Этот простой и дешёвый USB осциллограф был придуман и сделан просто ради развлечения. Давным давно довелось чинить какой-то мутный видеопроцессор, в котором спалили вход вплоть до АЦП. АЦП оказались доступными и недорогими, я купил на всякий случай парочку, один пошёл на замену, а другой остался.

Недавно он попался мне на глаза и почитав документацию к нему я решил употребить его для чего-нибудь полезного в хозяйстве. В итоге получился вот такой приборчик. Обошёлся в копейки (ну рублей 1000 примерно), и пару выходных дней. При создании я постарался уменьшить количество деталей до минимума, при сохранении минимально необходимой для осциллографа функциональности. Сначала я решил, что получился какой-то уж больно несерьёзный аппарат, однако, сейчас я им постоянно пользуюсь, потому что он оказался весьма удобным - места на столе не занимает, легко помещается в карман (он размером с пачку сигарет) и обладает вполне приличными характеристиками:

Максимальная частота дискретизации - 6 МГц;
- Полоса пропускания входного усилителя - 0-16 МГц;
- Входной делитель - от 0.01 В/дел до 10 В/дел;
- Входное сопротивление - 1 МОм;
- Разрешение - 8 бит.Принципиальная схема осциллографа показана на рисунке 1.

Для разных настроек и поиска неисправностей во всяких преобразователях питания, схемах управления бытовой техникой, для изучения всяких устройств и т.д., там где не требуются точные измерения и высокие частоты, а нужно просто посмотреть на форму сигнала частотой, скажем, до пары мегагерц - более чем достаточно.

Кнопка S2 - это часть железа нужного для бутлоадера. Если при подключении осциллографа к USB держать её нажатой, то PIC заработает в режиме бутлоадера и можно будет обновить прошивку осциллографа при помощи соответствующей утилиты. В качестве АЦП (IC3) была использована "телевизионная" микросхема - TDA8708A. Она вполне доступна во всяких "Чип и Дип"ах и прочих местах добычи деталей. На самом деле это не только АЦП для видеосигнала, но и коммутатор входов, выравниватель и ограничитель уровней белого - чёрного и т.д. Но все эти прелести в данной конструкции не используются. АЦП весьма шустр - частота дискретизации - 30 МГц. В схеме он работает на тактовой частоте 12 МГц - быстрее не нужно, потому что PIC18F2550 просто не сможет быстрее считывать данные. А чем выше частота - тем больше потребление АЦП. Вместо TDA8708A можно использовать любой другой быстродействующий АЦП с параллельным выводом данных, например TDA8703 или что-нибудь от Analog Devices.

Тактовую частоту для АЦП удалось хитрым образом извлечь из PIC"а - там запущен ШИМ с частотой 12 МГц и скважностью 0.25. Тактовый импульс положительной полярности проходит в цикле Q1 PIC"а так что при любом обращении к порту B, которое происходит в цикле Q2 данные АЦП будут уже готовы. Ядро PIC"а работает на частоте 48 МГц, получаемой через PLL от кварца 4 МГц. Команда копирования из регистра в регистр выполняется за 2 такта или 8 циклов. Таким образом, данные АЦП возможно сохранять в память с максимальной частотой 6 МГц при помощи непрерывной последовательности команд MOVFF PORTB, POSTINC0. Для буфера данных используется один банк RAM PIC18F2550 размером 256 байт.

Меньшие частоты дискретизации реализуются добавлением задержки между командами MOVFF. В прошивке реализована простейшая синхронизация по отрицательному или положительному фронту входного сигнала. Цикл сбора данных в буфер запускается командой от PC по USB, после чего можно эти данные по USB прочитать. В результате PC получает 256 8-битных отсчётов которые может, например, отобразить в виде изображения. Входная цепь проста до безобразия. Делитель входного напряжения без всяких изысков сделан на поворотном переключателе. К сожалению не удалось придумать как передавать в PIC положение переключателя, поэтому в графической морде осциллографа есть только значения напряжения в относительных единицах - делениях шкалы. Усилитель входного сигнала (IC2B) работает с усилением в 10 раз, смещение нуля, необходимое для АЦП (он воспринимает сигнал в диапазоне от Vcc - 2.41В до Vcc - 1.41В) обеспечивается напряжением с программируемого генератора опорного напряжения PIC (CVREF IC1, R7,R9) и делителем от отрицательного напряжения питания (R6,R10, R8). Т.к. в корпусе ОУ был "лишний" усилитель (IC2A), я использовал его как повторитель напряжения смещения.

Не забудьте про емкостные цепочки для частотной компенсации входной ёмкости вашего ОУ и ограничивающих диодов, которые отсутствуют на схеме - нужно подобрать ёмкости параллельно резисторам делителя и резистору R1, иначе частотные характеристики входной цепи загубят всю полосу пропускания. С постоянным током всё просто - входное сопротивление ОУ и закрытых диодов на порядки выше сопротивления делителя, так что делитель можно просто посчитать не учитывая входное сопротивление ОУ. Для переменного тока иначе - входная ёмкость ОУ и диодов составляют значительную величину по сравнению с ёмкостью делителя. Из сопротивления делителя и входной ёмкости ОУ и диодов получается пассивный ФНЧ, который искажает входной сигнал.

Чтобы нейтрализовать этот эффект нужно сделать так, чтобы входная ёмкость ОУ и диодов стала значительно меньше ёмкости делителя. Это можно сделать соорудив емкостной делитель параллельно резистивному. Посчитать такой делитель сложно, т.к. неизвестна как входная ёмкость схемы, так и ёмкость монтажа. Проще его подобрать.

