Осциллограф своими руками

Программы, эмулирующие работу осциллографа

Обработкой сигналов, поступающих на вход компьютера или ноутбука занимаются виртуальные осциллографы. Эти программы имеют интерфейс, схожий с экраном реального осциллографа. Часть приложений предназначена для работы с устройствами на основе звуковых карт, другие взаимодействуют с USB-осциллоскопами.

Программы, работающие через аудиовхода:

1. Digital Oscilloscope;
2. SoundCard Oszilloscope;
3. Российская разработка «Авангард».

Софт для USB-осциллографов:

1. Aktakom OscilloscopePro.
2. Simplescope.

Все виртуальные приборы являются двухканальными, снабжены генераторами частот, анализаторами. Проведенные измерения и осциллограммы можно сохранять на ПК. Обычно их не нужно инсталлировать. После распаковки архива и запуска программы появляется интерфейс реального осциллографа с регуляторами настроек.

Методы работы

Компьютер — цифровое устройство, поэтому для измерения аналогового параметра необходимо перевести сигнал в дискретный вид. Для этого используется АЦП — аналогово-цифровой преобразователь. Для вывода данных применяют ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь.

Звуковая карта компьютера дискретизирует входящие аналоговые сигналы, подключаемые к входам LINE IN и MIC.

Поэтому аудиоплату можно использовать в качестве АЦП для подачи на компьютер или ноутбук измеряемого сигнала. Так как человек слышит звук в диапазоне 4Гц- 20кГц, то соответственно и аудиокарта работает в низкочастотном спектре. Полученный осциллограф также будет работать в указанном диапазоне.

Еще одним недостатком в работе «звукового» осциллоскопа является ограничение по напряжению, подаваемому на вход. Оно должно быть в пределах 0,5 В для входа MIC и до 2 В для LINE IN. Подключение сигнала амплитудой более 2В выведет из строя звуковую карту или компьютер.

Из-за конструкционных особенностей аудиокарты — наличие разделительного конденсатора на входе, постоянная составляющая электрического тока не будет показана на осциллографе. Но, используя приложение, можно ее измерить. Подавать сигнал лучше на вход LINE IN, так как он имеет наименьший уровень шумов. Минимальный уровень сигнала, который можно измерить — около 1мВ.

Использование таких осциллоскопов ограничено по частоте. Ими можно снимать показания с усилителей, магнитофонов, различных звуковых девайсов, а также микросхем, работающих на частотах до 20 кГц.

  Что такое DVI и VGA – особенности и отличия

На высоких частотах применяется USB-осциллографы, имеющие больше возможностей.  Минусом таких устройств является высокая цена.

Про размер кода

В первой части я писал, что памяти потребляется очень много. Теперь я дошёл до того, что программа не влазит в память и изучил этот вопрос подробней. CooCox CoIDE выводит информацию о размер программы в таком виде:

text data bss dec hex filename 60224 2500 10540 73264 11e30 projectName.elf где

• text — размер сегмента с кодом, векторами прерываний и константами только на чтение;
• data — размер сегмента с инициализированными не нулём переменными;
• bss — размер сегмента с неинициализированными и инициализированными нулём переменными.

Вся программа занимает:

• флеш — text + data + 10..50 байт
• ОЗУ — data + bss + 10..50 байт

Теперь посмотрим на что тратится память. Делаем новый проект и компилируем:

text data bss dec hex filename 364 1080 32 1476 5c4 test-size.elf Чтобы использовать макросы типа GPIO_BSRR_BS9 надо подключить файл stm32f10x.h. Чтобы подключить файл stm32f10x.h надо в репозитоях добавить компонент STM32F10x_MD_STDLIB, который подтягивает за собой cmsis_core. В итоге для программы, записывающей одно значение в регистр получаем: text data bss dec hex filename 1316 1104 32 2452 994 test-size.elf Далее меня интересуют функции типа sprintf и sscanf. Чтобы их использовать надо определить некоторые функции типа _sbrk и возможно некоторых других. Я взял готовый файл (есть в архиве с проектом). Добавляем 1 вызов sscanf и получаем:

