В настоящее время осциллографическая техника шагнула далеко вперед. Однако радиолюбители ограничиваются более скромными запросами, да и купить приличный осциллограф многим не по карману В то же время можно значительно улучшить параметры осциллографов старых типов путем модернизации их основных узлов. В статье описан генератор пилообразного напряжения (ГПН) для развертки осциллографа. Его работоспособность проверена в нескольких различных типах осциллографов. Один из них С1-94, схема которого опубликована в РА 3/2015. В основу этого генератора положено техническое решение, защищенное авторским свидетельством [1], которое обеспечивает приемлемую синхронизацию в ждущем режиме. Авторами расширены возможности этого ГПН путем введения автоколебательного режима. Вместе с тем авторы предлагают данную схему как базовую для ее дальнейшего усовершенствования.
Принцип работы
Принцип работы предлагаемого устройства можно уяснить из рис.1. Устройство содержит схему управления (1), формирователь пилы (3), схему блокировки (4), блок формирователей импульсов (5), обеспечивающий автоколебательный режим, и формирователь синхроимпульсов (2). На рис.1, б показаны диаграммы работы устройства в частном случае в ждущем режиме. Исходное состояние схемы — моментом времени t1.
Рис. 1
Формирование пилы не происходит, так как положительный фронт синхроимпульса, которым записывается информация со входа D на выход Q триггера, уже прошел, а ключ К в формирователе пилы (ФП) замкнут уровнем лог. «1» на инверсном выходе -Q (не Q) триггера 1.
И только в момент времени t2, когда синхроимпульс положительным фронтом запишет лог. «1» с входа D триггера (диаграмма б) на выход Q, а на выходе -Q триггера установится одновременно лог. «0» (момент t3), ключ К в ФП разомкнётся, и начнется процесс формирования пилы (момент t4).
После достижения напряжением пилы заданного уровня (момент t5) срабатывает схема блокировки (СБ) (момент t6). Лог. «0» с выхода этой схемы, поступая на объединенные входы D и R, устанавливает на выход -Q триггера лог. «1» (момент t7). Ключ К замыкается, и начинается разряд времязадающей емкости С.
После достижения пилой нижнего уровня (момент t8) на выходе схемы блокировки установится лог. «1» (момент t9). Она не меняет состояния триггера 1. Схема устанавливается в исходный ждущий режим и готова к приему следующего синхроимпульса.
Важное заключение — в течение времени формирования пилы синхроимпульс не может воздействовать на схему. В самом деле, в момент 15 действует положительный фронт синхроимпульса, которым и записывается информация в триггер 1. В это же время на входах D и R присутствует лог. «1», которую синхроимпульс может записать в триггер (на выход Q), а значит, на выходе -Q будет лог. «0». Но там уже есть лог. «0», который обеспечивает формирование пилы. Значит, синхроимпульс в течение формирования пилы только подтверждает это состояние.
Не может синхроимпульс изменить состояние схемы и когда на входах D и R лог. «0», так как в это время на выходе -Q триггера лог. «1», то есть разряд времязадающей емкости С. И только когда емкость С разрядится, сработает схема блокировки (DА2), и на входах D и R установится лог. «1».
Таким образом, в данной схеме «неприятности», связанные с синхронизацией, могут возникнуть только при состязании фронтов синхроимпульса и импульса со схемы блокировки (DА1, DА2), что легко устраняется путем незначительного изменения длительности пилы резистором «tп. плавно».
Генератор пилообразного напряжения, управляемый цифровой логикой, состоит из двух узлов: собственно из генератора пилообразного напряжения и формирователя синхроимпульсов, каждый из этих узлов выполнен на отдельной плате.
Генератор пилообразного напряжения (ГПН)
Принципиальная схема ГПН показана на рис.2. В работе ГПН для получения высокой линейности «пилы» использован принцип заряда емкости стабилизированным током. При этом длительность заряда емкости (длительность пилы) tn можно определить по известной формуле:
tп=С·?Uп/1з,
где емкость конденсатора С указана в фарадах (Ф), ?Uп=Uп макс-Uп мин (В) — это разность между верхним и нижним значением пилы в вольтах (В), Iз — ток заряда в амперах (А).
Эксплуатационные характеристики выбраны по аналогии с сервисным осциллографом С1-94, описанном в [2]. Учитывая, что рабочая часть осциллографической трубки примерно равна 5 делений, то для выбранного значения «время/деление» длительность пилы должна быть в 5 раз больше. Например, для значения «100 нс/дел» tп=500 не.
В состав ФП (поз.З, рис.1) входят: стабилизатор тока VDЗ, VТ2, VТ4 (рис.2); времязадающие емкости С11, С12; разрядная цепь R15VТЗ; истоковый повторитель VТ5.
Рис. 2
Схема блокировки (поз.4, рис.1) состоит из двух однотипных быстродействующих компараторов DА1, DА2 типа КР597СА2, триггера D5.2 КР1533ТМ2, который включен по схеме RS-триггера. Схема включения компараторов выбрана по рекомендациям, изложенным в [3].
