Глава 3. Путешествие по плате с осциллографом

Устройство, которое лежит в разобранном виде передо мной, не работает, потому я его и разобрал. Если «побродить» по выводам элементов его схемы щупом осциллографа, то, вероятнее всего, ничего интересного не увидишь. Но можно проверить работоспособность элементов, а если найдется что-то явно вышедшее из строя, попробовать заменить неисправный элемент. Так что, есть, мне кажется смысл, «побродить». Однако вначале, кому-то не интересно, но кому-то может показаться полезным, разберемся с тем

Что такое осциллограф?

Осциллограф, правильнее называть его осциллоскопом, но я – привык – буду называть его осциллографом, это изумительнейший прибор, который позволяет воочию наблюдать все, происходящее в схеме. Конечно, если наблюдать постоянное напряжение на резисторе (или любом другом элементе схемы), то удовольствия не больше, чем от просмотра рекламы по телевизору. Но современные осциллографы и в этом случае «на коне», их часто объединяют с мультиметром, и вы можете произвести измерения с необходимой точностью. А вот во всем, что связано с переменным напряжением, равным по наглядности этому прибору я не знаю. Даже самый примитивный осциллограф, о котором я собираюсь рассказать, вызывает у меня чувство гордости за принадлежность к роду человеческому, способному решать свои проблемы с такой великолепной изобретательностью.

Основным элементом традиционного осциллографа является специальным образом устроенная радиолампа. Стеклянный баллон, из которого выкачан воздух, имеет специальное покрытие на плоском торце, имеет, как любая радиолампа, катод, при нагреве излучающий носители тока (в данном случае электроны, которые «разогреты» настолько, что в своем тепловом движении улетают за пределы металла), анод, выполненный так, чтобы не задерживать электроны. Если между катодом и анодом приложить напряжение, подключив их к источнику ЭДС, то между ними появится электрическое поле, разгоняющее электроны, вылетевшие из катода. Разогнавшись, электроны пролетают мимо анода и попадают на плоский торец баллона, вызывая свечение покрывающего его вещества. Такую специальную лампу называют электронно-лучевой осциллографической трубкой. Устройство анода позволяет так сфокусировать поток электронов, что на торце, покрытом люминофором (специальным составом, светящимся под воздействием потока электронов), при включении трубки появится светящаяся точка.

Кроме этих электродов осциллографическая трубка имеет две пары взаимно перпендикулярно расположенных пластин. Если подать напряжение на одну пару (от источника ЭДС), то под воздействием электрического поля, возникающего между пластинами, поток электронов откланяется так, что точка из центра экрана осциллографа (торец с люминофором) переместится к его краю. К какому, зависит от полярности приложенного к пластинам напряжения. Если полярность напряжения поменять, то светящаяся точка переместится к противоположному краю. Если это напряжение подать на вторую пару пластин, то точка будет смещаться к верней и нижней кромке экрана. Первая пара называется горизонтальными отклоняющими пластинами, вторая пара – вертикальными.

Если мы подадим на горизонтальные отклоняющие пластины такое напряжение, чтобы светящаяся точка сместилась к левому краю экрана, затем плавно будем уменьшать это напряжение до нуля, используя делитель напряжения (потенциометр), то точка переместится от левого края экрана в его центр. Если теперь поменяем полярность напряжения и плавно увеличивать его, то точка переместится к правому краю экрана.

Предположим, что мы настолько изобретательны, что можем создать источник питания, который в начальный момент времени дает напряжение одной полярности, плавно убывающее до нуля, затем плавно возрастающее в другой полярности, и резко возвращающееся к исходной полярности. И так раз за разом в постоянном ритме. Что мы увидим на экране? Точку, которая появляется у левого края экрана, плавно движется к правому краю, затем резко перемещается к левому краю, и так раз за разом. Если бы экран был бесконечен, то точку не надо было бы возвращать назад, а плавное движение светящейся точки по экрану мы можем, как вы уже сообразили, уподобить плавному равномерному течению времени.

