Сборка usb осциллографа своими руками

Что такое USB-осциллограф, особенности работы, плюсы и минусы

Однажды мы решили купить осциллограф для одного моего товарища. Долго сравнивали цены, прикидывали… Можно было приобрести крутой цифровой осциллограф со всей начинкой подороже (он в данный момент находится на моем рабочем столе) или же выбрать дешевый вариант за 5–10 тысяч рублей в виде советской «цешки».

Глянули на ресурсе «Авито». Там советские осциллографы, как ни странно, достаточно дорогие и по сей день, а стоимость цифровых осциллографов оказалась еще выше. Но здесь нам пришла в голову блестящая идея – посмотреть USB-осциллограф на «АлиЭкспресс». Оказалось, что обладая фактически таким же функционалом, как и цифровой осциллограф, и еще и небольшими габаритами, он оценивался в копейки. USB-осциллограф – это тот же цифровой осциллограф, и отличается от него только отсутствием собственного дисплея.

Хорошо подумав, взвесив все «за» и «против», решили, что доллар будет только расти, а кризис – явление затяжное. Ведь известно, что вложение денег в образование и технику – это вклад в свое будущее. Подумали и решили действовать. Где-то через месяц мы получили USB-осциллограф, который заказывали.

В комплекте с ним был диск с программным обеспечением и еще некоторые детали, такие как расходники и пара щупов.

На приборе также можно увидеть пару штырей. Они служат для генерирования пробного сигнала, который позволяет калибровать щупы прибора. Для подключения последних тут сделаны разъемы BNC. Их можно увидеть на другой стороне осциллографа.

генератор тестового сигнала для калибровки щупов осциллографа

Гранично допустимое напряжение, которое безопасно подавать на BNC разъемы, составляет 30 вольт (эту цифру видно на фото осциллографа). Для электронщика-новичка его будет вполне достаточно для работы. Генератор пробного сигнала образует меандр – сигнал прямоугольной формы с диапазоном напряжения в 2 В и частотой в 1 кГц.

Также на осциллографе присутствует светодиод, который подает сигнал о рабочем статусе осциллографа. Для соединения с вашим компьютером на приборе есть USB-вход.

После того как подключены комплектующие, осциллограф имеет такой вид:

Сборка карманного осциллографа на основе «Андроида»

Замеряемая частота должна быть слышимой человеческим ухом, а уровень сигнала не должен превышать стандартного микрофонного звука. В этом случае, собрать осциллограф на основе «Андроида» своими руками можно и без дополнительных модулей. Разбираем гарнитуру, на которой присутствует микрофон. При отсутствии этой гарнитуры необходимо приобрести звуковой штекер на 3,5 мм с четырьмя контактами. Щупы припаять согласно разъёмам вашего гаджета.

Загрузить программное обеспечение из «Маркета», которое будет замерять частоту микрофонного входа и вырисовывать график на основе этого сигнала. Представленных вариантов будет достаточно, чтобы выбрать оптимальный. После калибровки приложения — осциллограф будет готов к использованию.

Плюсы и минусы «Андроидной» сборки:

Осцилограф - портативный прибор

  • Плюсы: простота и дешевизна; минимальная затрата времени на осуществление этого проекта.
  • Минусы: низкое качество звукового тракта гаджета, существенно влияет на диапазон измеряемых частот; отсутствие защитных элементов, которые предохраняют смартфон и планшет от случайных подключений щупов к точкам повышенного напряжения электросхемы; большая погрешность при измерении сигнала, в случае дешёвого устройства.

Шаг 3: Скачиваем скетч и загружаем его в приложение Arduino

  1. Загрузите и разархивируйте скетч для Arduino: ((oscilloscope_arduino.ino)).
  2. Подключите контроллер Arduino к компьютеру через USB-порт.
  3. Запустите приложение Arduino IDE.
  4. Откройте загруженный скетч «oscilloscope_arduino.ino».
  5. Выберите порт, к которому подключен контроллер (см. фото).
  6. Загрузите программу в контроллер Arduino.

Частота дискретизации

Частота дискретизации – это, если говорить простым человеческим языком, частота, с которой происходит запись сигнала осциллографом. Вам, наверное, известно, что осциллограмма – это линия определенного вида. Формы этих линий могут быть разными. Вспомним, как в школе мы учили графики функций и откладывали точки, которые потом соединяли. В зависимости от конкретной функции график получался разным. График функции y=x2 был параболой. Если мы отложим только четыре точки, график не будет плавным. Он получится с изломами (смотреть рисунок с кружками).

Чем больше точек мы поставим, тем удачнее и красивее у нас получится график.

Здесь очень похожая ситуация! Разница в том, что по оси Х нужно откладывать время, а напряжение – по оси Y.

Поэтому для получения более точного отображения сигнала необходимо, чтобы количество точек было так велико, насколько возможно максимально этого добиться. С этой задачей наилучшим образом справляются аналоговые осциллографы. Они выдают множество точек линии сигнала. В результате мы получаем качественное изображение.