Схема управления работой ГПН (поз. 1, рис. 1) выполнена на D-триггере D5.1 типа КР1533ТМ2 и буфере-усилителе D3.3 КР1533ЛИ1.
Работа ГПН в ждущем режиме
В исходном состоянии на выводе 8 D5.1 лог. «1», а на выводах 12 и 13 D5.1 — лог. «1».
При приходе синхроимпульса на вход 11 D5.1 на выводе 8 D5.1 устанавливается лог. «0». Транзистор VТЗ запирается, и начинается заряд емкости С11 или С12. После достижения напряжения пилы значения Uп.верх.?7 В срабатывает компаратор DА1, и на выводах 6, 12, 13 триггеров D5.1 и D5.2 устанавливается лог. «0». Через определенное время, вызванное задержкой срабатывания узлов (рис.1 ,б), начинается разряд емкости С11 илиС12. После уменьшения напряжения на емкости С11 или С12 до определенной величины Uп.нижн.?0,8 Вырабатывает компаратор DА2 и устанавливает на выводах 6, 12, 13 триггера D5.1 и D5.2 лог. «1». Схема ждет следующего синхроимпульса.
Автоколебательный режим
Для обеспечения этого режима в схему введен блок формирователей импульсов БФИ (поз.5 на рис.1). В него входит формирователь «окна». Он выполнен на элементах D1.3, D2.3, D2.4, VТ1, VD2 и решает две задачи:
• ожидая прихода синхроимпульс, формирует временное окно;
• запускает ГПН для формирования пилы.
Запуск ГПН происходит коротким отрицательным импульсом с формирователя на элементах «2И-НЕ» D2.1, D2.2. Этот формирователь запускается в конце импульса «Окно» положительном фронтом.
При наличии синхроимпульса запускается процесс формирования «пилы». При этом если импульс «Окно» заканчивается во время формирования «пилы» от синхроимпульса, то импульс «Окно» на процесс не влияет.
Возможно, что импульс «Окно» заканчивается в момент переходных процессов действия синхроимпульса, а это может привести к нарушению синхронизации. Для устранения этого явления необходимо сдвинуть конец импульса «Окно» в ту или другую сторону от этого момента. Это достигается изменением длительности импульса «Окно» изменением сопротивления переменного резистора «Т окна», который должен быть выведен на переднюю панель осциллографа.
Как уже отмечалось выше, аналогичные проблемы могут возникнуть и в ждущем режиме. Они устраняются изменением длительности пилы резистором «tп.плавно». Очевидно, есть смысл скомпоновать резисторы «tп.плавно» и «Т окна» вместе с переключателем «Автоматический-Ждущий».
Схема содержит еще два формирователя. Один из них собран на D1.4. Он обеспечивает установку триггера D5.1 в исходное положение в момент включения питания. Формирователь на D1.1, D1.2 выполняет аналогичную задачу при переключении SВ1 из положения «Ждущий» в положение «Автоколебательный».
Формирователь синхроимпульсов
Для логических цифровых методов управления ГПН формирователь синхроимпульсов (ФСИ). Он должен выдавать импульсы синхронизации логического уровня для заданного минимального уровня исследуемого сигнала, подаваемого на вход осциллографа или от внешнего источника с гнезда «Синхронизация». Исходя из этого, и была разработана схема рис.3.
Рис. 3
ФСИ обеспечивает надежную выдачу синхроимпульса при входном сигнале порядка 15 мВ. На входе схемы установлен диодный ограничитель (R1, VD1-VD4), который необходим для ее защиты при работе с внешней синхронизацией. Далее сигнал поступает на усилитель с отрицательной обратной связью (VT1, VT2), а с него на компаратор DA1, включенный по схеме, рекомендованной в [3].
Благодаря тому, что опорное напряжение может принимать как положительное, так и отрицательное значение, можно сформировать синхроимпульс, как из положительной части исследуемого сигнала, так и из отрицательной. Подавая на вход, например, синусоиду, на выходе компаратора получим меандр с уровнями лог. «0» и лог. «1».
Далее этот сигнал, прямой или инверсный, подается на переключатель, выполненный на ИМС D2. С выхода переключателя D2 меандр поступает на формирователь D3.1, D3.2 короткого импульса (300 не) отрицательной полярности, который после инвертора D3.3 подается на ГПН.
Конструкция
В принципе, конструкция определяется условиями применения. Каждый узел А1 (ФСИ и А2 (ГПН)) выполнен на отдельной плате.
Формирователь ФСИ выполнен на плате из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита толщиной 1 мм. С одной стороны фольга разрезана резаком на ячейки 5×7 мм. Размеры платы 65×80 мм. Под панельки для интегральных микросхем вырезаются полоски с соответствующим шагом. Монтаж выполнен навесным способом. В изделии плата размещается так, чтобы обеспечить короткие соединения между сопрягаемыми узлами.
