Что я увидел на плате с помощью осциллографа?

Поскольку схему г-на Прибора, лежащего предо мной, я уже отыскал, попробую по схеме сориентироваться, чтобы такое интересное посмотреть осциллографом. Вообще, схема – дело первейшее. Я очень уважаю схемы, видимо оттого, что приходилось часто работать с устройствами в отсутствии схемы. Такое, может быть, даже полезно, но очень утомительно. Вспомнилась давняя история. Мой непосредственный руководитель попросил посмотреть, если не ошибаюсь, уж очень давно было, называлось это устройство «Элетап», и было, в сущности сегодняшним телефоном, но скорее перевозным, чем переносным, он попросил посмотреть, отчего не работает это устройство? Схема аппарата была, но с «черным ящиком». Вся сущность устройства была в этом черном ящике, а его схемы не было. Я позвонил своему доброму знакомому, но у него тоже не было схемы. Конечно, я разобрал все, уж это я умел тогда делать, попробовал включить аппарат, и убедился, что он работает нормально. Я собрал его, это не всегда, но иногда удается, он работал. Пришло время отдать это чудо техники, но именно в тот момент устройство вновь перестало работать. Тут уж я разозлился по-настоящему. Договорившись с начальником, я решил нарисовать схему электронного блока: с десяток плат, на каждой из которых с десяток цифровых микросхем. Да, рисование помогло определить структуру (функциональную схему) и принципиальную схему аппарата, помогло выявить неисправную микросхему, при небольшом нагреве она переставала работать, а «поостыв» великолепно работала, но этот опыт «рисования» заставил меня очень уважительно относиться к схемам.

Чтобы не возвращаться к рассказу о том, как выглядит осциллограф, хочу привести еще один вид, вид программы для работы с осциллографом-приставкой к компьютеру. Такая приставка имеет свои преимущества, она позволяет записать сигналы, которые можно позже просмотреть и проанализировать. Это особенно важно, если вы имеете дело с короткими и непериодическими импульсами, такие сигналы вы получите при исследовании сигналов управления пультов (инфракрасные пульты) многих бытовых устройств, и телевизоров, и музыкальных центров и т.п., а также при проверке сигналов в линии RS232, и аналогичных им. Экран такого осциллографа соизмерим с экраном монитора, а это всегда соблазнительно. Есть и еще одно преимущество, в цене. Если купить приставку-конструктор, то обойдется это, примерно, в 3000 руб.

Не могу сказать со всей определенностью, поддерживает ли такой конструктор все заложенные в программу функции, но если поддерживает, то кроме осциллографа вы получите, например, анализатор спектра — еще один очень полезный прибор при работе с высококачественными усилителями. Очень трудно налаживать усилитель без возможности проверить вносимые им нелинейные искажения.

Рис. 3.6. Вид программы для обслуживания осциллографа-приставки

Итак. Схема прибора подсказывает мне, что в нем на цифровой микросхеме собран генератор прямоугольных импульсов. Генераторы на цифровых микросхемах в цифровых устройствах реализуют достаточно часто, их используют как тактовые или синхрогенераторы. Есть, по меньшей мере, несколько разновидностей типовых генераторов, и множество схем генераторов со специальными параметрами. Причина, по которой логические элементы цифровых микросхем позволяют использовать их в качестве активных элементов генераторов, в том, что они остаются, хотя и специализированными, но усилителями. Если вход микросхемы ТТЛ с помощью делителя напряжения привести к запрещенному для логических элементов уровню в 1.2-1.5 В, то логический элемент превращается в усилитель напряжения. Если такой усилитель охватить положительной обратной связью, то возникает самовозбуждение усилителя, превращающее его в генератор. Генератор в приборе вырабатывает импульсы, которые через усилитель мощности приходят на измерительную цепь, и эти же импульсы управляют, с помощью ключей на полевых транзисторах, процессом измерения. В первую очередь есть смысл посмотреть, а работает ли генератор? Схема генератора выглядит так.

Рис. 3.7. Схема генератора на логических вентилях

Осциллограмма в программе Qucs не совсем то, что должно происходить. Хотя я пытался подбирать величины элементов схемы, конденсатор и резисторы, пытался поменять свойства вентилей, чтобы обнаружить что-то похожее на генерацию импульсов, я не удовлетворен результатом. По правде говоря, я не ожидал даже такого эффекта, поскольку от программы, использующей логические вентили, НЕЛОГИЧНО ожидать, что они будут работать вне логических отношений. Кстати, меняя свойства логических вентилей, я заменил графическое изображение. Схема «И-НЕ» сейчас выглядит более привычно, чем в предыдущем начертании.

