DIY набор-конструктор для сборки осциллографа DSO062 с функциями частотомера и БПФ (анализатор спектра)

Здравствуйте. Предлагаю обзор конструктора для самостоятельной сборки осциллографа-частотомера начального уровня DSO062 с алгоритмом БПФ (Быстрого преобразования Фурье).
Быстрое преобразование Фурье (FFT) — это математическая функция, позволяющая получить из временной зависимости сигнала его частотные компоненты, т.е. проводить спектральный анализ сигналов.
Конструктор достаточно прост, поэтому его можно рекомендовать самым начинающим радиолюбителям.
В обзоре постараюсь подробно описать все этапы сборки и проиллюстрировать их фотографиями.
Эх, если бы мне такой конструктор в детстве достался, когда я ходил в радиокужок, я был бы счастлив…

Для начала заглянем в Википедию:

Осцилло́граф (лат. oscillo — качаюсь + греч. γραφω — пишу) — прибор, предназначенный для исследования (наблюдения, записи, измерения) амплитудных и временны́х параметров электрического сигнала, подаваемого на его вход, либо непосредственно на экране, либо записываемого на фотоленте.

Изначально осциллографы были механическими, потом электронно-лучевыми, а теперь стали цифровыми.
Осциллограф для радиолюбителя, это как тестер для электрика, это как бинокль для военного, это как микроскоп для биолога… Эту цепочку можно продолжать до бесконечности. Поэтому пора переходить к обзору.

Характеристики:

Характеристики, конечно, весьма скромные, говорящие о том, что этот прибор не может являться измерительным инструментом, а только лишь демонстрационным прибором для знакомства и получения начальных навыков. Однако этот прибор может похвастаться функцией частотомера и спектроанализатора. Ещё можно отметить возможность сохранения «снимков экрана» в память с возможностью передачи их на компьютер.

Упаковка и комплектация:

Упаковка самая бюджетная — полиэтиленовый пакет. Как видно из фото, бо́льшая часть элементов уже смонтирована на печатной плате, осталось припаять: 1 диод, 6 конденсаторов, 1 индуктивность, 1 стабилизатор, 2 разъёма, 9 кнопок, 1 ЖК индикатор. Также в комплекте радиатор, стоечки, винтики и кабель.
В комплекте 3 куска стеклотекстолита, 2 из которых это передняя и задняя панели, а вот средняя — печатная плата с элементами:Как я уже писал выше, на печатной плате уже смонтированы SMD элементы (элементы поверхностного монтажа). Печатная плата имеет защитную лаковую маску зелёного цвета (т.н. «зелёнку») и маркировку шелкографией. Плата плохо отмыта, т.к. если присмотреться, видны мелкие «шарики» припоя:В комплекте есть ещё одна печатная плата в составе ЖК индикатора:

Для начала необходимо по этой ссылке «скачать» архив с документацией и руководством по монтажу. Документы все на английском языке.
Рассмотрим схему прибора поблочно.

Стабилизатор +5 вольт:

Преобразователь собран на микросхеме линейного стабилизатора напряжения 7805. По паспорту на вход этого стабилизатора и можно подавать до 30 вольт, но делать этого нельзя, т.к. в схеме используется не только выходное напряжение +5 Вольт, но и входное VRAV+ из которого позднее делается негативное напряжение для питания операционных усилителей. На выходе стабилизатора стоит разомкнутая с завода перемычка JP1 которую нужно будет замкнуть после того, как будут спаяны все необходимые элементы и напряжение на выходе будет равно 5 Вольт. Т.е. это такая «защита от дурака».

Источник двуполярного питания:

Для питания операционных усилителей, установленных во входной аналоговой части необходимо двуполярное питание, т.е. "+" и "-" относительно ноля источника питания. В качестве источника положительной полярности используется входное напряжение +9 Вольт, которое фильтруется от помех индуктивностью L3 и конденсатором С18.
Для получения отрицательного напряжения используется ЭДС самоиндукции индуктивности L2, которая выпрямляется диодом D7 и сглаживается фильтром C14-L1-C15.

Входная аналоговая часть:

Аналоговая входная часть собрана на операционных усилителях TL084 и NE5532. В этой части также установлены переключатели для выбора диапазона входных значений.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП):

Сигнал с выхода аналоговой части подаётся на 8-ми битный параллельный АЦП TLC5510. С помощью этого АЦП аналоговый сигнал преобразуется в цифровой с дискретностью 8 бит, т.е. 256 значений

Микроконтроллер:

«Мозгом» данного осциллографа является AVR-микроконтроллер ATMEGA64, который получает цифровое значение входного сигнала, осуществляет необходимые математические преобразования и выдаёт данные на ЖК экран. Параллельно со своей основной задачей этот микроконтроллер выдаёт тестовый сигнал 500 Гц, а также импульсы VGEN для источника отрицательной полярности.

ЖК дисплей:

Для вывода изображения используется ЖК дисплей TG12864D, представляющий из себя монохромную матрицу 128х64 точки. Интерфейс с микроконтроллером — параллельный 8-ми битный. С помощью переменного резистора POT1 производится регулировка контрастности изображения.