Если на оставшуюся пару (вертикального отклонения) пластин подать исследуемое нами напряжение, то любое переменное напряжение будет наглядно представлено на экране осциллографа: в каждый момент времени светящаяся точка будет занимать такое вертикальное положение, которое соответствует наблюдаемому напряжению.

Вот так, приблизительно, устроен простейший осциллограф. Он удобен для наблюдения периодических переменных напряжений. Для большего удобства период напряжения, подаваемого на горизонтальные отклоняющие пластины, его еще называют напряжением развертки, делают изменяемым. Для медленных процессов, этот период повторения может быть порядка секунд, для быстрых, как у радиосигналов, миллионных долей секунды. При быстрых повторениях развертки глаз уже не может разглядеть точку, он видит сплошную линию. На экран осциллографа для возможности оценки параметров наблюдаемого напряжения наносят сетку, имеющую деления, а переключатель времени периода развертки помечают значениями в сек/деление (или миллисекунда, микросекунда). Наблюдая, сколько делений занимает период исследуемого сигнала, мы можем оценить его в секундах, можем перевести период в частоту сигнала.

Напряжение, которое нужно подать на пластины вертикального отклонения, чтобы переместить светящуюся точку от нижнего края экрана к верхнему, может составлять сотни вольт. А сигналы, которые мы наблюдаем, могут иметь величину в единицы милливольт (тысячных долей вольта). Следовательно, перед подачей напряжения сигнала на пластины вертикального отклонения его нужно усилить. И, чтобы работать с разными наблюдаемыми напряжениями, усилитель можно дополнить делителем напряжения. Переключатель напряжения вертикального отклонения обычно обозначают в вольт/деление. Теперь мы можем определить и величину переменного напряжения.

Если вы начинающий любитель, и если вам позволяют финансы, обязательно обзаведитесь осциллографом. Сегодня можно купить и самый современный традиционный осциллограф, и сверх портативный, по размерам мультиметра, и совмещающий возможности мультиметра и осциллографа, и приставку к компьютеру, позволяющую использовать экран монитора, как экран осциллографа. Но не огорчайтесь, если не будет возможности обзавестись на первых порах осциллографом. Есть программы, превращающие звуковую карту компьютера, а они все имеют линейный вход, в осциллограф для наблюдения переменных напряжений звуковой частоты. Не с любой звуковой картой они работают, но это можно определить только испробовав программу. Кроме того, можно с успехом использовать такие программы, как PSIM и Qucs, чтобы увидеть все интересное, что есть в электрических схемах. А программа Multisim, которая стоит, однако, не дешевле очень неплохого осциллографа, может познакомить вас с работой реального осциллографа, у которого нажимаются кнопки, крутятся ручки, не хватает только описания работы с таким осциллографом, потому что потребуется время, чтобы разобраться, как с ним работать. Но, честное слово, это время будет потрачено не зря – осциллограф великолепнейшее изобретение, как, впрочем, любые измерительные приборы.

Что такое сигнал?

Договоримся, что любое переменное напряжение, которое мы можем (хотя бы в принципе) наблюдать на экране осциллографа, мы будем называть сигналом, который несет либо ранее заложенную в него информацию, либо информацию о состоянии точки наблюдения. Такая информация может быть использована для анализа состояния схемы в данной точке. Чтобы не быть голословным, я хочу проверить «жива» ли микросхема операционного усилителя на плате не работающего устройства, лежащего передо мной. Мне понадобится осциллограф. С реальной микросхемой я использую старенький С1-94, который у меня есть. Мне понадобится генератор низкой частоты, есть у меня и такой. А схему проверки я изображу в программе Qucs.