Способ подбора такой:
1. Поставить конденсатор ёмкостью примерно 1000 пФ параллельно R18.
2. Выбрать самый чувствительный предел, подать на вход прямоугольные импульсы с частотой 1 кГц и размахом в несколько делений шкалы и подобрать конденсатор параллельно R1 так, чтобы прямоугольники на экране выглядели прямоугольниками, без пиков или завалов на фронтах.
3. Повторить операцию для каждого следующего предела, подбирая конденсаторы параллельно каждому резистору делителя соответственно пределу.
4. Повторить процесс с начала, и убедиться, что на всех пределах всё в порядке (может проявиться ёмкость монтажа конденсаторов), и, если что-то не так, слегка подкорректировать ёмкости.

Сам ОУ - это Analog Devices AD823. Самая дорогая часть осциллографа. :) Но зато полоса 16 МГц - что весьма неплохо.А кроме того, это первое из шустрого, что попалось в розничной продаже за вменяемые деньги.

Конечно же этот сдвоенный ОУ без всяких переделок можно поменять на что-то типа LM2904, но тогда придётся ограничится сигналами звукового диапазона. Больше 20-30 кГц оно не потянет.

Ну и форму прямоугольных, например, сигналов будет слегка искажать. А вот если удастся найти что-то типа OPA2350 (38МГц) - то будет наоборот замечательно.

Источник отрицательного напряжения питания для ОУ сделан на хорошо известной charge-pump ICL7660. Минимум обвязки и никаких индуктивностей. Ток по выходу -5 В конечно у неё невелик, но нам много и не надо. Цепи питания аналоговой части изолированы от помех цифры индуктивностями и ёмкостями (L2, L3, C5, C6). Индуктивности попались номиналом 180 uГн, вот их и поставил. Никаких помех по питанию даже на самом чувствительном пределе. Прошивка PIC заливается по USB с помощью бутлоадера который сидит с 0-го адреса в памяти программ и запускается если при включении удерживать нажатой кнопку S2. Так что прежде чем прошивать PIC - залейте туда сначала бутлоадер - будет проще менять прошивки.
Исходники драйвера осциллографа для ядер 2.6.X находятся в архиве с прошивкой. Там же есть консольная утилитка для проверки работоспособности осциллографа. Её исходники стоит посмотреть, чтобы разобраться как общаться с осциллографом, если хочется написать для него свой софт.
Программа для компьютера проста и аскетична, ее вид показан на рисунках 2 и 3. Подключить осциллограф к USB и запустить qoscilloscope. Требуется QT4.

Во вложении- все файлы к проекту

Любому радиолюбителю сложно представить свою лабораторию без такого важного измерительного прибора, как осциллограф. И, действительно, без специального инструмента, позволяющего анализировать и измерять действующие в цепи сигналы, ремонт большинства современных электронных устройств невозможен.

С другой стороны, стоимость этих приборов нередко превышает бюджетные возможности рядового потребителя, что вынуждает его искать альтернативные варианты или изготавливать осциллограф своими руками.

Варианты решения проблемы

Отказаться от покупки дорогостоящих электронных изделий удаётся в следующих случаях:

Использование для этих целей встроенной в ПК или ноутбук звуковой карты (ЗК);
Изготовление USB-осциллографа своими руками;
Доработка обычного планшета.

Каждый из перечисленных выше вариантов, позволяющих изготавливать осциллограф своими руками, применим не всегда. Для полноценной работы с самостоятельно собранными приставками и модулями необходимо выполнение следующих обязательных условий:

Допустимость определённых ограничений по измеряемым сигналам (по их частоте, например);
Наличие опыта обращения со сложными электронными схемами;
Возможность доработки планшета.

Так, осциллограф из звуковой карты, в частности, не позволяет измерять колебательные процессы с частотами, находящимися за пределами её рабочего диапазона (20 Гц-20 кГц). А для изготовления USB-приставки к ПК потребуется определённый опыт сборки и настройки сложных электронных устройств (как и при подключении к обычному планшету).

Обратите внимание! Вариант, при котором удаётся изготовить осциллограф из ноутбука или планшета при простейшем подходе, сводится к первому случаю, предполагающему использование встроенной ЗК.

Рассмотрим, как реализуется на практике каждый из указанных выше методов.

Использование ЗК

Для реализации этого способа получения изображения потребуется изготовить небольшую по габаритам приставку, состоящую всего из нескольких доступных для каждого электронных компонентов. С её схемой можно ознакомиться на приведённой ниже картинке.

Основное назначение такой электронной цепочки – обеспечить безопасное поступление внешнего исследуемого сигнала на вход встроенной звуковой карты, имеющей «собственный» аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Используемые в ней полупроводниковые диоды гарантируют ограничение амплитуды сигнала на уровне не более 2-х Вольт, а делитель из соединенных последовательно резисторов позволяет подавать на вход напряжения с большими амплитудными значениями.

К плате с резисторами и диодами со стороны выхода подпаивается провод с имеющимся на ответном конце штекером на 3,5 мм, который вставляется в гнездо ЗК под наименованием «Линейный вход». Исследуемый сигнал подаётся на входные клеммы.

Важно! Длина соединительного шнура должна быть по возможности короче, что обеспечивает минимальные искажения сигнала при очень низких измеряемых уровнях. В качестве такого соединителя рекомендуется использовать двухжильный провод в медной оплётке (экране).

Хотя пропускаемые таким ограничителем частоты относятся к НЧ диапазону, указанная предосторожность способствует повышению качества передачи.