Чтобы получить максимальное количество точек изображения, надо увеличивать частоту записи. Также данную характеристику еще называют частотой дискретизации (или сэмплирования). На панели корпуса каждого такого прибора пишут частоту сэмплирования. Единицей измерения данного параметра является мегасэмпл. Приставка «мега» увеличивает цифру на шесть порядков. Шесть порядков – это миллион. Правда, у купленного нами прибора, частота дискретизации указана, как 48 мегасэмплов за секунду. Как это понимать? Осциллограмма в данном случае рисуется с частотой 48 000 000 значений в секунду. Но для сравнения скажем, что, к примеру, у осциллографа OWON это значение составляет 500 MSa/s. Как вы теперь думаете, у какого прибора сигнал будет лучшим? Думаю, вы знаете ответ.

Схема и сборка устройства

Существует много схем для изготовления цифрового USB-осциллографа своими руками. Не все доступны для неопытного радиолюбителя. Наиболее легким является сборка устройств на основе звуковой карты, так как здесь нужно собрать только делитель для увеличения порога входящего напряжения.

Подключение через USB

USB-осциллограф сложный в изготовлении своими руками, но высокоточный прибор с большим диапазоном по частоте. Детали для него можно приобрести в магазине или заказать через интернет. Список запчастей следующий:

  • двусторонняя плата с готовыми дорожками;
  • АЦП AD9288−40BRSZ;
  • система собирается на процессоре марки CY7C68013A;
  • резисторы, трансформаторы, конденсаторы, дроссели — номиналы указаны на схеме;
  • паяльник и монтажный фен, паяльная паста, флюс и припой;
  • провод с площадью сечения 0,1 мм2 и лаковым покрытием;
  • тороидальный сердечник для изготовления трансформатора;
  • чип памяти EEPROM flash 24LC64;
  • реле с управляющим напряжением не более 3,3 В;
  • операционные усилители AD8065;
  • преобразователь постоянного тока DC-DC;
  • USB коннектор;
  • стеклотекстолит;
  • разъемы для щупов, корпус для платы.

Что такое портативный компьютер – разновидности и лучшие модели

Схема устройства приведена ниже.

Так как используется двусторонний монтаж, то самостоятельно плату с дорожками изготовить не получится. Надо обратиться к производственному объединению, выпускающему подобные изделия, и сделать заказ со следующими условиями:

  • стеклотекстолит, на котором будет размечена схема, должен иметь толщину не менее 1,5 мм;
  • толщина медных дорожек не менее 1 унции (OZ) или 35 мкм;
  • сквозная металлизация отверстий;
  • лужение контактных площадок для лучшего припаивания элементов.

Получив заказ, можно приступать к сборке. Вначале собирается конвертер DC-DC, для получения двух постоянных напряжений: +5 В и -5 В. Изготавливается он отдельно от основного устройства, а затем подсоединяется экранированным кабелем.

Далее аккуратно припаять элементы схемы. Особенно быть осторожным при пайке микросхем, не допускать увеличения температуры паяльника выше 300°С.

Разместив изготовленное устройство в корпусе, подключить его к компьютеру через USB разъем. После этого перемкнуть перемычку JP1.

Использование аудиокарты

Осциллограф из внешней звуковой карты — малобюджетный и простой в изготовлении осциллоскоп к компьютеру или ноутбуку. Более всего подойдет начинающим радиолюбителям. Можно использовать как внешнее, так и внутреннее звуковое устройство.

Входное напряжение для внутренней звуковой карты компьютера не должно превышать 0,5-2 В. Чтобы измерить сигнал с амплитудой более 2 В, необходимо подать его на компьютер через делитель напряжения. Собирается аттенюатор по следующей схеме.

Схема аттенюатора

Подаваемое напряжение уменьшается в 100, 10 или 1 раз, в зависимости от величины. Для этого щупы вставляются в соответствующие разъемы. Точная настройка происходит через подстроечный резистор. Диоды предохраняют от случайной подачи напряжения более 2 В.

Конструкцию разместить в металлической коробке для устранения возможных наводок. Провод, подключаемый к звуковой карте, должен быть коротким с медной оплеткой. Для создания второго канала необходимо продублировать устройство. Если на карте есть несколько входов, то выбрать с наименьшим внутренним сопротивлением.

Собранное устройство

Лучшие программы для ОС Windows

Ниже рассматривается схема с использованием внешней USB звуковой карты стоимостью около 2 долларов.

Внешний вид

Кроме адаптера понадобятся:

  • сопротивление на 120 кОм:
  • коннектор mini Jake;
  • щупы для измерений.

После приобретения всех запчастей проделать следующие шаги:

    Вскрыть аккуратно адаптер, так, чтобы не сломать защелки. Внутри будет небольшая плата.

Плата спереди

Плата сзади

Драйвера на устройство

Установка в папку

Установка драйверов

Перед использованием осциллограф необходимо настроить.

Электрическая схема

Если вы всё же решили работать через самодельную приставку, то для осциллографа из компьютера своими руками потребуется схема. Схема эта достаточно простая и работа над ней для того, кто хотя бы раз занимался чем-то подобным, не составит никакого труда. Вам понадобятся инструменты и навыки базовой работы со схемами – соединения, теоретические знания.