Рис. 3.1. Проверка работоспособности операционного усилителя

Прежде, чем проверять микросхему на плате, я зарядил батарейный отсек прибора, нужен же источник питания, и мультиметром проверил наличие питающих напряжений на выводах микросхемы. Если нет питающего напряжения, то и «живая» микросхема работать не будет. Конденсатор, на схеме С1, я подпаял, а то, что увидел на экране осциллографа ничем не отличается от того, что на рисунке. Генератор, на рисунке он изображен в виде источника переменного напряжения V1, создает синусоидальное напряжение, и это напряжение можно наблюдать на выходе схемы (метка output) с помощью осциллографа. Схема включения операционного усилителя позволяет быстро оценить коэффициент усиления. Для этого можно разделить величину резистора отрицательной обратной связи, на рисунке R3, на величину резистора на инверсном входе, R1. От генератора я подаю напряжение 1 В, на выходе получаю искомые 10 В. Микросхема, эта микросхема, жива. Здесь, если оценивать усиление, следует вспомнить, что сопротивление конденсатора переменному току – это некоторая величина, образующая со входным сопротивлением усилителя делитель напряжения. Попробуйте заменить конденсатор С1 на другой, имеющий величину, положим 100 пФ (пикофарад), и посмотрите, что получится.

Раз уж я включил генератор и осциллограф, посмотрю, жива ли цифровая микросхема? Для ее проверки я использую тот же прием. Вначале проверю напряжение на выводах питания. Напряжение есть. Теперь, памятуя о таблицах истинности, и что логические элементы микросхемы двух-входовые, проверю, какое напряжение на входах (для схемы «И-НЕ» мне нужен высокий уровень), потом подаю сигнал от генератора.




Рис. 3.2. Проверка работоспособности цифровой микросхемы

На рисунке я не стал менять напряжения источников постоянного и переменного напряжения, программа успешно работает с уровнем 1 В, а выходное напряжение реального генератора пришлось увеличить до 2.5 В. И конденсатор С1 пришлось заменить, существенно увеличив его значение. Но на экране осциллографа, подключенного к выходу микросхемы, я увидел ту же, практически, картинку, что показывает программа Qucs. Не все элементы, их у этой цифровой микросхемы четыре, имеют на входах высокие логические уровни, так что, не все я могу проверить с помощью генератора, даже переключив его в режим генерации прямоугольных импульсов. Вы, понимаете. Хотя есть, конечно, приемы, позволяющие проверить и работоспособность входов, которые получают от предыдущих элементов схемы сигнал в виде логического нуля. Есть специальный пробник, который очень коротким импульсом может изменить состояние и такого входа на состояние логической единицы. Но собирать пробник мне хочется, хотя он совсем не сложен. Мне проще заменить микросхему, благо исправная такая же у меня есть. Но вернемся к сигналам.

Сигналы, которые я наблюдал на экране осциллографа, принесли мне информацию «о здоровье» микросхем. Радиосигнал, полученный приемником в вашем автомобиле, несет вам информацию о событиях в мире, развлекает вас музыкой и анекдотами, сообщает о пробках на дороге. Как выглядит радиосигнал? Здесь осциллограф мне пока не поможет, не разбирать же радиоприемник, да и тот у меня в часах-будильнике. Осциллограф не поможет, а программа Qucs поможет.




Рис. 3.3. Амплитудно-модулированный радиосигнал

В программе я выбрал на вкладке компонент в разделе источников «Источник с АМ-модуляцией» V1, для которой мне понадобился второй источник «источник напряжения переменного тока» V2. Первый я настроил на частоту несущей 1 МГц, второй на частоту 5 кГц. А что такое несущая?

