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.
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.
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.
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:
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.
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.
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.
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:
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?
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.
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.
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.
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.
Осциллограф является одним из ключевых приборов, как любой радиотехнической лаборатории промышленного назначения, так и обычной радиомастерской. С помощью такого прибора можно определять неисправности электронных схем, а также проводить отладку их работы при проектировании новых устройств. Однако цена такого рода приборов весьма высока, и не каждый радиолюбитель может себе позволить приобрести подобную вещицу. Данная статья посвящена вопросу о том, как сделать осциллограф из компьютера. Существует много способов изготовления такого устройства, но основа везде одна: в качестве платы, которая будет принимать импульсы, служит звуковая карта ПК, а к ней присоединяется специальный адаптер. Он служит для согласования уровней измеряемых сигналов и входа аудиоплаты компьютера.
Одним из главных элементов упомянутого устройства является программа, которая на мониторе производит визуализацию измеряемых импульсов. Существует огромный выбор такого софта, однако не все утилиты стабильно работают. Особой популярностью среди радиолюбителей пользуется программа-осциллограф Osci, из комплекта AudioTester. Она имеет интерфейс, внешне похожий на стандартный аналоговый прибор, на экране есть сетка, которая позволит измерить длительность и амплитуду сигнала. Она удобна в эксплуатации, и имеет ряд дополнительных функций, которых нет у программ подобного типа. Но каждый радиолюбитель сможет выбрать для работы тот софт, который ему больше нравится.
Итак, для того чтобы сделать осциллограф из компьютера, необходимо собрать специальный аттенюатор (делитель напряжения), который сможет охватить максимально широкий диапазон измеряемого напряжения. Вторая функция такого адаптера - это защита входного порта звуковой платы от повреждений, которые может нанести высокий уровень напряжения. У большинства аудиокарт напряжение входа ограничивается 1-2 вольтами. Осциллограф из компьютера имеет ограниченный возможностями звуковой платы. Для бюджетных карт он составляет от 0,1Гц до 20кГц (синусоидальный сигнал). Нижний предел напряжения, который возможно измерить, ограничен уровнем фона и шума и составляет 1мВ, а верхний - ограничен параметрами адаптера и может составлять несколько сотен вольт.
Осциллограф из компьютера отличается весьма простой электрической схемой. Она содержит всего два стабилитрона и три зависит от используемой шкалы виртуального осциллографа. Данный делитель предназначен для трех различных шкал, с коэффициентами 1:1, 1:20 и 1:100. Соответственно, прибор будет иметь три входа, к каждому из которых подключен резистор. Номинальное сопротивление резистора прямого входа составляет 1МОм. Общий провод подключается через обратное соединение двух стабилитронов. Они предназначены для защиты звуковой карты от перенапряжения, когда переключатель находится в положении «прямого входа». В параллель резисторам можно подключить конденсаторы, они будут выравнивать амплитудно-частотную составляющую устройства.
Такой компьютер-осциллограф не отличается изящностью, однако простое схемное решение позволит достичь широкого диапазона измеряемого напряжения. Упомянутый прибор поможет в ремонте аудиоаппаратуры либо может использоваться в качестве учебного измеряющего устройства.
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.
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 . 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.
На модулях DA1.2 и DA1.3 построена схема сдвига двухполярного входного сигнала в зону положительного напряжения. Поскольку внутренний источник опорного напряжения микросхемы DD3 имеет напряжение 2,5 вольт, то без использования делителей охват входных напряжений равен -1,25..+1,25 В.
Чтобы была возможность исследовать сигналы, имеющие отрицательную полярность, при фактически однополярном питании от разъема USB ( а), использован преобразователь напряжения DD1, который для питания ОУ OP747 вырабатывает напряжение отрицательной полярности. Для защиты от помех аналоговой части осциллографа применены компоненты R5, L1, L2, C3, C7-C11.
Для вывода информации на экран монитора компьютера предназначена программа uScpoe. При помощи данной программы появляется возможность визуально оценивать величину исследуемого сигнала, а так же его форму в виде осциллограммы.
Для управления разверткой осциллографа предназначены кнопки ms/div. В программе можно сохранять осциллограмму и данные в файл при помощи соответствующих пунктов меню. Для виртуального включения и выключения осциллографа используются кнопки Power ON/OF. При отсоединении схемы осциллографа от компьютера, программа uScpoe автоматически переводится в режим OFF.