Попробуйте угадать сколько, прежде чем смотреть!

text data bss dec hex filename 39312 2264 96 41672 a2c8 test-size.elf 41 кБ флеша! Больше половины, того, что есть в контроллере! В рабочей же прошивке при использовании printf добавление sscanf увеличивает потребление флеша на 13.2 кБ. В итоге от sscanf отказался, а команды от ПК стал парсить менее ресурсоёмким методом. Отказ же от printf позволяет сэкономить ещё 8.3 кБ.

Как измерить входное сопротивление линейного входа?

Чтобы рассчитать аттенюатор для линейного входа аудиокарты, нужно знать входное сопротивление линейного входа. К сожалению, измерить входное сопротивление при помощи обычного мультиметра нельзя. Это связано с тем, что во входных цепях аудиокарт имеются разделительные конденсаторы.

Входные же сопротивления разных аудиокарт могут очень сильно отличаться. Так что, этот замер сделать всё-таки придётся.

Для измерения входного импеданса аудокарты по переменному току, нужно подать на вход через балластный (добавочный) резистор синусоидальный сигнал частотой 50 Гц и рассчитать сопротивление по приведённой формуле.

Синусоидальный сигнал можно сформировать в программном генераторе НЧ, ссылка на который есть в «Дополнительных материалах». Замер амплитудных значений также можно произвести программным осциллографом.

На картинке изображена схема подключений.

Напряжения U1 и U2 нужно измерить виртуальным осциллографом в соответствующих положениях выключателя SA. Абсолютные значения напряжения знать не нужно, поэтому расчёты валидны до калибровки прибора.

Пример расчёта.

R1 = 50кОм.

U1 = 100

U2 = 540

Rx = 50 * 100 / (540 – 100) ≈ 11,4 (кОм).

Вот результаты замеров импеданса разных линейных входов.

Как видите, входные сопротивления отличаются в разы, а в одном случае почти на порядок.

USB осциллограф

USB-осциллограф представляет из себя прибор, который не имеет собственного экрана.

У нас на обзоре USB осциллограф INTRUSTAR.

В придачу с ним шли 2 щупа, шнур USB, расходники, диск с ПО, а также отвертка для регулировки щупов

С одной стороны осциллографа мы видим два разъема для подключения щупов. Первый разъем CH1, что означает первый канал, а второй разъем CH2, то есть второй канал. Следовательно, осциллограф двухканальный.  Справа видим два штыря. Эти штыри – генератор тестового сигнала для калибровки щупов осциллографа. Один из них земля, а другой – сигнальный. Калибруем точно также, как и простой цифровой осциллограф. Как это делать, я писал выше в статье.

В рабочем состоянии USB осциллограф выглядит вот так.

После установки программного обеспечения на компьютер или ноутбук, открываем программу и запускаем осциллограф. Здесь я уже сразу подцепил тестовый сигнал, чтобы подготовить осциллограф к работе.

Также можно вывести значение сигналов, которые осциллограф сразу бы показывал на экране монитора.

Плюсы и минусы USB осциллографа

Плюсы:

1. Умеренная цена и функционал. Стоит в разы дешевле, чем крутые цифровые осциллографы
2. Настройка и установка ПО занимает около 10-15 минут
3. Удобный интерфейс
4. Малогабаритный размер
5. Может производить операции как с постоянным, так и с переменным током
6. Два канала, то есть можно измерять сразу два сигнала и выводить их на дисплей

Минусы:

1. Малая частота дискретизации
2. Обязательно нужен ПК
3. Малая полоса пропускания
4. Глубина памяти тоже никакая

Более подробно про характеристики цифровых осциллографов вы можете прочитать, скачав учебное пособие по цифровым осциллографам.

