Глава 3. Путешествие по плате с осциллографом

Г-н Прибор, который лежит в разобранном виде передо мной, не работает, потому я его и разобрал. Если «побродить» по выводам элементов его схемы щупом осциллографа, то, вероятнее всего, ничего интересного не увидишь. Но можно проверить работоспособность элементов, а если найдется что-то явно вышедшее из строя, попробовать заменить неисправный элемент. Так что, есть, мне кажется смысл, «побродить». Однако вначале, комуто не интересно, но кому-то может показаться полезным, разберемся с тем

Что такое осциллограф?

Осциллограф, правильнее называть его осциллоскопом, но я (привык) буду называть его осциллографом, это изумительнейший прибор, который позволяет воочию наблюдать все, происходящее в схеме. Конечно, если наблюдать постоянное напряжение на резисторе (или любом другом элементе схемы), то удовольствия не больше, чем от просмотра рекламы по телевизору. Но современные осциллографы и в этом случае «на коне», их часто объединяют с мультиметром, и вы можете произвести измерения с необходимой точностью. А вот во всем, что связано с переменным напряжением, равным по наглядности этому прибору я не знаю. Даже самый примитивный осциллограф, о котором я собираюсь рассказать, вызывает у меня чувство гордости за принадлежность к роду человеческому, способному решать свои проблемы с такой великолепной изобретательностью.

Основным элементом традиционного осциллографа является специальным образом устроенная радиолампа. Стеклянный баллон, из которого выкачан воздух, имеет специальное покрытие на плоском торце, имеет, как любая радиолампа, катод, при нагреве излучающий носители тока (в данном случае электроны, которые «разогреты» настолько, что в своем тепловом движении улетают за пределы металла), анод, выполненный так, чтобы не задерживать электроны. Если между катодом и анодом приложить напряжение, подключив их к источнику ЭДС, то между ними появится электрическое поле, разгоняющее электроны, вылетевшие из катода. Разогнавшись, электроны пролетают мимо анода и попадают на плоский торец баллона, вызывая свечение покрывающего его вещества. Такую специальную лампу называют электронно-лучевой осциллографической трубкой. Устройство анода позволяет так сфокусировать поток электронов, что на торце, покрытом люминофором (специальным составом, светящимся под воздействием потока электронов), при включении трубки появится светящаяся точка.

Кроме этих электродов осциллографическая трубка имеет две пары взаимно перпендикулярно расположенных пластин. Если подать напряжение на одну пару (от источника ЭДС), то под воздействием электрического поля, возникающего между пластинами, поток электронов откланяется так, что точка из центра экрана осциллографа (торец с люминофором) переместится к его краю. К какому, зависит от полярности приложенного к пластинам напряжения. Если полярность напряжения поменять, то светящаяся точка переместится к противоположному краю. Если это напряжение подать на вторую пару пластин, то точка будет смещаться к верней и нижней кромке экрана. Первая пара называется горизонтальными отклоняющими пластинами, вторая пара – вертикальными.

Если мы подадим на горизонтальные отклоняющие пластины такое напряжение, чтобы светящаяся точка сместилась к левому краю экрана, затем плавно будем уменьшать это напряжение до нуля, используя делитель напряжения (потенциометр), то точка переместится от левого края экрана в его центр. Если теперь поменять полярность напряжения и плавно увеличивать его, то точка переместится к правому краю экрана.

Предположим, что мы настолько изобретательны, что можем создать источник питания, который в начальный момент времени дает напряжение одной полярности, плавно убывающее до нуля, затем плавно возрастающее в другой полярности, и резко возвращающееся к исходной полярности. И так раз за разом в постоянном ритме. Что мы увидим на экране? Точку, которая появляется у левого края экрана, плавно движется к правому краю, затем резко перемещается к левому краю, и так раз за разом. Если бы экран был бесконечен, то точку не надо было бы возвращать назад, а плавное движение светящейся точки по экрану мы можем, как вы уже сообразили, уподобить плавному равномерному течению времени.