Программа для получения осциллограмм

Помимо технического оснащения, перед началом измерений следует подготовить соответствующее программное обеспечение (софт). Это значит, что на ПК нужно установить одну из утилит, разработанных специально для получения изображения осциллограммы.

Таким образом, всего за час или чуть больше удаётся создать условия для исследования и анализа электрических сигналов посредством стационарного ПК (ноутбука).

Доработка планшета

Использование встроенной карты

Для того чтобы приспособить обычный планшет под снятие осциллограмм можно воспользоваться уже описанным ранее способом подключения к звуковому интерфейсу. В этом случае возможны определённые затруднения, так как дискретного линейного входа для микрофона у планшета нет.

Решить эту проблему удаётся следующим образом:

Нужно взять гарнитуру от телефона, в составе которой должен иметься встроенный микрофон;
Затем следует уточнить разводку (распиновку) входных клемм на используемом для подключения планшете и сравнить её с соответствующими контактами на штекере гарнитуры;
При их совпадении можно смело подключать источник сигнала вместо микрофона, используя уже рассмотренную ранее приставку на диодах и резисторах;
В завершении останется установить на планшете специальную программу, способную анализировать сигнал на микрофонном входе и выводить на экран его график.

Преимущества данного способа подключения к компьютеру – это простота реализации и дешевизна. К его минусам следует отнести малый диапазон измеряемых частот, а также отсутствие стопроцентной гарантии безопасности для планшета.

Преодолеть эти недостатки удаётся за счёт применения специальных электронных приставок, подключаемых через Bluetooth-модуль или посредством Wi-Fi-канала.

Самодельная приставка к Bluetooth-модулю

Подключение по «Bluetooth» осуществляется с помощью отдельного гаждета, представляющего собой приставку со встроенным в неё микроконтроллером АЦП. За счёт использования самостоятельного канала обработки информации удаётся расширить полосу пропускаемых частот до 1 МГц; при этом величина входного сигнала может достигать 10 Вольт.

Дополнительная информация. Радиус действия такой самостоятельно изготовленной приставки может достигать 10-ти метров.

Однако собрать такое преобразовательное устройство в домашних условиях способен не каждый, что существенно ограничивает круг пользователей. Для всех не готовых к самостоятельному изготовлению приставки возможен вариант приобретения готового изделия, с 2010 года поступающего в свободную продажу.

Приведённые выше характеристики могут устроить домашнего мастера, занимающегося ремонтом не очень сложной низкочастотной аппаратуры. Для более трудоёмких ремонтных операций могут потребоваться профессиональные преобразовательные устройства с полосой пропускания до 100 МГц. Эти возможности может обеспечить Wi-Fi-канал, поскольку скорости протокола обмена данными в этом случае несравнимо выше, чем в «Bluetooth».

Осциллографы-приставки с передачей данных по Wi-Fi

Вариант передачи цифровых данных по этому протоколу заметно расширяет пропускные способности измерительного устройства. Работающие по данному принципу и свободно продающиеся приставки не уступают по своим характеристикам некоторым образцам классических осциллографов. Однако стоимость их также далека от того, чтобы считаться приемлемой для пользователей со средними доходами.

В заключение отметим, что с учётом приведённых выше ограничений вариант подключения по Wi-Fi также подходит лишь для ограниченного круга пользователей. Тем же, кто решил отказаться от этого способа, советуем попытаться собрать цифровой осциллограф , обеспечивающий те же характеристики, но за счёт подключения к USB-входу.

Данный вариант также очень сложен в реализации, так что тем, кто не до конца уверен в своих силах, разумнее будет приобрести имеющуюся в свободной продаже готовую USB-приставку.

Видео

Технологии не стоят на месте, и угнаться за ними не всегда просто. Появляются новинки, в которых хотелось бы разобраться более детально. Особенно это касается разнообразных позволяющих собирать практически любое простое устройство пошагово. Сейчас в их числе и платы Ардуино со своими клонами, и китайские микропроцессорные компьютеры, и готовые решения, идущие уже с программным обеспечением на борту.

Однако для работы со всем вышеперечисленным спектром интересных новинок, равно как и для ремонта цифровой техники, требуется дорогостоящий высокоточный инструмент. Среди такого оборудования - и осциллограф, позволяющий считывать частотные показания и проводить диагностику. Зачастую его стоимость довольно высока, и начинающие экспериментаторы не могут позволить себе такую дорогостоящую покупку. Тут на помощь приходит решение, которое появилось на многих радиолюбительских форумах почти сразу после появления планшетов на системе Андроид. Его суть заключается в том, чтобы с минимальными затратами изготовить осциллограф из планшета, не внося при этом в свой гаджет никаких доработок либо модификаций, а также исключая риски его повреждения.

Что такое осциллограф

Осциллограф - как прибор для измерения и отслеживания частотных колебаний в электрической сети - известен с середины прошлого века. Данными приборами комплектуются все учебные и профессиональные лаборатории, поскольку обнаружить некоторые неисправности или произвести точную настройку оборудования можно только лишь с его помощью. Он может выводить информацию как на экран, так и на бумажную ленту. Показания позволяют увидеть форму сигнала, рассчитать его частоту и интенсивность, а в результате определить источник его появления. Современные осциллографы позволяют рисовать трехмерные цветные частотные графики. Мы же сегодня остановимся на простом варианте стандартного двухканального осциллографа и реализуем его с помощью приставки к смартфону или планшету и соответствующего программного обеспечения.