Программы-эмуляторы на ПК измерительных устройств

На 5 месте — серия китайских мини-осциллографов DSO

Серия Mini и Nano DSO — это карманные мини-осциллографы с рабочей частотой до 100 кГц — 500 кГц, с 1 — 4 каналами и максимальным напряжением 50 В. Самые популярные модели этой серии: , , 112, , 150, , 203, 211. Отличаются модели между собой в основном корпусом, частотой дискретизации, размером экранчика, количеством каналов.

Пример работы с карманным осциллографом DSO203 смотрите в видеоролике.Стоимость: 15 — 160 $ в зависимости от моделиКоличество каналов: 1 — 4 в зависимости от модели

Аналоги:

• (30 $, 100 кГц, 1 канал, экран 2,4 дюйма),
• (70 $, 100 кГц, 1 канал, экран 2,9 дюйма, выглядит приличнее),
• (160 $, 7 МГц, 2 аналог. + 2 цифр. канала, экран 3 дюйма).
• (Новинка! 60 $, 30 МГц, 1 канал, экран 2,4 дюйма)

Недостатки:

• низкая частота дискретизации
• маленькая разрядность АЦП 8 бит, можно только оценить форму сигнала
• хлипкие разъемы щупов
• проблемы с софтом — глючит на некоторых моделях, читайте отзывы
• маленькое разрешение экрана

Достоинства:

• сверхмалые габариты
• низкая цена осциллографа
• встроенный аккумулятор

Сфера применения: измерение аудиосигналов, кварцевых генераторов, сигналов блоков питания с ШИМ. Подойдет для выездной диагностики аудиотехники и блоков питания.

Электрическая схема

Если вам необходим приставка к компьютеру, то сделать осциллограф будет гораздо сложнее. Сегодня в интернете можно отыскать довольно большое количество разных схем этих устройств, и для изготовления, например, двухканального осциллографа вам будет необходимо только их продублировать. Второй канал зачастую актуален в случае, когда надо сравнивать два сигнала или же осциллограф используется для подключения внешней синхронизации.

Как правило, схемы очень простые, но так, вы самостоятельно обеспечите очень большой диапазон доступных измерений, используя минимум радиодеталей. Причем аттенюатор, который изготавливается по классической схеме, потребовал бы от вас наличие узкоспециализированных высокомегаомных резисторов, а его сопротивление на входе все время менялось при переключении диапазона. Поэтому вы бы испытывали некоторые ограничения при использовании обычных осциллографических проводов, рассчитанных на импеданс входа не больше 1 мОм.

Как выбрать резисторы делителя напряжения

Из-за того, что зачастую радиолюбители испытывают сложности с тем, чтобы подобрать прецизионные резисторы, часто бывает так, что приходится выбирать устройства широкого профиля, которые надо максимально точно подогнать, иначе сделать своими руками осциллограф из компьютера не получится.

Подстроечные резисторы делителя напряжения

В этом случае каждое плечо делителя имеет два резистора, один является постоянным, второй – подстроечный. Минус этого варианта, это его громоздкость, но точность ограничивается лишь тем, какие доступные характеристики имеет измерительный аппарат.

Как выбрать обычные резисторы

Еще один вариант сделать осциллограф из компьютера – это выбрать пары резисторов. Точность в этом случае обеспечивается благодаря тому, что используются пары из двух комплектов с довольно приличным разбросом

Тут важно изначально выполнить тщательные замеры всех устройств, а после подобрать пары, суммарное сопротивление которых будет самым подходящим для вашей схемы

Подгонка резисторов

Сегодня подгонка резисторов с помощью удаления части пленки часто используется даже в современной промышленности, то есть так, нередко делается осциллограф из компьютера.