В режиме записи электрического сигнала (recorder), программа создает текстовый файл, имя которого можно задать по следующему пути: File->Choice data file. изначально формируется файл data.txt. Далее файлы можно импортировать в другие приложения (Excel, MathCAD) для дальнейшей обработки.
(3,0 Mb, скачано: 3 610)
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.
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| МК AVR 8-бит | ATtiny45 | 1 | Поиск в Чип и Дип | В блокнот | ||
| D1, D2 | Стабилитрон | BZX84C3V6 | 2 | 3.6В | Поиск в Чип и Дип | В блокнот |
| С1, С3, С4 | Конденсатор | 100 нФ | 3 | Поиск в Чип и Дип | В блокнот | |
| С2 | Электролитический конденсатор | 47 мкФ | 1 | Поиск в Чип и Дип | В блокнот | |
| R1, R5 | Резистор | 68 Ом | 2 | Поиск в Чип и Дип | В блокнот | |
| R2 | Резистор | 330 Ом | 1 | Поиск в Чип и Дип | В блокнот | |
| R3 | Резистор | 2.2 кОм | 1 |
На интернет-страничке http://www.semifluid.com я нашел весьма простое решение для создания цифрового компьютерного осциллографа. Устройство построено на базе восьмиразрядного процессора PIC12F675.
Процессор работает на частоте 20 МГц. Микроконтроллер непрерывно измеряет входное напряжение, преобразовывает его и отправляет цифровое значение на последовательный порт компьютера. Скорость передачи данных последовательного порта – 115кБит и, как показано на следующем рисунке, данные сканируются и отправляются с частотой около 7,5 кГц (134 мкс).
Cхема устройства
Основа схемы, микроконтроллер PIC12F675 (микросхема U2) который работает с тактовой частотой 20 МГц кристалла Y1. J1 - стандартный разъем питания для подключения питания в 9-12 В, которое затем стабилизируется на U1 до 5 В для питания процессора.
После U2 в схему добавляется простой преобразователь TTL уровня с последовательным портом RS232 персонального компьютера. Он построен на базе транзистора BC337 (Q1) и резисторов R1 и R3. Вход 5 микроконтроллера ведет к переключателю S1. В своей основной позиции (1-2) прибор переключается в режим осциллографа постоянного тока (DC измерений), который способен отображать входной сигнал 0-5В. Во второй позиции - в режим осциллографа переменного тока. В этом положении максимальное напряжение – от -2,5 до +2,5 В. Конденсатор С6 я использовал керамический 22000nF, чтобы наблюдать низкие частоты без особых искажений.
При необходимости можно добавить дополнительные входной аттенюатор (сплиттер), или ОУ.
Программное обеспечение
В упомянутом выше оригинальном сайте, также доступна простая программа управления для Windows. Программа написана на Visual Basic.
Программа запускается сразу и ожидает появление данных на последовательном порте COM1. Слева, четыре ползунка, используемые для измерения периода и напряжения сигнала. Затем идут вкл / выкл синхронизации, поля для масштабирования или изменения значений размера выборки.
Монтаж
Я не стал делать печатной платы, а смонтировал все в небольшой пластиковой коробке навесным монтажом. Корпус должен иметь отверстия для разъема RS232 переключателя, входного гнезда, гнезда питания.
Прошивка для процессора - в конце статьи. Биты конфигурации (fuse), в процессе программирования должны быть установлены следующим образом:
Фотография моего готового прототипа
Ниже вы можете скачать исходник, прошивку и ПО для windows
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| U1 | Линейный регулятор | LM78L05 | 1 | Поиск в Чип и Дип | В блокнот | |
| U2 | МК PIC 8-бит | PIC12F675 | 1 | 675-I/P | Поиск в Чип и Дип | В блокнот |
| Q1 | Биполярный транзистор | BC337 | 1 | Поиск в Чип и Дип | В блокнот | |
| С1, С2, С5 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 3 | Поиск в Чип и Дип | В блокнот | |
| С3, С4 | Конденсатор | 22 пФ | 2 | Поиск в Чип и Дип | В блокнот | |
| С6 | Конденсатор | 22 мкФ | 1 | Поиск в Чип и Дип | В блокнот | |
| R1, R3 | Резистор | 1 кОм | 2 |