Самый простой вариант создания карманного осциллографа

Если замеряемая частота находится в диапазоне слышимых человеческим ухом частот, а уровень сигнала не превышает стандартный микрофонный, то собрать осциллограф из планшета на "Андроид" своими руками можно без каких бы то ни было дополнительных модулей. Для этого достаточно разобрать любую гарнитуру, на которой должен обязательно присутствовать микрофон. Если подходящей гарнитуры нет, то потребуется купить звуковой штекер 3,5 мм обязательно с четырьмя контактами. Перед припаиванием щупов уточните распиновку разъема вашего гаджета, ведь их бывает два вида. Щупы необходимо подключить к пинам, соответствующим подключению микрофона на вашем устройстве.

Далее следует загрузить из "Маркета" программное обеспечение, способное замерять частоту на микрофонном входе и рисовать график на основе полученного сигнала. Таких вариантов довольно много. Поэтому при желании будет из чего выбрать. Как и говорилось ранее, не потребовалась переделка планшета. Осциллограф будет готов сразу же после калибровки приложения.

Плюсы и минусы вышеприведенной схемы

К плюсам такого решения однозначно можно отнести простоту и дешевизну сборки. Старая гарнитура или один новый разъем практически ничего не стоят, а времени потребуется всего несколько минут.

Но у этой схемы есть ряд существенных недостатков, а именно:

Малый диапазон измеряемых частот (в зависимости от качества звукового тракта гаджета колеблется в пределах от 30 Гц до 15 кГц).
Отсутствие защиты планшета или смартфона (при случайном подключении щупов к участкам схемы с повышенным напряжением можно в лучшем случае сжечь микросхему, отвечающую за обработку аудиосигнала на вашем гаджете, а в худшем - полностью вывести из строя ваш смартфон или планшет).
На очень дешевых устройствах присутствует значительная погрешность в измерении сигнала, достигающая 10-15 процентов. Для точной настройки оборудования такая цифра недопустима.

Реализация защиты, экранирования сигнала и снижения погрешности

Для того чтобы частично защитить свое устройство от возможного выхода из строя, а также стабилизировать сигнал и расширить диапазон входных напряжений, может использоваться схема простого осциллографа для планшета, которая уже долгое время успешно применяется для сборки приборов для компьютера. В ней применяются дешевые компоненты, среди которых стабилитроны КС119А и два резистора на 10 и 100 кОм. Стабилитроны и первый резистор подключаются параллельно, а второй, более мощный, резистор используется на входе схемы, чтобы расширить максимально возможный диапазон напряжений. В результате пропадает большое количество помех, а напряжение повышается до 12 В.

Само собой, следует учитывать, что осциллограф из планшета работает в первую очередь со звуковыми импульсами. Поэтому стоит позаботиться о качественном экранировании как самой схемы, так и щупов. При желании подробную инструкцию по сборке данной схемы можно найти на одном из тематических форумов.

Программное обеспечение

Для работы с подобной схемой требуется программа, способная рисовать графики на основании входящего звукового сигнала. Найти ее в "Маркете" несложно, вариантов много. Почти все они предполагают дополнительную калибровку, поэтому можно добиться максимально возможной точности, и сделать профессиональный осциллограф из планшета. В остальном данные программы выполняют по сути одну и ту же задачу, поэтому окончательный выбор зависит от требуемого функционала и удобства использования.

Самодельная приставка с Bluetooth-модулем

Если же требуется более широкий диапазон частот, то приведенным выше вариантом ограничиться не получится. Тут на помощь приходит новый вариант - отдельный гаджет, представляющий собой приставку с аналогово-цифровым преобразователем, обеспечивающий передачу сигнала в цифровом виде. Аудиотракт смартфона или планшета в данном случае уже не задействуется, а значит, можно достигнуть более высокой точности измерений. По сути, на этом этапе они представляют собой только портативный дисплей, а вся информация собирается уже отдельным устройством.

Собрать осциллограф из планшета на "Андроид" с беспроводным модулем можно самому. В сети есть пример, когда похожее устройство еще в 2010 году реализовывалось с помощью двухканального аналогово-цифрового преобразователя, созданного на базе микроконтроллера PIC33FJ16GS504, а в качестве передатчика сигнала служил Bluetooth-модуль LMX9838. Устройство получилось довольно функциональным, но сложным в сборке, поэтому для новичков его сделать будет непосильной задачей. Но, при желании, найти подобный проект на тех же радиолюбительских форумах не проблема.

Готовые варианты приставок с Bluetooth

Инженеры не дремлют, и, кроме кустарных поделок, в магазинах появляется все больше приставок, выполняющих функцию осциллографа и передающих сигнал через Bluetooth-канал на смартфон или планшет. Осциллограф-приставка к планшету, подключаемая посредством Bluetooth, зачастую имеет следующие основные характеристики:

Предел измеряемой частоты: 1МГц.
Напряжение на щупе: до 10 В.
Радиус действия: около 10 м.

Этих характеристик вполне достаточно для бытового применения, и все же в профессиональной деятельности иногда возникают случаи, когда и этого диапазона катастрофически не хватает, а реализовать больший с медлительным протоколом Bluetooth попросту нереально. Какой же выход может быть в этой ситуации?

Осциллографы-приставки с передачей данных по Wi-Fi

Данный вариант передачи данных существенно расширяет возможности измерительного устройства. Сейчас рынок осциллографов с таким видом обмена информацией между приставкой и планшетом набирает обороты ввиду своей востребованности. Такие осциллографы практически не уступают профессиональным, поскольку без задержки передают измеряемую информацию на планшет, который тут же выводит ее в виде графика на экран.

