Осциллограф — один из самых мощных инструментов для начинающих изобретателей, инженеров и любителей электротехники. Если вы занимаетесь поиском и устранением неисправностей в созданных вами схемах, он просто необходим. Но как именно с помощью осциллографа устранять неисправности в электронике?
Для чего нужны осциллографы и сколько нужно потратить?
У вас есть электрическое устройство, которое не работает. Это может быть неисправный ноутбук, синтезатор, купленный на местном блошином рынке, или DIY-макет. Поскольку вы не можете увидеть электричество, для того чтобы понять, что именно не работает, вам понадобятся дедуктивные рассуждения и соответствующие инструменты. Одним из самых необходимых инструментов является осциллограф.
Осциллограф — это прибор для анализа электрических сигналов. Это слово может вызвать образ большого белого блока, стоящего на лабораторном столе, но на самом деле осциллографы бывают разных видов. За высококлассный осциллограф можно заплатить тысячи долларов. Любители, студенты и начинающие предприниматели могут получить весьма приличные результаты за несколько сотен долларов, особенно если они готовы приобрести подержанный прибор.
Впрочем, можно начать и с малого. Мы остановились на популярной модели DSO 138 от компании JYE Tech. Этот осциллограф подвергся многочисленным клонированиям и был заменен моделью DSO 138mini, но он по-прежнему остается одним из лучших вариантов осциллографа для начинающих и тех, кто ищет портативный вариант.
DSO 138 рассчитан на измерение напряжения до 50 вольт. Хотя некоторые осциллографы могут работать и с большим напряжением, каждый осциллограф имеет свои пределы. Превышение этих пределов чревато выходом прибора из строя. Но не все потеряно, поскольку можно защитить осциллограф с помощью ослабляющего пробника. Пробник x10 снизит входящее напряжение на 90%, что позволит нам работать с сигналами более высокого напряжения.
Естественно, при работе с высокими напряжениями необходимо принять все возможные меры предосторожности. Поэтому ограничимся только низковольтными сигналами.
Начало работы
В комплект поставки DSO 138 входит пара зажимов типа «крокодил». Если вы хотите быть точным в своих измерениях, то, вероятно, стоит приобрести настоящий пробник — достаточно острый, чтобы попасть в одну точку на печатной плате. Это снизит риск случайного образования короткого замыкания.
Если вы исследуете аудиосигналы, то вам может понадобиться переходник для преобразования кабеля TS (или TRS) в гнездо BNC (или SMA) вашего оптического прицела. Для простоты мы будем использовать зажимы типа «крокодил».
Калибровка осциллографа и установка порога
Получение полезных результатов от осциллографа предполагает его калибровку. Этот процесс позволяет компенсировать сопротивление и емкость щупов. Это особенно важно при значительных изменениях температуры.
Подключите пробник к опорному сигналу, который часто находится на передней панели. В случае DSO 138 он находится в верхней части. Пробники поставляются с регулируемым конденсатором, который необходимо настроить так, чтобы тестовая волна имела идеальный квадрат. Часто их можно настроить с помощью небольшой отвертки. В DSO 138 регуляторы настройки расположены на самой печатной плате.
Если вы хотите видеть форму волны, то вам необходимо, чтобы дисплей обновлялся каждый раз, когда нарастающий фронт проходит определенный порог. Установите его где-то посередине между верхним и нижним пиковыми напряжениями. Мы установили обновление дисплея при обнаружении нарастающего фронта импульса. Таким образом, мы устранили неоднозначность и получили четкое, стабильное изображение формы сигнала.
Как исследовать сигналы с помощью осциллографа
Рассмотрим некоторые сигналы. Наиболее простым и быстрым способом является использование телефона и кабеля mini jack-to-jack. Прикрепите зажимы типа «крокодил» к другому концу штекера. Большая полоска внизу — это земля, а две другие — левая и правая. Поэтому можно прикрепить зажимы следующим образом:
Теперь нам нужна форма сигнала. На YouTube полно подходящих тестовых роликов. Выбираем один, проигрываем его и наблюдаем за индикацией. Здесь мы видим синусоиду.