Если на оставшуюся пару (вертикального отклонения) пластин подать исследуемое нами напряжение, то любое переменное напряжение будет наглядно представлено на экране осциллографа: в каждый момент времени светящаяся точка будет занимать такое вертикальное положение, которое соответствует мгновенному значению наблюдаемого напряжения.

Вот так, приблизительно, устроен простейший осциллограф. Он удобен для наблюдения периодических переменных напряжений. Для большего удобства период напряжения, подаваемого на горизонтальные отклоняющие пластины, его еще называют напряжением развертки, делают изменяемым. Для медленных процессов, этот период повторения может быть порядка секунд, для быстрых, как у радиосигналов, миллионных долей секунды. При быстрых повторениях развертки глаз уже не может разглядеть точку, он видит сплошную линию. На экран осциллографа для возможности оценки параметров наблюдаемого напряжения наносят сетку, имеющую деления, а переключатель времени периода развертки помечают значениями в сек/деление (или миллисекунда, микросекунда). Наблюдая, сколько делений занимает период исследуемого сигнала, мы можем оценить его в секундах, можем перевести период в частоту сигнала.

Напряжение, которое нужно подать на пластины вертикального отклонения, чтобы переместить светящуюся точку от нижнего края экрана к верхнему, может составлять сотни вольт. А сигналы, которые мы наблюдаем, могут иметь величину в единицы милливольт (тысячных долей вольта). Следовательно, перед подачей напряжения сигнала на пластины вертикального отклонения его нужно усилить. И, чтобы работать с разными наблюдаемыми напряжениями, усилитель можно дополнить делителем напряжения. Переключатель напряжения вертикального отклонения обычно маркируют в вольт/деление. Теперь мы можем определить и величину переменного напряжения.

Если вы начинающий любитель, и если вам позволяют финансы, обязательно обзаведитесь осциллографом. Сегодня можно купить и самый современный традиционный осциллограф, и сверх портативный, по размерам мультиметра, и совмещающий возможности мультиметра и осциллографа, и приставку к компьютеру, позволяющую использовать экран монитора, как экран осциллографа. Но не огорчайтесь, если не будет возможности обзавестись на первых порах осциллографом. Есть программы, превращающие звуковую карту компьютера, а они все имеют линейный вход, в осциллограф для наблюдения переменных напряжений звуковой частоты. Не с любой звуковой картой они работают, но это можно определить только испробовав программу. Кроме того, можно с успехом использовать такие программы, как PSIM и Qucs, чтобы увидеть все интересное, что есть в электрических схемах. А программа Multisim, которая стоит, однако, не дешевле очень неплохого осциллографа, может познакомить вас с работой реального осциллографа, у которого нажимаются кнопки, крутятся ручки, не хватает только описания работы с таким осциллографом, потому что потребуется время, чтобы разобраться, как с ним работать. Но, честное слово, это время будет потрачено не зря – осциллограф великолепнейшее изобретение, как, впрочем, любые измерительные приборы.

Что такое сигнал?

Договоримся, что любое переменное напряжение, которое мы можем (хотя бы в принципе) наблюдать на экране осциллографа, мы будем называть сигналом, который несет либо ранее заложенную в него информацию, либо информацию о состоянии точки наблюдения. Такая информация может быть использована для анализа состояния схемы в данной точке. Чтобы не быть голословным, я хочу проверить «жива» ли микросхема операционного усилителя на плате г-на Прибора, лежащего передо мной. Мне понадобится осциллограф. С реальной микросхемой я использую старенький С1-94, который у меня есть. Мне понадобится генератор низкой частоты, есть у меня и такой. А схему проверки я изображу в программе Qucs.