Управление осуществляется через простые, интуитивно понятные меню, которые копируют настроечные элементы обычных лабораторных устройств. Кроме того, подобное оборудование позволяет записывать или транслировать в режиме реального времени все происходящее на экране, что может стать незаменимым подспорьем, если нужно попросить совета у более опытного мастера, находящегося в другом месте.

Характеристики осциллографа для в виде приставки с Wi-Fi подключением вырастают в несколько раз, по сравнению с предыдущими вариантами. Подобные осциллографы имеют диапазон измерения до 50 МГц, при этом их можно модифицировать посредством разнообразных переходников. Зачастую в них установлены аккумуляторы для автономного питания, с целью максимально разгрузить рабочее место от ненужных проводов.

Самодельные варианты современных приставок-осциллографов

Само собой, на форумах наблюдается всплеск разнообразных идей, с помощью которых энтузиасты пытаются осуществить свою давнюю мечту - самостоятельно собрать осциллограф из планшета на "Андроид" с Wi-Fi-каналом. Одни модели получаются удачными, другие нет. Тут уже остается вам решать, попытать ли тоже счастья и сэкономить несколько долларов, собрав прибор самостоятельно, или же приобрести готовый вариант. Если не уверены в своих силах, то лучше не рисковать, чтобы потом не сожалеть о потраченных впустую средствах.

В противном случае - добро пожаловать в одно из сообществ радиолюбителей, в котором вам смогут дать дельный совет. Возможно, впоследствии именно по вашей схеме новички будут собирать свой первый в жизни осциллограф.

Программное обеспечение для приставок

Зачастую вместе с покупными осциллографами-приставками поставляется диск с программой, которую можно установить на свой планшет или смартфон. Если такого диска в комплекте нет, то внимательно изучите инструкцию к устройству - скорее всего, в ней есть названия программ, совместимых с приставкой и находящихся в магазине приложений.

Также некоторые из подобных приборов могут работать не только с устройствами под управлением операционной системы "Андроид", но также и с более дорогими «яблочными» девайсам. В таком случае программа будет однозначно находиться в AppStore, поскольку другой вариант установки не предусмотрен. Сделав осциллограф из планшета, не забудьте проверить точность показаний и, при необходимости, откалибровать прибор.

USB-осциллографы

Если у вас нет портативного устройства вроде планшета, но имеется ноутбук или компьютер, не стоит расстраиваться. Из них также можно сделать прекрасный Самым простым вариантом будет подключение щупов к микрофонному входу компьютера по такому же принципу, как описывалось в начале статьи.

Однако, учитывая его ограничения, этот вариант подойдет далеко не всем. В таком случае может использоваться USB-осциллограф, который обеспечит такие же характеристики, как и приставка с передачей сигнала по Wi-Fi. Стоит отметить, что такие приборы иногда работают с некоторыми планшетами, которые поддерживают технологию подключения внешних устройств OTG. Само собой, ЮСБ-осциллограф также пытаются сделать самостоятельно, причем довольно успешно. По крайней мере, именно этой поделке посвящено большое количество тем на форумах.

Ниже представлен проект USB-осциллографа, который вы сможете собрать своими руками. Возможности USB-осциллографа минимальны, но для многих радиолюбительских задач вполне сойдет. Также, схема данного USB-осциллографа может использоваться как основа для построения более серьезных схем. В основе схемы стоит микроконтроллер Atmel Tiny45.

Осциллограф имеет два аналоговых входа и питается от USB-интерфейса. Один вход задействован через потенциометр, что позволяет уменьшать уровень входного сигнала.

ПО для микроконтроллера tiny45 написано на Си и скомпилировано при помощи и V-USB разработки Obdev , который реализует со стороны микроконтроллера HID-устройства.
В схеме не используется внешний кварц, а программно задействована частота от USB 16.5 МГц. Естественно не стоит ожидать от этой схемы дискретизации 1Gs/s.

Осциллограф работает по USB через HID-режим, не требующий установки каких-либо специальных драйверов. Софт для windows написан с использованием.NET C#. Взяв за основу мой исходник программы, вы можете дополнить ПО как вам нужно.

Принципиальная схема USB-осциллографа очень проста!

Список используемых радиоэлементов:
1 светодиод (любой)
1 резистор для светодиода, от 220 до 470 Ом
2 резистора 68 Ом для USB D+ & D-линий
1 резистор 1.5K для определения USB-устройства
2 стабилитрона 3.6V для выравнивания USB-уровней
2 конденсатора 100нФ и 47мкФ
2 фильтрующих конденсатора на аналоговых входах (от 10нФ до 470нФ), можно и без них
1 или 2 потенциометра на аналоговых входах, для уменьшения уровня входного напряжения (если нужно)
1 USB-разъем
1 микроконтроллер Atmel Tiny45-20.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Мой блокнот
	МК AVR 8-бит	ATtiny45	1		В блокнот
D1, D2	Стабилитрон	BZX84C3V6	2	3.6В	В блокнот
С1, С3, С4	Конденсатор	100 нФ	3		В блокнот
С2	Электролитический конденсатор	47 мкФ	1		В блокнот
R1, R5	Резистор	68 Ом	2		В блокнот
R2	Резистор	330 Ом	1		В блокнот
R3	Резистор	2.2 кОм	1		В блокнот
POT	Подстроечный резистор		1		В блокнот
Р1	Разъем		1		В блокнот
X2	USB-разъем		1		В блокнот
LED	Светодиод	Любой	1

Как сделать цифровой осциллограф из компьютера своими руками?

Начинающим радиолюбителям посвящается!