Но нужно сказать, что если вы хотите подгонять высокоомные резисторы, то резистивная пленка не должна быть разрезана насквозь. Так как в этих устройствах она находится на цилиндрической поверхности в виде спирали, потому делать подпил надо предельно аккуратно, чтобы не допустить разрыва цепи. Затем:

• Чтобы подогнать резисторы в домашних условиях, надо просто использовать обычную наждачную бумагу «нулевку».
• Изначально у резистора, у которого находится меньшее сопротивление, бережно удаляется защитный слой краски.
• Затем нужно подпаять резистор к концам, они и подклеиваются к мультиметру. С помощью аккуратных движений наждачкой показатели сопротивления резистора выводятся до нужного значения.

После, когда резистор полностью подогнан, место пропила покрывают слоем специального защитного лака.

Сегодня этот способ наиболее быстрый и простой, но при этом дает хорошие результаты, что и сделало его оптимальным для домашних условий.

Что нужно учесть

Существует ряд правил, которые необходимо выполнять в любом случае, если решили проводить эти работы:

• Используемый компьютер для осциллографа обязательно нужно заземлить.
• Нельзя подключать заземление к розетке. Оно подсоединяется через специальный корпус линейного входного разъема с корпусом системного блока. В данном случае, независимо, попадаете ли вы в фазу или ноль, у вас не будет замыкания.

Говоря иначе, в розетку может подсоединяться только провод, который соединяется с резистором, и находится в схеме адаптера с номинальным значением один мегом. Если же вы попробуете включить в сеть провод, который контактирует с корпусом, то почти во всех случаях это обязательно приведет к самым плачевным последствиям.

Что необходимо использовать

Самая оптимальная сегодня – это программа Osci, она имеет интерфейс, похожий на классический осциллограф: на мониторе находится стандартная сетка, с помощью которой вы сможете сами померить амплитуду или длительность.

Из недостатков этой программы можно выделить то, что она работает немного нестабильно. Во время работы утилита может иногда зависать, а чтобы затем ее сбросить, надо использовать специализированный TaskManager. Но все это компенсируется тем, что программа имеет привычный интерфейс, и довольно удобна в использовании, а также имеет большое количество функций, они дают возможность сделать полноценно работающий осциллограф из компьютера или ноутбука.

На заметку

Нужно сказать, что в комплекте данных программ есть специальный низкочастотный генератор, но его использование нежелательно, он пытается полностью сам контролировать работу драйвера звуковой карты, что провоцирует выключение звука. Если решили его опробовать, позаботьтесь, чтобы у вас была точка восстановления либо сделайте бэкап вашей ОС. Самым оптимальным способом, как сделать своими руками из компьютера осциллограф, будет скачивание рабочего генератора.

«Авангард»

Это отечественная программа, она не имеет привычной и стандартной измерительной сетки, и отличается очень большим экраном для фотографирования скриншотов, но в то же время позволяет использовать установленный частотомер и вольтметр амплитудных значений. Это частично компенсирует недостатки, указанные выше.

Сделав этот осциллограф из компьютера, вы столкнетесь со следующим: на небольших уровнях показателей вольтметр и частотомер могут значительно искажать данные, но для новичков-радиолюбителей, эта утилита будет вполне достаточной. Еще одной полезной функцией будет то, что можно делать абсолютно независимую калибровку двух уже находящихся шкал установленного вольтметра.

Как это использовать

Из-за того, что входные цепи звуковой карты имеют специальный разделительный конденсатор, то компьютер в роли осциллографа может работать только с закрытым входом. Таким образом, на мониторе будет видна лишь переменная составляющая показателей, но, имея определенную сноровку, с помощью этих программ можно сделать измерение показателя постоянной составляющей. Это очень актуально в случае, когда, к примеру, время отсчета мультиметра не дает возможности зафиксировать некоторое значение амплитуды напряжения на конденсаторе, заряжающегося с помощью крупного резистора.