Рис. 3.1. Проверка работоспособности операционного усилителя

Прежде, чем проверять микросхему на плате, я зарядил батарейный отсек прибора, нужен же источник питания, и мультиметром проверил наличие питающих напряжений на выводах микросхемы. Если нет питающего напряжения, то и «живая» микросхема работать не будет. Конденсатор, на схеме С1, я подпаял, а то, что увидел на экране осциллографа ничем не отличается от того, что на рисунке. Генератор, на рисунке он изображен в виде источника переменного напряжения V1, создает синусоидальное напряжение, и это напряжение можно наблюдать на выходе схемы (метка output) с помощью осциллографа. Схема включения операционного усилителя позволяет быстро оценить коэффициент усиления. Для этого можно разделить величину резистора отрицательной обратной связи, на рисунке R3, на величину резистора на инверсном входе, R1. От генератора я подаю напряжение 1 В, на

выходе получаю искомые 10 В. Микросхема, эта микросхема, жива. Здесь, если оценивать усиление, следует вспомнить, что сопротивление конденсатора переменному току – это некоторая величина, образующая со входным сопротивлением усилителя делитель напряжения. Попробуйте заменить конденсатор С1 на другой, имеющий величину, положим 100 пФ (пикофарад), и посмотрите, что получится.

Раз уж я включил генератор и осциллограф, посмотрю, жива ли цифровая микросхема? Для ее проверки я использую тот же прием. Вначале проверю напряжение на выводах питания. Напряжение есть. Теперь, памятуя о таблицах истинности, и что логические элементы микросхемы двух-входовые, проверю, какое напряжение на входах (для схемы «И- НЕ» мне нужен высокий уровень), потом подам сигнал от генератора.

Рис. 3.2. Проверка работоспособности цифровой микросхемы

На рисунке я не стал менять напряжения источников постоянного и переменного напряжения, программа успешно работает с уровнем 1 В, а выходное напряжение реального генератора пришлось увеличить до 2.5 В. И конденсатор С1 пришлось заменить, существенно увеличив его значение. Но на экране осциллографа, подключенного к выходу микросхемы, я увидел ту же, практически, картинку, что показывает программа Qucs. Не все элементы, их у этой цифровой микросхемы четыре, имеют на входах высокие логические уровни, так что, не все я могу проверить с помощью генератора, даже переключив его в режим генерации прямоугольных импульсов. Вы, понимаете. Хотя есть, конечно, приемы, позволяющие проверить и работоспособность входов, которые получают от предыдущих элементов схемы сигнал в виде логического нуля. Есть специальный пробник, который очень коротким импульсом может изменить состояние и такого входа на состояние логической

единицы. Но собирать пробник мне хочется, хотя он совсем не сложен. Мне проще заменить микросхему, благо исправная такая же у меня есть. Но вернемся к сигналам.

Сигналы, которые я наблюдал на экране осциллографа, принесли мне информацию «о здоровье» микросхем. Радиосигнал, полученный приемником в вашем автомобиле, несет вам информацию о событиях в мире, развлекает вас музыкой и анекдотами, сообщает о пробках на дороге. Как выглядит радиосигнал? Здесь осциллограф мне пока не поможет, не разбирать же радиоприемник, да и тот у меня в часах-будильнике. Осциллограф не поможет, а программа Qucs поможет.

Рис. 3.3. Амплитудно-модулированный радиосигнал

В программе я выбрал на вкладке компонент в разделе источников Источник с АМмодуляцией V1, для которой мне понадобился второй источник Источник напряжения переменного тока V2. Первый я настроил на частоту несущей 1 МГц, второй на частоту 5 кГц. А что такое несущая?

Когда я говорил о синусоидальном переменном напряжении, то привел формулу y=A*Sin(x). Функция синуса, как мы знаем, периодическая и изменяется от 0 до 1 по закону синуса. Напряжения, как мы знаем, бывают разной величины. Чтобы отобразить это я добавил к функции синуса множитель А – постоянную величину, некоторое число: 2, 10, любое. Эта постоянная величина изменила амплитуду, то есть, теперь наш синус будет меняться от 0 до А. Когда я рассказывал об осциллографе, то говорил, что горизонтальная развертка, как бы моделирует время, задавая его течение по оси x. Периодическая функция синуса означает, что есть некоторое время, называемое периодом, через которое вид функции