О том, как собрать самый простой адаптер для программного виртуального осциллографа, пригодный для использования в ремонте и настройке аудиоаппаратуры. https://сайт/

В статье рассказывается также о том, как можно измерить входной и выходной импеданс и как рассчитать аттенюатор для виртуального осциллографа.

Самые интересные ролики на Youtube

Близкие темы.

О виртуальных осциллоскопах.

Когда-то у меня была идея фикс: продать аналоговый осциллограф и купить ему на замену цифровой USB осциллоскоп. Но, прошвырнувшись по рынку, обнаружил, что самые бюджетные осциллографы «начинаются» от 250 долларов, да и отзывы о них не очень хорошие. Более же серьёзные приборы стоят в несколько раз дороже.

Так что, решил я ограничиться аналоговым осциллографом, а для построения какой-нибудь эпюры для сайта, использовать виртуальный осциллограф.

Скачал из сети несколько программных осциллографов и попытался что-нибудь померить, но ничего путного из этого не вышло, так как, либо не удавалось откалибровать прибор, либо интерфейс не годился для скриншотов.

Было, уже забросил это дело, но когда подыскивал себе программу для снятия АЧХ, наткнулся на комплект программ «AudioTester». Анализатор из этого комплекта мне не понравился, а вот осциллограф «Osсi» (далее буду его называть «AudioTester») оказался в самый раз.

Этот прибор имеет интерфейс схожий с обычным аналоговым осциллографом, а на экране есть стандартная сетка, которая позволяет измерять амплитуду и длительность. https://сайт/

Из недостатков можно назвать некоторую нестабильность работы. Программа иногда подвисает и для того, чтобы её сбросить приходится прибегать к помощи Task Manager-а. Но, всё это компенсируется привычным интерфейсом, удобством использования и некоторыми очень полезными функциями, которые я не встречал ни в одной другой программе подобного типа.

Внимание! В комплекте программ «AudioTester» есть генератор низкой частоты. Я не рекомендую его использовать, так как он пытается самостоятельно управлять драйвером аудиокарты, что может привести к необратимому отключению звука. Если Вы решите его использовать позаботьтесь о точке восстановления или о бэкапе ОС. Но, лучше скачайте нормальный генератор из «Дополнительных материалов».

Другую интересную программу виртуального осциллографа «Авангард» написал наш соотечественник Записных О.Л.

У этой программы нет привычной измерительной сетки, да и экран слишком большой для снятия скриншотов, но зато есть встроенный вольтметр амплитудных значений и частотомер, что частично компенсирует указанный выше недостаток.

Частично потому, что на малых уровнях сигнала и вольтметр и частотомер начинают сильно привирать.

Однако для начинающего радиолюбителя, который не привык воспринимать эпюры в Вольтах и миллисекундах на деление, этот осциллограф может вполне сгодиться. Другое полезное свойство осциллографа «Авангард» – возможность независимой калибровки двух имеющихся шкал встроенного вольтметра.

Так что, я расскажу о том, как построить измерительный осциллограф на базе программ «AudioTester» и «Авангард». Конечно, кроме этих программ понадобится и любая встроенная или отдельная, самая бюджетная аудиокарта.

Собственно, все работы сводятся к тому, чтобы изготовить делитель напряжения (аттенюатор), который позволил бы охватить широкий диапазон измеряемых напряжений. Другая функция предлагаемого адаптера – защита входа аудиокарты от повреждения при попадании на вход высокого напряжения.

Технические данные и область применения.

Так как во входных цепях аудиокарты есть разделительный конденсатор, то и осциллограф может использоваться только с «закрытым входом». То есть, на его экране можно будет наблюдать только переменную составляющую сигнала. Однако, при некоторой сноровке, с помощью осциллографа «AudioTester» можно измерить и уровень постоянной составляющей. Это может пригодиться, например, когда время отсчёта мультиметра не позволяет зафиксировать амплитудное значение напряжения на конденсаторе, заряжающемся через большой резистор.

Нижний предел измеряемого напряжения ограничен уровнем шума и уровнем фона и составляет примерно 1мВ. Верхний предел ограничивается только параметрами делителя и может достигать сотен вольт.

Частотный диапазон ограничен возможностями аудиокарты и для бюджетных аудиокарт составляет: 0,1Гц… 20кГц (для синусоидального сигнала).

Конечно, речь идёт о довольно примитивном приборе, но в отсутствие более продвинутого девайса, вполне может сгодиться и этот.

Прибор может помочь в ремонте аудиоаппаратуры или использоваться в учебных целях, особенно если его дополнить виртуальным генератором НЧ. Кроме этого, с помощью виртуального осциллографа легко сохранить эпюру для иллюстрации какого-либо материала, или для размещения в Интернете.

Электрическая схема аппаратной части осциллографа.

На чертеже изображена аппаратная часть осциллографа – «Адаптер».

Для постройки двухканального осциллографа придётся продублировать эту схему. Второй канал может пригодиться для сравнения двух сигналов или для подключения внешней синхронизации. Последнее предусмотрено в «AudioTester-е».

Резисторы R1, R2, R3 и Rвх. – делитель напряжения (аттенюатор).

Номиналы резисторов R2 и R3 зависят от применяемого виртуального осциллографа, а точнее от используемых им шкал. Но, так как у «AudioTester-а» цена деления кратна 1, 2 и 5-ти, а у «Авангард-а» встроенный вольтметр имеет всего две шкалы, связанных между собой коэффициентом 1:20, то использование адаптера, собранного по приведённой схеме не должно доставлять неудобств в обоих случаях.