Аналогичным способом выполнена и плата ГПН. К плате крепится вилка разъемного соединения на 12-14 контактов для соединения платы с соответствующей розеткой, расположенной в общем монтаже, а также вилка на 4 контакта для подачи пилы на оконченный усилитель горизонтального отклонения (УГО). Схему УГО можно найти в [2]. Размеры платы ГПН 110×110 мм.
Рекомендации по монтажу ИМС приведены в [4], п.2.4.3.
Наладка
Перед наладкой в обеих платах А1, А2 (рис.1) необходимо произвести все внешние соединения в соответствии с рис.2 и рис.З.
Плата ФСИ в особой наладке не нуждается. Для наладки необходимо одновременно подать напряжения питания +5 В и -6 В.
Величина напряжения на эмиттере VT2 (+5 В), при необходимости, подбирается резистором R2. Регулятором R7 «Uопорное» необходимо выставить на резисторе R10 напряжение ±50 мВ. Контроль производится цифровым мультиметром М830В или аналогичным.
Переключатель SB2 поставить в положение «Внешняя синхронизация». Подать на вход XW1 «Синхронизация» сигнал синусоидальной формы действующим значением переменного напряжения 15 мВ от любого генератора. Ручку «Уровень» установить в положение близкое к максимальному усилению. На выходе DA1 (вывод 12 или 14) должен быть меандр со скважностью близкой к 2 с логическими уровнями «0» и «1».
Схема должна быть работоспособна в диапазоне частот 20 Гц… 15 МГц. При отсутствии меандра на выходе DA1 проверить исправность элементов схемы.
В режиме внутренней синхронизации вход схемы ФСИ необходимо подключать к выходу первого каскада усилителя вертикального отклонения (УВО) осциллографа.
Для платы ГПН требуется точная настройка схемы блокировки (ИМС DA1, DA2). Для этого необходимо одновременно подать на схему напряжения питания +5 В и -6 В.
Ток стабилизатора тока VT2, VT4 для заданных параметров ГПН определим по формуле:
I=C·ΔU/t
При самой быстрой развертке длительность пилы (времязадающая емкость С11=2000пФ): tп=500 нс, ΔU — размах пилы, ΔU=6 В, получим:
Iст.макс=2000·10-12·6/0,5 ·10-6=24·10-3 А=24 мА.
Этот ток в момент разряда времязадающих емкостей создает суммарное падение напряжения на резисторе R15 и транзисторе VT3 порядка 0,6…0,8 В. При этом напряжение на истоке VT5 Uист≈1В, а после делителя R24R25 напряжение, подаваемое на входы компараторов UR25=0,12 В. Это напряжение определяет нижнее значение пилы. Верхнее значение пилы выбираем равным 7 В. Для этого необходимо: UR25=0,8 В. Исходя из этих соображений, опорное напряжение для компаратора DA1 (Uoп=UR18) устанавливаем резистором R13 равным 0,8 В, а для компаратора DA2 Uoп=UR19 — резистором R14 равным 0,18…0,2 В. Напряжение Uoп=UR19, для компаратора DA2 выбирается на 30…50% выше, чем на входе компаратора. Это необходимо для надежного срабатывания компаратора при действии различных факторов нестабильности.
Для наладки компараторов схемы блокировки потребуется цифровой мультиметр M830B и делитель напряжения из резистора 1…2 кОм и переменного резистора 2…3 кОм, подключенных к источнику + 12 В. Затвор VT5 надо отсоединить от схемы и подсоединить к средней точке переменного резистора. Выставить на затворе VT5 напряжение 11зат=0,8 В. При этом на истоке VT5 должно быть напряжение Uист<1 В. Если оно отличается от этого значения незначительно, а ре зистором R14 «Нижний уровень пилы», можно выставить R19 напряжение UR19= 1,3… 1,5 UR25, то на этом наладка компаратора DA2 заканчивается. В противном случае надо проверить VT5 и другие элементы данной схемы.
Для наладки компаратора DA1 надо с помощью переменного резистора (см. выше) выставить напряжение на истоке VT5 Uист=7 В. При этом на R25 должно быть Ur25=0,8 В. Такое же напряжение надо выставить на резисторе R18 с помощью R13 «Верхний уровень пилы».
После проведенных наладок удалить вспомогательный делитель напряжения, подсоединить затвор VT5 на коллектор VT4. Включить схему на автоколебательный режим переключателем SB1 «Автоколебательный — Ждущий».
На выходе ГПН должна быть последовательность пилообразных импульсов. Остальная часть схемы при правильном монтаже и исправных деталях наладки не требует.
Литература
- Булычева Н., Кондратьев Ю. Универсальный сервисный осциллограф С1-94// Радио. — 1983. — №1, 2.
- Алексенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых ИС. — М.: Советское радио, 1980.
- Якубовский С.В. и др. Справ. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы.
Автор: Григорий Спица, Валерий Ткаченко, г. Запорожье
Источник: Радиоаматор №5, 9 2015