Нижнее значение напряжения ограничивается уровнем фона и шума и имеет примерно 1 мВ. Верхний предел ограничивается лишь по показателям делителя и достигает более сотни вольт. Частотный диапазон ограничивается самой возможностью звуковой карты и для старых компьютеров составляет около 20 кГц.

Естественно, в этом случае рассматривается довольно примитивное устройство. Но когда у вас нет возможности, например, использовать USB-осциллограф, то в данном случае его использование вполне приемлемо. Этот прибор поможет вам в ремонте разной аудиоаппаратуры, или может быть использован для учебных целей. Кроме того, программа-осциллограф даст возможность вам сохранить эпюру для иллюстрации материала или для размещения в сети.

Сравнение аналоговых и цифровых осциллографов

Как цифровые так и аналоговые осциллографы имеют свои достоинства и недостатки. Постоянное совершенствование цифровых технологий позволяет создавать цифровые приборы более мощными и производительными по сравнению с аналоговыми. В то же время, имея в виду наиболее простые модели цифровых приборов, разница в стоимости постоянно сокращается.

Ниже перечислены достоинства и недостатки цифровых и аналоговых осциллографов.

Достоинства аналоговых осциллографов:

• возможность непрерывного наблюдения аналогового сигнала в реальном масштабе времени;
• привычные и понятные органы управления для часто используемых настроек (чувствительность, скорость развертки, смещение сигнала, уровень запуска и т. д.);
• невысокая стоимость.

Недостатки аналоговых осциллографов:

• низкая точность;
• мерцание и/или малая яркость экрана в зависимости от частоты сигнала и скорости развертки;
• невозможность отображения и изучения сигнала до момента запуска (это не позволяет, например, анализировать процессы, предшествовавшие выходу оборудования из строя);
• полоса пропускания ограничена полосой аналогового тракта;
• ограниченные средства измерения параметров сигналов.

Достоинства цифровых осциллографов:

• высокая точность измерений;
• яркий, хорошо сфокусированный экран на любой скорости развертки;
• возможность отображения сигнала до момента запуска (в «отрицательном» времени);
• возможность детектирования импульсных помех между выборками сигнала;
• автоматические средства измерения параметров сигналов (что, в частности, позволяет автоматизировать настройку прибора в условиях неизвестного сигнала);
• возможность подключения к внешним регистрирующим устройствам (компьютеру, принтеру, плоттеру и т. д.);
• широкие возможности математической и статистической обработки сигнала;
• средства автодиагностики и автокалибровки.

Недостатки цифровых осциллографов:

• более высокая стоимость;
• более сложные в управлении;
• в отдельных случаях отображение несуществующих сигналов.

Осциллограф из планшета на «Андроид»

Bluetooth-канал

В настоящее время электронного прогресса в магазинах появляются приставки, которые выполняют функции осциллографа. Они передают сигнал с помощь Bluetooth-канала на планшет или смартфон. Такой осциллограф — приставка, подключаемая, к планшету через Bluetooth имеет свои особенности. Предел измеряемой частоты, составляющий 1 МГц, напряжение щупа 10 В и радиус действия порядка 10 метров не всегда хватают для профессионального диапазона рабочей деятельности. В таких случаях можно использовать осциллограф — приставку с передачей данных с помощью Wi-Fi.

Передача данных с помощью Wi-Fi

Wi-Fi значительно расширяет возможности измерительных устройств. Такой вид обмена информацией между планшетом и приставкой особо популярен. Это не дань моде, а чистая практичность. Поскольку измеряемая информация передаётся без задержек на планшет, который моментально выводит любой график на свой монитор.

Понятное пользовательское меню позволяет быстро и легко ориентироваться в управлении и настройках электронного устройства. А записывающее устройство позволяет воспроизводить и передавать информацию в реальном времени и во все точки для всех участников этого процесса.

Обычно вместе с покупной осциллограф — приставкой поставляется и диск с программным обеспечением. Эти драйвера и программу можно быстро скачать на планшет или смартфон. Если такого диска нет — найдите эти данные в магазине приложений или поищите в интернете на форумах и специализированных сайтах.