И все-таки хочется увидеть работу именно генератора импульсов. У меня есть такая возможность – использовать другую программу САПР, но о разных программах и их возможностях я уже написал в книге «Наглядная электроника», не повторять же все еще раз. Попробую поступить иначе. Если открыть справочник по цифровым микросхемам, то в нем можно найти схему базового элемента «И-НЕ» серии ТТЛ. Эта схема имеет все знакомые нам элементы: транзисторы, резисторы, диод. А что если повторить эту базовую схему, с которой пока только одна проблема, первый транзистор имеет специальную конструкцию, он многоэмиттерный. Но эти эмиттеры образуют входы многовходовых элементов, а мы используем, в сущности, один единственный. Попробуем использовать обычный транзистор. Значения резисторов в схеме не приводится, попробуем подобрать их.

Рис. 3.8. Схема базового элемента «И-НЕ» ТТЛ на обычных компонентах

Я добавил резисторы R5 и R6 для подачи на вход напряжения близкого к 1.5 В и измерители напряжения Pr1, для измерения напряжения выхода, и Pr2, показывающий напряжение на входе. При тех значениях элементов схемы, которые есть, напряжения близки к моему представлению о том, какими они должны быть. Остается проверить, удалив из схемы не рисунке 3.8 резистор R6, что соответствует подаче на вход логической «1», напряжение на выходе. Оно близко к нулевому. И проверить соответствие при подключении входа к земле, что равносильно подаче логического «0» на вход. Напряжение на выходе близко к питающему, что тоже вполне похоже на нормальную работу логического инвертора.

Чтобы подтвердить предположение о том, что логический вентиль остается усилителем, я использую генератор синусоидального напряжения с частотой 1 кГц и выходным напряжением 0.1 В, который через конденсатор 100 мкФ подключу ко входу инвертора с делителем питающего напряжения на резисторах R5 и R6. Результат можно наблюдать на экране осциллографа. Логические инверторы есть во многих сериях цифровых микросхем. В отечественной серии К155 (аналогичной серии SN74) микросхема К155ЛН1 содержит шесть логических инверторов в одном корпусе (аналогично, SN7404).

Рис. 3.9. Проверка логического вентиля в усилительном режиме

При входном напряжении 0.1 В схема обеспечивает усиление по напряжению около 5, а форма сигнала по виду не отличается от синусоидального.

Рассуждения мои казались мне правильными, но добиться работы схемы, изображенной на рисунке 3.7, даже после замены логических вентилей на их транзисторный эквивалент в программе Qucs не получилось.

Мне хотелось повторить схему генератора, как она нарисована, но не получилось, возможно из-за того, что микросхема К561ЛА7 выполнена по КМОП технологии, а повторить схему я пытался с ТТЛ микросхемой. Чтобы показать, что я увидел на выходе задающего генератора после замены транзистора и микросхемы на плате прибора, мне пришлось нарисовать типовую схему синхрогенератора на цифровых микросхемах. В реальном приборе задающий генератор снабжен еще одной цифровой микросхемой, в корпусе которой два D-триггера. Триггер формирует хорошие, с крутыми фронтами, прямоугольные импульсы, и служит для коммутации ключей с использованием прямого и инверсного выходов триггера.

Мне жаль, что не получилось все задуманное. Такое бывает. Хотя схема на рисунке 3.8, без вспомогательных элементов, соответствует схеме базового элемента ТТЛ, параметры транзисторов и номиналы резисторов, использованные мной, могут очень сильно отличаться от реальных, что, в конечном счете, тоже могло стать причиной неудачи. Однако, что теперь гадать?

Рис. 3.10. Типовая схема синхрогенератора на цифровых микросхемах

Вот такого вида сигнал задающего генератора используется в приборе. Как я объяснял выше, я был готов к тому, что не получу положительного результата от эксперимента в программе Qucs. Логике – логическое, программе – программное, реальной микросхеме – все ее возможности. Тем приятнее, что с типовой схемой программа Qucs не подвела.

Что ж, все, что могло представлять интерес в смысле работы с осциллографом, мы в разобранном мною устройстве посмотрели. Остальное может представлять интерес только и тогда, когда необходимо восстанавливать работоспособность прибора. В приборе использована очень интересная схема выпрямителя, но это уже из мира схемотехники, и не относится к наблюдениям с помощью осциллографа за работой электрических компонент устройства. Выпрямитель в приборе используется для обслуживания микроамперметра, со шкалы которого считывается измеряемая величина. Микроамперметр – устройство магнитоэлектрическое. А не пора ли немного поговорить о магнитных проявлениях электричества?