Входное сопротивление аттенюатора около 1-го мегома. По-хорошему, это значение должно бы быть постоянным, но конструкция делителя при этом бы серьёзно усложнилась.

Конденсаторы C1, C2 и C3 выравнивают амплитудно-частотную характеристику адаптера.

Стабилитроны VD1 и VD2 вместе с резисторами R1 защищают линейный вход аудиокарты от повреждения в случае случайного попадания высокого напряжения на вход адаптера, когда переключатель находится в положении 1:1.

Согласен с тем, что представленная схема не отличается изящностью. Однако это схемное решение позволяет самым простым способом достичь широкого диапазона измеряемых напряжений при использовании всего нескольких радиодеталей. Аттенюатор же, построенный по классической схеме, потребовал бы применения высокомегаомных резисторов, и его входное сопротивление менялось бы слишком значительно при переключении диапазонов, что ограничило бы применение стандартных осциллографических кабелей, рассчитанных на входной импеданс 1МОм.

Защита от «дурака».

Чтобы обезопасить линейный вход аудиокарты от случайного попадания высокого напряжения, параллельно входу установлены стабилитроны VD1 и VD2.

Резистор R1 ограничивает ток стабилитронов до 1мА, при напряжении 1000 Вольт на входе 1:1.

Если Вы, действительно, собираетесь использовать осциллограф для измерения напряжения до 1000 Вольт, то в качестве резистора R1 можно установить МЛТ-2 (двухваттный) или два МЛТ-1 (одноваттных) резистора последовательно, так как резисторы различаются не только по мощности, но и по максимально-допустимому напряжению.

Конденсатор С1 также должен иметь максимальное допустимое напряжение 1000 Вольт.

Небольшое пояснение вышесказанного. Иногда требуется взглянуть на переменную составляющую сравнительно небольшой амплитуды, которая, тем не менее, имеет большую постоянную составляющую. В таких случаях нужно иметь в виду, что на экране осциллографа с закрытым входом можно увидеть только переменную составляющую напряжения.

На картинке видно, что при постоянной составляющей 1000 Вольт и размахе переменной составляющей 500 Вольт, максимальное напряжение, приложенное к входу, будет 1500 Вольт. Хотя, на экране осциллографа мы увидим только синусоиду амплитудой 500 Вольт.

Как измерить выходное сопротивление линейного выхода?

Этот параграф можно пропустить. Он рассчитан на любителей мелких подробностей.

Выходное сопротивление (выходной импеданс) линейного выхода, рассчитанного на подключение телефонов (наушников), слишком мало, чтобы оказать существенное влияние на точность измерений, которые нам предстоит выполнить в следующем параграфе.

Так для чего измерять выходной импеданс?

Так как мы будем использовать для калибровки осциллографа виртуальный низкочастотный сигнал-генератор, то его выходной импеданс будет равен выходному импедансу линейного выхода (Line Out) звуковой карты.

Убедившись в том, что выходной импеданс мал, мы можем предотвратить грубые ошибки при измерении входного импеданса. Хотя, даже при самом плохом стечении обстоятельств эта ошибка вряд ли превысит 3… 5%. Откровенно говоря, это даже меньше возможной ошибки измерений. Но, известно, что ошибки имеют привычку «набегать».

При использовании генератора для ремонта и настройки аудиотехники тоже желательно знать его внутренне сопротивление. Это может пригодиться, например, при измерении ESR (Equivalent Series Resistance) эквивалентного последовательного сопротивления или попросту реактивного сопротивления конденсаторов.

Мне, благодаря этому измерению, удалось выявить самый низкоомный выход в моей аудиокарте.

Если у аудиокарты всего одно выходное гнездо, то тогда всё ясно. Оно одновременно является и линейным выходом и выходом на телефоны (наушники). Его импеданс, как правило, мал, и его можно не измерять. Именно такие аудио-выходы используются в ноутбуках.

Когда же гнёзд целых шесть и есть ещё парочка на передней панели системного блока, а каждому гнезду можно назначить определённую функцию, то выходное сопротивление гнёзд может существенно отличаться.

Обычно, самый низкий импеданс соответствует гнезду салатового цвета, которое по-умолчанию и является линейным выходом.

Пример замера импеданса нескольких разных выходов аудиокарты установленных в режим «Телефоны» и «Линейный выход».

Как видно из формулы, абсолютные значения измеренного напряжения роли не играют, потому эти замеры можно делать задолго до калибровки осциллографа.

Пример расчёта.

U1 = 6 делений.

U2 = 7 делений.

Rx = 30(7 – 6) / 6 = 5 (Ом).

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.

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.

Как рассчитать делитель напряжения (аттенюатор)?

Максимальная неограниченная амплитуда входного напряжения аудиокарты, при максимальном уровне записи, около 250мВ. Делитель же напряжения, или как его ещё называют, аттенюатор позволяет расширить диапазон измеряемых напряжений осциллографа.

Аттенюатор можно построить по разным схемам, в зависимости от коэффициента деления и необходимого входного сопротивления.

Вот один из вариантов делителя, позволяющих сделать входное сопротивление кратным десяти. Благодаря добавочному резистору Rдоб. можно подогнать сопротивление нижнего плеча делителя до какой-нибудь круглой величины, например, 100 кОм. Недостаток этой схемы в том, что чувствительность осциллографа будет слишком сильно зависеть от входного сопротивления аудиокарты.

Так, если входной импеданс равен 10 кОм, то коэффициент деления делителя увеличится в десять раз. Уменьшать же резистор верхнего плеча делителя не желательно, так как он определяет входное сопротивление прибора, да и является основным звеном защиты прибора от высокого напряжения.