Когда я говорил о синусоидальном переменном напряжении, то привел формулу y=A*Sin(x). Функция синуса, как мы знаем, периодическая и изменяется от 0 до 1 по закону синуса. Напряжения, как мы знаем, бывают разной величины. Чтобы отобразить это я добавил к функции синуса множитель А – постоянную величину, некоторое число: 2, 10, любое. Эта постоянная величина изменила амплитуду, то есть, теперь наш синус будет меняться от 0 до А. Когда я рассказывал об осциллографе, то говорил, что горизонтальная развертка, как бы моделирует время, задавая его течение по оси x. Периодическая функция синуса означает, что есть некоторое время, называемое периодом, через которое вид функции будет повторяться. Чем меньше это время, тем чаще (с большей частотой) повторяется вид функции. На рис. 3.3 несущая частота (что-то вроде грузчика), определяемая источником V1, меняется часто, с частотой 1 МГц. Если бы источник V2 был источником постоянного напряжения, то мы увидели бы просто синусоиду. Множитель «А» был бы именно постоянной. Но, представим себе, что множитель А – это тоже функция, для определенности тоже синусоидальная, которая меняется значительно медленнее, чем несущая частота. Другими словами, ее период много больше, или ее частота много меньше. Тогда амплитуда несущей в каждый момент времени была бы равна значению этой функции, и амплитуда медленно-медленно менялась бы, как мы видим на рис. 3.3. Эта переменная амплитуда содержит тот полезный сигнал, который нас интересует, когда мы слушаем радио. А быстро меняющееся напряжение источника V1 несет этот полезный сигнал через реки и поля, города и страны. Потому и называется несущей частотой. На эту частоту настроен ваш приемник. Конечно, речь диктора, рассказывающего о новостях, выглядит иначе, чем напряжение от источника V2, но это уже не столь важно, тем более, что если диктор «присвистнет» от удивления, то сигнал будет почти таким же. И еще. Для формирования информации мы воспользовались воздействием на амплитуду сложного переменного напряжения. Поэтому такой вид переноса информации (модуляции, воздействия на модуль) называется амплитудной модуляцией. Сегодня чаще, пожалуй, применяют другой вид модуляции – частотную модуляцию.




Рис. 3.4. Радиосигнал с частотной модуляцией

При таком способе модуляции частота несущей меняется в темпе информационного сигнала пропорционально его амплитуде. О преимуществах частотной модуляции и других видах мы поговорим, возможно, позже, как и о разных видах сигналов, применяемых в электронике, а сейчас я хотел бы отметить, что многие генераторы испытательных сигналов производят синусоидальное переменное напряжение. Почему?

Видимо потому, что такой сигнал нельзя разложить на составляющие. Многие другие сигналы: прямоугольные, треугольные, пилообразные (как сигнал генератора развертки у осциллографа) можно представить, как совокупность синусоидальных сигналов с разными частотами, амплитудами и фазами. В математике есть аппарат, разработанный математиком Фурье, который это доказывает, который позволяет разложить любую функцию в ряд Фурье, то есть, в совокупность других сигналов. Гармонический анализ Фурье (разложение на более простые функции) как раз использует функции синуса и косинуса для этих целей. Поскольку я заговорил о пилообразном переменном напряжении, и поскольку я не привел ни одного рисунка «настоящего» осциллографа, я чувствую некоторую неловкость, и попробую загладить свою вину. Где-то в архиве, я думаю, у меня сохранилось что-нибудь подходящее.




Рис. 3.5. Вид переменного треугольного напряжения на экране осциллографа

Пилообразного напряжения не нашлось, но нашлось треугольное напряжение, как его можно было бы увидеть на осциллографе фирмы Tektronix, если бы такой осциллограф был в вашем распоряжении. А картинка сделана в демонстрационной версии программы Multisim. Очень хорошая программа, но дорогая. Демонстрационная (вернее пробная) версия работает недолго, требует постоянной загрузки данных из Интернета при каждом включении, да и сама достаточно «весомая». Но весьма наглядная. Осциллограф, изображенный на рисунке, программное творение, но позволяет нажимать все кнопки, вызывая те же эффекты, что настоящий, позволяет крутить все ручки, с настоящими эффектами, словом ведет себя, как настоящий. Если вам позволяют финансы обзавестись такой программой и таким осциллографом, они будут хорошими помощниками в вашей работе. Но не огорчайтесь, если этого не произойдет, знавал я тех, у кого все было, но не было ни умения, ни времени, а может воли, для того чтобы эти красивые вещи применить к своему удовольствию. Знавал я и тех, кто даже без приличного тестера с огромным удовольствием делал интереснейшие вещи на зависть окружающим. Думаю, желание и терпение важнее дорогостоящих приборов, а самодельные приборы не только многому вас научат, пока вы их делаете, но будут работать не хуже покупных. Здесь важно понять, что вы хотите от радиолюбительства, получить электронное устройство, или получить удовольствие от работы. Подумайте, прежде, чем начать что-то покупать.

Что я увидел с помощью осциллографа на плате?