будет повторяться. Чем меньше это время, тем чаще (с большей частотой) повторяется вид функции. На рисунке 3.3 несущая частота (что-то вроде грузчика), определяемая источником V1, меняется часто, с частотой 1 МГц. Если бы источник V2 был источником постоянного напряжения, то мы увидели бы просто синусоиду. Множитель «А» был бы именно постоянной. Но, представим себе, что множитель А – это тоже функция, для определенности тоже синусоидальная, которая меняется значительно медленнее, чем несущая частота. Другими словами, ее период много больше, или ее частота много меньше. Тогда амплитуда несущей в каждый момент времени была бы равна значению этой функции, и амплитуда медленно-медленно менялась бы, как мы видим на рисунке 3.3. Эта переменная амплитуда содержит тот полезный сигнал, который нас интересует, когда мы слушаем радио. А быстро меняющееся напряжение источника V1 несет этот полезный сигнал через реки и поля, города и страны. Потому и называется несущей частотой. На эту частоту настроен ваш приемник. Конечно, речь диктора, рассказывающего о новостях, выглядит иначе, чем напряжение от источника V2, но это уже не столь важно, тем более, что если диктор «присвистнет» от удивления, то сигнал будет почти таким же. И еще. Для формирования информации мы воспользовались воздействием на амплитуду, поэтому такой вид формирования информации (модуляции, воздействия на модуль) называется амплитудной модуляцией. Сегодня чаще, пожалуй, применяют другой вид модуляции – частотную модуляцию.

Рис. 3.4. Радиосигнал с частотной модуляцией

При таком способе модуляции частота несущей меняется в темпе информационного сигнала пропорционально его амплитуде. О преимуществах частотной модуляции и других видах мы поговорим, возможно, позже, как и о разных видах сигналов, применяемых в

электронике, а сейчас я хотел бы отметить, что многие генераторы испытательных сигналов производят синусоидальное переменное напряжение. Почему?

Видимо потому, что такой сигнал нельзя разложить на составляющие. Многие другие сигналы: прямоугольные, треугольные, пилообразные (как сигнал генератора развертки у осциллографа) можно представить как совокупность синусоидальных сигналов с разными частотами, амплитудами и фазами. В математике есть методы, разработанные математиком Фурье, которые позволяют разложить любую функцию в ряд Фурье, то есть, в совокупность других сигналов. Гармонический анализ Фурье (разложение на более простые функции) как раз использует функции синуса и косинуса в качестве «исходного материала». Поскольку я заговорил о пилообразном переменном напряжении, и поскольку я не привел ни одного рисунка «настоящего» осциллографа, я чувствую некоторую неловкость, и попробую загладить свою вину. Где-то в архиве, я думаю, у меня сохранилось что-нибудь подходящее.

Рис. 3.5. Вид переменного треугольного напряжения на экране осциллографа

Пилообразного напряжения не нашлось, но нашлось треугольное напряжение, каким его можно было бы увидеть на экране осциллографа фирмы Tektronix, если бы такой осциллограф был в вашем распоряжении. А картинка сделана в демонстрационной версии программы Multisim. Очень хорошая программа, но дорогая. Демонстрационная (вернее пробная) версия работает недолго, требует постоянной загрузки данных из Интернета при каждом включении, да и сама она достаточно «весомая». Но весьма наглядная. Осциллограф, изображенный на рисунке, программное творение, но позволяет нажимать все кнопки, вызывая те же эффекты, что у настоящего, позволяет крутить все ручки с настоящими эффектами, словом ведет себя, как настоящий. Если вам позволяют финансы обзавестись такой программой и таким осциллографом, они будут хорошими помощниками в вашей работе. Но, если этого не произойдет, скажу, знавал я тех, у кого все было, но не было ни умения, ни времени, а может воли, для того чтобы эти красивые вещи применить к своему удовольствию. Знавал я и тех, кто даже без приличного тестера с огромным удовольствием делал интереснейшие вещи на зависть окружающим. Думаю, желание и терпение важнее дорогостоящих приборов, а самодельные приборы не только многому вас научат, пока вы их делаете, но будут работать не хуже покупных. Здесь важно понять, что вы хотите от радиолюбительства, получить электронное устройство, или получить удовольствие от работы. Подумайте, прежде, чем начать что-то покупать.