Так что, я предлагаю Вам самостоятельно рассчитать делитель, исходя из входного импеданса Вашей аудиокарты.

На картинке нет ошибки, делитель начинает делить входное напряжение уже при выборе масштаба 1:1. Расчеты же, конечно нужно делать, опираясь на реальное соотношение плеч делителя.

На мой взгляд, это самая простая и вместе с тем самая универсальная схема делителя.

Пример расчёта делителя.

Исходные значения.

R1 – 1007 кОм (результат замера резистора на 1 мОм).

Rвх. – 50 кОм (я выбрал более высокоомный вход из двух имеющихся на передней панели системного блока).

Расчёт делителя в положении переключателя 1:20.

Сначала рассчитаем по формуле (1) коэффициент деления делителя, определяемый резисторами R1 и Rвх.

(1007 + 50)/ 50 = 21,14 (раз)

Значит, общий коэффициент деления в положении переключателя 1:20 должен быть:

21,14*20 = 422,8 (раз)

Рассчитываем номинал резистора для делителя.

1007*50 /(50*422,8 –50 –1007) ≈ 2,507 (кОм)

Расчёт делителя в положении переключателя 1:100.

Определяем общий коэффициент деления в положении переключателя 1:100.

21,14*100 = 2114 (раз)

Рассчитываем величину резистора для делителя.

1007*50 / (50*2114 –50 –1007) ≈ 0,481 (кОм)

Для облегчения расчётов, загляните по этой ссылке:

Если вы собираетесь использовать только осциллограф «Авангард» и только в диапазонах 1:1 и 1:20, то точность подбора резистора может быть низка, так как «Авангард» можно откалибровать независимо в каждом из двух имеющихся диапазонов. Во всех остальных случаях придётся подобрать резисторы с максимальной точностью. Как это сделать написано в следующем параграфе.

Если Вы сомневаетесь в точности своего тестера, то можно подогнать любой резистор с максимальной точностью методом сравнения показаний омметра.

Для этого, вместо постоянного резистора R2 временно устанавливается подстроечный резистор R*. Сопротивление подстроечного резистора подбирается так, чтобы получить минимальную ошибку в соответствующем диапазоне деления.

Затем сопротивление подстроечного резистора измеряется, а постоянный резистор уже подгоняется под измеренное омметром сопротивление. Так как оба резистора измеряются одним и тем же прибором, то погрешность омметра не влияет на точность замера.

А это парочка формул для расчёта классического делителя. Классический делитель может пригодиться, когда требуется высокое входное сопротивление прибора (мОм/В), а применять дополнительную делительную головку не хочется.

Как подобрать или подогнать резисторы делителя напряжения?

Так как радиолюбители часто испытывают трудности при поиске прецизионных резисторов, я расскажу о том, как можно с высокой точностью подогнать обычные резисторы широкого применения.

Высокоточные резисторы всего в несколько раз дороже обычных, но на нашем радиорынке их продают по 100 штук, что делает их покупку не очень целесообразной.

Использование подстроечных резисторов.

Как видите, каждое плечо делителя состоит из двух резисторов – постоянного и подстроечного.

Недостаток – громоздкость. Точность ограничена только доступной точностью измерительного прибора.

Подбор резисторов.

Другой способ – подбор пар резисторов. Точность обеспечивается за счёт подбора пар резисторов из двух комплектов резисторов с большим разбросом. Сначала все резисторы промеряются, а затем подбираются пары, сумма сопротивлений которых наиболее соответствует схеме.

Именно этим способом, в промышленных масштабах, подгонялись резисторы делителя для легендарного тестера «ТЛ-4».

Недостаток метода – трудоёмкость и потребность в большом количестве резисторов.

Чем длиннее список резисторов, тем выше точность подбора.

Подгонка резисторов при помощи наждачной бумаги.

Подгонкой резисторов, путём удаления части резистивной плёнки, не брезгует даже промышленность.

Однако при подгонке высокоомных резисторов не допускается прорезать резистивную плёнку насквозь. У высокоомных плёночных резисторов МЛТ, плёнка нанесена на цилиндрическую поверхность в виде спирали. Подпиливать такие резисторы нужно крайне осторожно, чтобы не разорвать цепь.

Точную подгонку резисторов в любительских условиях можно осуществить при помощи самой мелкой наждачной бумаги – «нулёвки».

Сначала с резистора МЛТ, у которого заведомо меньшее сопротивление, при помощи скальпеля аккуратно удаляется защитный слой краски.

Затем резистор подпаивается к «концам», которые подключаются к мультиметру. Осторожными движениями шкурки-«нулёвки» сопротивление резистора доводится до нормы. Когда резистор подогнан, место пропила покрывается слоем защитного лака или клея.

Что такое шкурка-«нулёвка» написано .

На мой взгляд, это самый быстрый и простой способ, который, тем не менее, даёт очень хорошие результаты.

Конструкция и детали.

Элементы схемы адаптера размещены в прямоугольном дюралюминиевом корпусе.

Переключение коэффициента деления аттенюатора осуществляется тумблером со средним положением.

В качестве входного гнезда применён стандартный разъём СР-50, что позволяет использовать стандартные кабели и щупы. Вместо него можно применить обычное аудио гнездо типа Джек (Jack) 3,5мм.

Выходной разъём – стандартное аудио гнездо 3,5мм. Адаптер соединяется с линейным входом аудиокарты при помощи кабеля с двумя Джеками 3,5мм на концах.