ВАЖНО! Есть и более сложные схемы, но новичку лучше начать с элементарного варианта. Если первая попытка подойдёт для решения задачи, то для последующих проб сложность можно поднять, спаяв новую, более совершенную схему.

Шаг 1: Используем контроллер Arduino Uno

В интернет-магазинах контроллер Arduino Uno стоит в пределах 20 долларов.

Цифровой USB осциллограф из компьютера. Схема и описание

В наше время использование различных измерительных устройств, построенных на базе взаимодействия с персональным компьютером, достаточно много. Значительным преимуществом их использования является возможность сохранения полученных значений достаточно большого объема в памяти устройства, с последующим их анализом.

Цифровой USB осциллограф из компьютера, описание которого мы приводим в данной статье, является одним из вариантов подобных измерительных инструментов радиолюбителя. Его можно применить в качестве осциллографа и устройства записывающего электрические сигналы в оперативную память и на жесткий диск компьютера.

Схема не сложная и содержит минимум компонентов, в результате чего удалось добиться хорошей компактности устройства.

Основные характеристики USB осциллографа:

  • АЦП: 12 разрядов.
  • Временная развертка (осциллограф): 3…10 мсек/деление.
  • Временной масштаб (рекордер): 1…50 сек/выборка.
  • Чувствительность (без делителя): 0,3 Вольт/деление.
  • Синхронизация: внешняя, внутренняя.
  • Запись данных (формат): ASCII, текстовый.
  • Максимальное входное сопротивление: 1 МОм параллельно к емкости 30 пФ.

Описание работы осциллографа из компьютера

Для осуществления обмена данными, между USB осциллографом и персональным компьютером, применен интерфейс Universal Serial Bus (USB). Данный интерфейс функционирует на базе микросхемы FT232BM (DD2) фирмы Future Technology Devices. Она представляет собой преобразователь интерфейса USB — COM. Микросхема FT232BM может функционировать как в режиме прямого управления битами BitBang (при использовании драйвера D2XX), так и в режиме виртуального COM-порта (при применении драйвера VCP).

В роли АЦП применена интегральная микросхема AD7495 (DD3) фирмы Analog Devices. Это не что иное, как аналого-цифровой преобразователь с 12 разрядами, с внутренним источником опорного напряжения и последовательным интерфейсом.

В микросхеме AD7495 также есть синтезатор частот, который определяет, с какой скоростью будет происходить обмен информацией между FT232BM и AD7495. Для создания необходимого протокола обмена данными, программа USB осциллографа наполняет выходной буфер USB отдельными значениями битов для сигналов SCLK и CS так, как указано на следующем рисунке:

Измерение одного цикла определяется серией из девятьсот шестидесяти последовательных преобразований. Микросхема FT232BM с частотой, определяемой встроенным синтезатором частот, отправляет электрические сигналы SCLK и CS, параллельно с передачей данных преобразования по линии SDATA. Период 1-го полного преобразования АЦП FT232BM, устанавливающий частоту выборки, соответствует продолжительности периода отправки 34 байтов данных, выдаваемых микросхемой DD2 (16 бит данных + импульс линии CS). Поскольку быстрота передачи данных FT232BM обусловливается частотой внутреннего синтезатора частот, то для модификации значений развертки нужно всего лишь менять значения синтезатора частот микросхемы FT232BM.

Данные, принятые персональным компьютером, после определенной переработки (изменение масштаба, корректировка нуля) выводятся на экран монитора в графическом виде.

Исследуемый сигнал поступает на разъем XS2. Операционный усилитель OP747 предназначен для согласования входных сигналов с остальной схемой USB осциллографа.

Что нужно учитывать?

Есть несколько правил, которые нужно соблюдать в любом случае, если вы собираетесь проводить подобные работы:

  • Используемый вами компьютер в обязательном порядке должен быть надежно заземлен.
  • Ни в какой ситуации вы не должны совать в розетку земляной провод. Он соединяется через специализированный корпус разъема линейного входа с корпусом системного блока. В этом случае, вне зависимости от того, попадаете вы в ноль или же в фазу, у вас не произойдет короткого замыкания.

Другими словами, в розетку может втыкаться исключительно провод, соединяющийся с резистором, который располагается в схеме адаптера и имеет номинал 1 мегом. Если же вы пытаетесь включить в сеть кабель, который соединяется с корпусом, то практически во всех случаях это приводит к самым неприятным последствиям.

компьютер осциллограф генератор

Если вами будет использоваться осциллограф «Авангард», то в таком случае в процессе калибровки вам следует выбрать шкалу вольтметра «12.5». После того как вы увидите напряжение сети на вашем экране, в окошко калибровки нужно буде ввести значение 311. При этом стоит отметить, что вольтметр после этого должен показать вам результат в виде 311 мВ или же приближенное к нему.

Помимо всего прочего, не стоит забывать, что форма напряжения в современных электросетях отличается от синусоидальной, так как на сегодняшний день электроприборы выпускаются с импульсными блоками питания. Именно по этой причине вам нужно будет ориентироваться не просто на видимую кривую, но и на ее синусоидальное продолжение.

Adblock
detector