Возможно, вам придется немного подвигать элементы, чтобы добиться центрирования формы волны. Ознакомьтесь с элементами управления, поиграв с ними. Увеличьте масштаб осциллограммы, измените уровень триггера и отрегулируйте время. Ничто не заменит практической работы!
Практическое устранение неисправностей с помощью осциллографа
Итак, теперь, когда вы освоились с осциллографом, пришло время заняться поиском и устранением неисправностей.
Ранее мы уже рассматривали создание ШИМ-сигнала с помощью Raspberry Pi, и это хорошее начало. Давайте посмотрим, что на самом деле выдает RPi.
Подключите зажим заземления к земле и прощупайте то место, где ожидается появление сигнала. В данном случае это вывод PWM. Теперь мы можем запустить код. На экране монитора должен появиться сигнал ШИМ. Мы можем измерить рабочий цикл и убедиться, что он соответствует нашим ожиданиям. Программная ШИМ не отличается особой стабильностью, особенно если устройство одновременно выполняет другие задачи. В данном случае мы используем аппаратную ШИМ, которая дает стабильные и четкие результаты:
Конечно, это не означает, что аппаратная ШИМ является необходимостью. Часто можно улучшить результаты, просто уменьшив нагрузку на устройство, на котором выполняется программа. Если вы не видите никакой формы волны, это может означать, что рабочий цикл установлен на 0% или 100%. Проверьте эту возможность, прежде чем двигаться дальше!
Современные схемы часто используют не периодические, а разовые сигналы. Устройство посылает команду другому устройству, но не повторяет ее. Перемещая мышь, вы посылаете компьютеру серию команд, показывающих, на сколько вы переместили мышь.
Чтобы зафиксировать эти сигналы, нам потребуется использовать однократную функциональность нашего оптического прицела. В этом случае при прохождении порогового уровня форма сигнала будет приостанавливаться. Таким образом, мы сможем увидеть, в какой именно форме находятся эти биты и будут ли они понятны принимающему устройству.
В данном случае мы сэмплировали входящий MIDI-сигнал с барабанного контроллера AKAI:
В данном примере MIDI-устройства способны воспринимать даже шумные сигналы. Но поскольку кабели здесь несимметричные, то при превышении определенной длины могут возникнуть проблемы. Так, например, если протянуть кабель через все здание, то возникнут проблемы. Или сам кабель может оказаться неисправным после того, как на него слишком часто наезжали офисным креслом.
Здесь на помощь приходит дедуктивный поиск неисправностей! Для поиска неисправности сначала проверьте другой кабель, а затем другое MIDI-устройство.
Одно из ограничений DSO 138 заключается в том, что он имеет только один вход.
Более совершенные осциллографы позволяют исследовать два сигнала одновременно. Так, можно наложить данные, передаваемые по интерфейсу SPI (или I2C), на соответствующий тактовый сигнал. При этом может быть обнаружено рассогласование или искажение этих двух сигналов. Это приведет к появлению искаженных данных. Всплески, шум, закругленные края — все это может вызвать проблемы.
Во многих случаях эти проблемы могут быть устранены добавлением подтягивающего (или подтягивающего) резистора здесь или там. Также может потребоваться конденсатор или два конденсатора для сглаживания напряжений питания. Также может потребоваться корректировка кода для компенсации временных проблем.
Каким бы ни было решение, вы не сможете приступить к работе до тех пор, пока не посмотрите на две осциллограммы рядом — идеально подходящие для вашего осциллографа.
Осциллографы отлично подходят для диагностики электрических неисправностей
Приступая к созданию, модификации или ремонту сложных схем, вы неизбежно столкнетесь с проблемами, которые можно диагностировать только с помощью осциллографа. Получив четкое представление о форме сигналов, вы сможете гораздо эффективнее устранять неисправности.