Поскольку схему прибора, лежащего предо мной, я уже отыскал, попробую по схеме сориентироваться, чтобы такое интересное посмотреть осциллографом. Вообще, схема – дело первейшее. Я очень уважаю схемы, видимо оттого, что приходилось часто работать с устройствами в отсутствии схемы. Такое, может быть, даже полезно, но очень утомительно. Вспомнилась давняя история. Мой непосредственный руководитель попросил посмотреть, если не ошибаюсь, уж очень давно было, называлось это устройство «Элетап», и было, в сущности сегодняшним телефоном, но скорее перевозным, чем переносным, отчего оно не работает это устройство? Схема аппарата была, но с «черным ящиком». Вся сущность устройства была в этом черном ящике, а схемы не было. Я позвонил своему доброму знакомому, но у него тоже не было схемы. Конечно, я разобрал все, уж это я умел тогда делать, попробовал включить аппарат, и убедился, что он работает нормально. Я собрал его, это не всегда, но иногда удается, он работал. Пришло время отдать это чудо техники, но именно в тот момент устройство вновь перестало работать. Тут уж я разозлился по-настоящему. Договорившись с начальником, я решил нарисовать схему электронного блока: с десяток плат, на каждой из которых с десяток цифровых микросхем. Да, рисование помогло определить структуру (функциональную схему) и принципиальную схему аппарата, помогло выявить неисправную микросхему, при небольшом нагреве она переставала работать, а «поостыв» великолепно работала, но с тех пор я очень уважительно отношусь к схемам.

Чтобы не возвращаться к рассказу о виде осциллографа, хочу привести еще один вид – программа для работы с осциллографом-приставкой к компьютеру. Такая приставка имеет свои преимущества, осуществляя запись сигналов, которые можно позже просмотреть и проанализировать. Есть и еще одно преимущество, в цене. Если купить конструктор, то обойдется это, примерно, в 3000 руб. Возможность аккуратно спаять схему имеют многие, а результат должен получиться достаточно неплохим.




Рис. 3.6. Вид программы для обслуживания осциллографа-приставки

Итак. Схема прибора подсказывает мне, что в нем на цифровой микросхеме собран генератор прямоугольных импульсов. Генераторы на цифровых микросхемах в цифровых устройствах реализуют достаточно часто, их используют как тактовые или синхрогенераторы. Есть, по меньшей мере, несколько разновидностей типовых генераторов, и множество схем генераторов со специальными параметрами. Причина, по которой логические элементы цифровых микросхем позволяют использовать их в качестве активных элементов генераторов, в том, что они остаются, хотя и специализированными, но усилителями. Если вход микросхемы ТТЛ с помощью делителя напряжения привести к запрещенному для логических элементов уровню в 1.2-1.5 В, то логический элемент превращается в усилитель напряжения. Если такой усилитель охватить положительной обратной связью, то возникает самовозбуждение усилителя, превращающее его в генератор. Генератор в приборе вырабатывает импульсы, которые через усилитель мощности приходят на измерительную цепь, и эти же импульсы управляют, с помощью ключей на полевых транзисторах, процессом измерения. В первую очередь есть смысл посмотреть, а работает ли генератор? Схема генератора выглядит так.




Рис. 3.7. Схема генератора на логических вентилях

Осциллограмма Qucs – не совсем то, что должно происходить. Величины элементов схемы мне пришлось подбирать, конденсатор и резисторы, свойства вентилей пришлось несколько изменить, чтобы обнаружить что-то похожее на генерацию импульсов. По правде говоря, я не ожидал даже такого эффекта, поскольку от программы, использующей логические вентили, НЕЛОГИЧНО ожидать, что они будут работать вне логических соотношений. Кстати, меняя свойства логических вентилей, я заменил графическое изображение. Схема «И-НЕ» сейчас выглядит более привычно, чем в предыдущем начертании.

