижение входного напряжения приводит к тому, что транзисторы поочередно закрываются, а светящаяся точка перемещается в противоположном направлении. При поступлении на вход осциллографа периодического сигнала на индикаторе наблюдается светящаяся полоса (см. рис. 3,а).

Сопротивление подстроечного резистора R101 устанавливают таким, чтобы в отсутствие входного напряжения светился средний светодиод индикатора VD53. При подаче на вход компаратора

напряжения +3 В светится светодиод VD47, чего добиваются подстроечным резистором R71.

 

Эмиттерный повторитель  узла синхронизации выполнен на транзисторе  VT1. Диоды VD1 и VD2 защищают его от перегрузок. Элемент DD13.1 обеспечивает формирование, а DD1.4 — изменение полярности синхронизирующих импульсов.

Дифференцирующая цепь C19R4 и инвертор DD1.1 образуют формирователь запускающего импульса, который переключает триггер на элементах DD1.2, DD1.3. Уровень 1 на его выходе разрешает работу генератора стробирующих импульсов, собранного на микросхеме DD2. Их период следования определяется положением переключателя SA1, подключающим один из времязадающих конденсаторов С1 -С17, и движка переменного резистора R5; длительность задана элементами VD4 и R8. Эти импульсы поступают в двоичный счетчик DD3, и на выходах дешифратора поочередно появляется один отрицательный стробирующий импульс.

Каждый выход дешифратора  через соответствующий “инвертор  микросхем DD15—DD17 соединен с входами С одной из пар триггеров микросхем DD5— DD12. По фронту стробирующих импульсов состояния триггеров изменяются, а по спадам запоминаются в соответствии с логическим уровнем на их входах D в данный момент. Так как входы D-триггеров, нагруженных светодиодами нижнего ряда дисплея (VD6, VD8, VD10 и т. д.), соединены с выходом элемента DD14.2, они запоминают состояние компаратора нижнего уровня. Элементы DD13.5, DD13.6, DD17.5 выравнивают время прохождения сигналов в узле синхронизации и компараторе. Другие триггеры микросхем DD5—DD12 нагружены светодиодами верхнего ряда дисплея (VD5, VD7, VD9 и т. д.), а их входы D соединены с элементом DD14.1, выходное напряжение которого зависит от состояния компаратора верхнего уровня.

Как только на выходе =>15 счетчика DD3 появляется уровень 0 (в момент воздействия 16-го стробирующего импульса), триггер на элементах DD1.2, DD1.3 переключается в исходное состояние и осциллограф готов к следующему циклу работы. В результате триггеры микросхем DD5 -DD12 запоминают поступающий на вход осциллографа сигнал и на дисплее отображается его форма.

 

Для примера на рис. 3,б  показана “осциллограмма” импульса положительной полярности амплитудой 3 В при компарировании по двум уровням (изображены штриховыми линиями) и соответствующие этому случаю временные диаграммы. В качестве синхронизирующего использован внешний сигнал.

При исследовании двух сигналов (каждый по одному уровню) триггеры микросхем  DD5 -DD12 запоминают состояния соответствующих компараторов, и каждый ряд светодиодов дисплея отображает свои входные импульсы. Этот режим работы иллюстрируется рис. 3,в, который соответствует случаю, когда на входы поданы сигналы отрицательной полярности (синхронизация — также внешняя).

Стабилизаторы напряжений питания +10 и — 10 В собраны на транзисторах VT25, VT26 и стабилитронах VD73, VD74 соответственно, напряжения +5 В — на транзисторе VT27 и микросхеме DA1. Последний обеспечивает ток нагрузки до 1 А.

Катушки L1 и L2 (по 17 витков провода ПЭТВ 0,2) намотаны виток к витку на резисторах МЛТ-0,25 сопротивлением 200 Ом. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе ШЛ 16Х20. Обмотка 1 содержит 2360 витков провода ПЭВ-1 0,12, II -- 300 витков провода ПЭВ-1 0,2 (отвод от середины). Ill — 70 витков провода ПЭВ-1 0,5. Дроссели L3 и L4 - ДМ-0,15.

Внешний вид осциллографа показан на рис. 1. Для предотвращения случайного смещения ручек переменных резисторов установки уровней лицевая (верхняя) панель снабжена легкосъемной защитной крышкой. При переноске и хранении сетевой шнур (на рисунке не показан) наматывают на корпус прибора, а вилку вставляют в специально предусмотренные гнезда на лицевой панели. Переключатель синхронизации и сетевой предохранитель установлены на задней стенке прибора. В изображенном варианте осциллографа в качестве входных розеток “Вход I”, “Вход 2”, “Внешн. синхр” применены малогабаритные гнезда, используемые в радиоприемниках для подключения головных телефонов, четвертое гнездо — общий провод прибора.

При налаживании прибора прежде всего по указанной выше методике устанавливают в соответствующие положения движки подстроечных резисторов R71, R101. Резисторами R45 и R63 подстраивают нулевые значения шкал переменных резисторов установки уровней R53 и R77 соответственно. Для этого при замкнутых гнездах розеток “Вход I” и “Вход 2” переключатель SA4 устанавливают в положение “Раздельно”, а движки резисторов R53 и R77 — напротив нулевых отметок. Изменяя сопротивления резисторов R45 и R63, добиваются неустойчивого свечения дисплея. Далее градуируют шкалы переменных резисторов R53, R77 (через каждые 0,5 В), подавая на соответствующий вход стабилизированное напряжение от —3 до +3 В (переключатели входных делителей — в положении “1:1”). Затем движок переменного резистора R5 устанавливают в крайнее правое (по схеме) положение и измеряют периоды следования стробируюших импульсов. При необходимости подбирают соответствующие конденсаторы С1—С17. И наконец, градуируют безразмерные шкалы резистора R5.

При исследовании по двум уровням  сигнал, как уже говорилось, подают на гнездо “Вход 2” (тумблер “Раздельно”  — “Совместно” переключают в  положение “Совместно”). Если его  амплитуда заранее известна, движки переменных резисторов уровня и переключатель  ослабления SA6 (левый на рис. 1) устанавливают в необходимые положения. Если же амплитуда сигнала неизвестна, то переключатель ослабления переводят сначала в положение “1:10” и по индикатору амплитуды определяют ее значение. Если она мала, переключатель ослабления устанавливают в положение “1:1”.