Как можно получить осциллограф

Оборудование можно заполучить несколькими способами и все зависит исключительно от размера денежных средств, которые можно потратить на приобретение оборудования или деталей.

Можно:

• Купить готовый прибор в специализированном магазине или заказать его по сети;
• Купить конструктор, например, широкой популярностью сейчас пользуются наборы радиодеталей, корпусов, которые продаются на китайских сайтах;
• Самостоятельно собрать полноценный портативный прибор;
• Смонтировать только приставку и щуп, а подключение организовать к персональному компьютеру.

Эти варианты приведены в порядке снижения затрат на оборудование. Покупка готового осциллографа будет стоить дороже всего, так как это уже доставленный и работающий блок со всеми необходимыми функциями и настройками, а в случае некорректной работы можно обратиться в центр продажи.

В конструктор входит схема простого осциллографа своими руками, а цена снижается за счет оплаты только себестоимости радиодеталей. В этой категории также необходимо различать более дорогие и простые по комплектации и функционалу модели.

Сборка прибора самому по имеющимся схемам и приобретенных в разных точках радиодеталях не всегда может оказаться дешевле, чем приобретение конструктора, поэтому необходимо предварительно оценивать стоимость затеи, ее оправданность.

Наиболее дешевым способом заполучить осциллограф станет спаять только приставку к нему. Для экрана использовать монитор компьютера, а программы для снятия и трансформации получаемых сигналов можно скачать с разных источников.

Критерии выбора

Какой осциллограф выбрать для ремонта электроники? Существует несколько видов осциллографов. Среди них можно выделить:

По типу питания устройства

Если рассматривать возможность питания, существует два вида осциллографов: стационарные и портативные. Портативные имеют мало возможностей, диапазон частот небольшой. Их используют для работы в полевых условиях, когда главной задачей для прибора является его мобильность. Стационарные, несмотря на то, что их нельзя переносить с собой, считаются более надежными. Они как раз и предназначены для диагностики домашней техники и электроники – компьютера, планшета, смартфона. Их конструкция основана на электронно-лучевой трубке, через которую проходящий сигнал, превращается в графическую форму. Но, несмотря на надежность, они имеют ряд недостатков:

• ограниченная полоса пропускания;
• невысокая точность.

USB-осциллографы отличаются портативностью. Они используются в работах, которые не требуют высокой точности.

Количество каналов

По количеству каналов, делятся на двухканальные, четырехканальные, восьми – и шестнадцатиканальные. Для хорошей работы, все каналы должны ловить достаточный диапазон.

Как правило, современные устройства имеют 2 или 4 основные каналы. В эконом-моделях содержится 2 канала, хорошие модели имеют 4, а профессиональные осциллографы 4 и более. Выбор устройства по количеству каналов зависит от объема выполняемой работы.

Полоса пропускания

Для измерения цифровых сигналов, лучше всего подойдет цифровой с логическим анализатором.

Чем больше полоса пропускания, тем дороже прибор. Осциллографы с широкой полосой пропускания стоят от 2 до 10 тысяч долларов.

Частота дискретизации

Данный показатель означает количество выборок, который захватывает осциллограф за секунду. Этот параметр должен превышать полосу пропускания в 2,5 раза. Чем больше выборок захватывает осциллограф – тем точнее сигнал, потому при описании параметров производителем, будьте внимательны. Китайский осциллограф в этом плане ненадежен, так как при использовании более двух каналов, частота дискретизации может уменьшиться.

Похожие записи:

Чем подкормить чеснок, чтобы он был крупным: органические и минеральные удобрения, народные средства Винтовка гаусса Изготовление корпуса для пк своими руками Как работает h-мост для двигателей постоянного тока Изучение разных схем и вариантов плетения цепочек из бисера Полольник и его применение. Инструмент огородного порядка