И все-таки хочется увидеть работу именно генератора импульсов. У меня есть такая возможность – использовать другую программу САПР, но о разных программах и их возможностях я уже написал в книге «Наглядная электроника», не повторять же все еще раз. Попробую поступить иначе. Если открыть справочник по цифровым микросхемам, то в нем можно найти схему базового элемента «И-НЕ» серии ТТЛ. Эта схема имеет все знакомые нам элементы: транзисторы, резисторы, диод. А что, если повторить эту базовую схему, с которой пока только одна проблема, первый транзистор имеет специальную конструкцию, он много эмиттерный. Но эти эмиттеры образуют входы много-входовых элементов, а мы используем, в сущности, один единственный. Попробуем использовать обычный транзистор. Значения резисторов в схеме не приводится, попробуем подобрать их.




Рис. 3.8. Схема базового элемента «И-НЕ» ТТЛ на обычных компонентах

Я добавил резисторы R5 и R6 для подачи на вход напряжения близкого к 1.5 В и измерители напряжения Pr1, для измерения напряжения выхода, и Pr2, показывающий напряжение на входе. При тех значениях элементов схемы, которые есть, напряжения близки к моему представлению о том, какими они должны быть. Остается проверить, удалив из схемы рис. 3.8 резистор R6, что соответствует подаче на вход логической «1», напряжение на выходе. Оно близко к нулевому. И проверить соответствие при подключении входа к земле, что равносильно подаче логического «0» на вход. Напряжение на выходе близко к питающему, что тоже вполне похоже на нормальную работу логического инвертора.

Чтобы подтвердить предположение о том, что логический вентиль остается усилителем, я использую генератор синусоидального напряжения с частотой 1 кГц и выходным напряжением 0.1 В, который через конденсатор 100 мкФ подключу ко входу инвертора с делителем питающего напряжения на резисторах R5 и R6. Результат можно наблюдать на экране осциллографа. Логические инверторы есть во многих сериях цифровых микросхем. В отечественной серии К155 (аналогичной серии SN74) микросхема К155ЛН1 содержит шесть логических инверторов в одном корпусе (аналогично, SN7404).




Рис. 3.9. Проверка логического вентиля в усилительном режиме

При входном напряжении 0.1 В схема обеспечивает усиление по напряжению около 5, а форма сигнала по виду не отличается от синусоидального.

Мне хотелось повторить схему генератора, как она нарисована, но, увы, не получилось. Возможная причина этого в цифровой микросхеме К561ЛА7, выполненной по КМОП технологии, а повторить схему я пытался с ТТЛ микросхемой. Чтобы показать, что я увидел на выходе задающего генератора после замены транзистора и микросхемы на плате прибора, мне пришлось нарисовать типовую схему синхрогенератора на цифровых микросхемах. В реальном приборе задающий генератор снабжен еще одной цифровой микросхемой, в корпусе которой два D-триггера. Триггер формирует хорошие, с крутыми фронтами, прямоугольные импульсы, и служит для коммутации ключей с использованием прямого и инверсного выходов триггера.

Мне жаль, что не получилось все задуманное. Такое бывает. Хотя схема на рис. 3.9, без вспомогательных элементов, соответствует схеме базового элемента ТТЛ, параметры транзисторов и номиналы резисторов могут очень сильно отличаться от реальных, что, в конечном счете, тоже могло стать причиной неудачи. Однако, что теперь гадать?




Рис. 3.10. Типовая схема синхрогенератора на цифровых микросхемах

Вот такого вида сигнал задающего генератора используется в приборе. Как я объяснял выше, я был готов к тому, что не получу положительного результата от эксперимента в программе Qucs. Логике – логическое, программе – программное, реальной микросхеме – все ее возможности. Тем приятнее, что программа Qucs не подвела.

Что ж, все, что могло представлять интерес в смысле работы с осциллографом, мы в разобранном мною устройстве посмотрели. Остальное может представлять интерес только и тогда, когда необходимо восстанавливать работоспособность прибора. В приборе использована очень интересная схема выпрямителя, но это уже из мира схемотехники, и не относится к наблюдениям с помощью осциллографа за работой электрических компонент устройства. Выпрямитель в приборе используется для обслуживания микроамперметра, со шкалы которого считывается измеряемая величина. Микроамперметр – устройство магнитоэлектрическое. А не пора ли немного поговорить о магнитных проявлениях электричества?




Hosted by uCoz