Сборка:

Ознакомившись с основными узлами пора переходить к сборке.
Для начала предлагается проверить полярность запаянных диодов D7 и D1:Проверяем:Диоды запаяны верно.

Далее по шагам как в инструкции:

Шаг 1: Установка диода D3

Диод в комплекте всего 1, перепутать сложно. Серая полоса это «катод», т.е. "-". Устанавливаем и паяем как нарисовано на плате.

Шаг 2: Установка электролитических конденсаторов

Конденсаторов в комплекте 6 штук: 1 на 470 мкФ (побольше) и 5 на 100 мкФ (поменьше). Перепутать тоже сложно. У конденсаторов промаркирован на корпусе отрицательный контакт "-". Паяем как указано на плате.

Шаг 3: Установка индуктивности L2

Индуктивность только одна, полярности у нее нет, поэтому паяем как получится.

Шаг 4: Установка разъёма J4

Данный 2 рядный 10 контактный разъём служит для программирования микроконтроллера, который уже запрограммирован, поэтому если не предполагается производить его перепрограммирование, то и разъём паять не обязательно.

Шаги 5 и 6: Установка разъёмов J5 и J6 (или J1)

J5 это разъём питания. J6 (или J1, какой в комплекте) это разъём входного сигнала. Паяются в свои места. В связи с тем, что у разъёмов толстые выводы, паять нужно аккуратно, чтобы не перегреть их корпуса.

Шаг 7: Установка тестового сигнального «терминала» J8

Здесь предлагается сделать петельку из откушенного вывода диода или конденсатора и запаять таким образом (к этой петельке позднее нужно будет подключаться входным «крокодилом» для проверки работоспособности):

Шаг 8: Установка стабилизатора с радиатором

Сначала необходимо отформовать выводы микросхемы стабилизатора 7805, прикрутить его к радиатору и корпусу, и только потом паять.

Шаг 9: Проверка напряжения питания 5 Вольт

Сейчас необходимо на разъём питания подать 9-12 вольт постоянного тока, согласно полярности и измерить напряжение на контрольной точке TP5. Напряжение должно соответствовать 5 вольтам.Если всё в порядке, то можно переходить к следующему шагу, а если нет, то необходимо перепроверить установку элементов (диод, стабилизатор).

Шаг 10: Установка перемычки JP1.

Перемычка JP1 это «защита от дурака». Сделано это для того, чтобы не «спалить» все остальные элементы при неправильном монтаже. Но раз мы дошли до этого шага, значит смонтировано всё верно и перемычку можно устанавливать. Делается она тоже из обрезка вывода. Т.к. дальше следует паять кнопки и переключатели, то предварительно я рекомендую отмыть плату от флюса. Позднее это нужно будет делать гораздо аккуратнее, чтобы не намочить элементы управления. Отмывать можно спиртом или спиртобензиновой смесью. Я мою изопропиловым спиртом.

Шаги 11 и 12: Установка кнопок и переключателей

В руководстве рекомендуется запаять кнопки сначала только по диагонали, т.е. не по 4 а по 2 ножки в каждой, потом примерить лицевую панель и отрегулировать глубину установки кнопок, чтобы они хорошо нажимались. Реально получилось так, что из-за чрезмерной длины кнопок, усадив их максимально глубоко, всё равно пришлось подкладывать под стойки шайбы, чтобы немного приподнять переднюю панель. Т.е. паяем все кнопки максимально близко к плате.

Шаг 13: Установка ЖК-индикатора

Для начала нужно напаять на плату ЖК индикатора однорядную 20-ти пиновую линейку. Но нужно не перепутать и запаять там, где отверстия подписаны. С другой стороны запаять 2 двухпиновых кусочка:Паять нужно так, чтобы пины были перпендикулярно плате. После этого попробовать посадить плату ЖК дисплея на основную и убедиться, что выводы запаянных элементов не достают до платы дисплея. Если всё в порядке, пропаять обратные стороны пинов со стороны основной платы.И теперь самое время убрать остатки флюса, но уже более аккуратно. Я для этого использую ватные палочки смоченные в изопропиловом спирте.

Первое включение:

Осциллограф спаян, отмыт от остатков флюса, произведён тщательный осмотр всех контактов на предмет «непропая» или «соплей», и если всё в порядке, подаём питание:Экран засветился и даже что-то показывает. На самом деле сначала у меня изображения не было никакого. Экран светился зелёным цветом и всё. Но после регулировки контрастности переменным резистором POT1 всё стало на место.
Следующий этап сборка и тестирование.

Сборка:

В сборке нет ничего сложного. В комплекте присутствуют 8 стоек (4 коротких и 4 длинных). В углах всех плат предусмотрены отверстия для стоек. Короткие устанавливаются со стороны ЖК экрана и кнопок, т.е. с передней, а длинные с задней. Передняя и задняя панели к стойкам крепятся 8-ю винтиками, которые также находятся в комплекте. Перед установкой передней панели, на кнопки необходимо надеть колпачки. Чтобы кнопки нормально нажимались мне пришлось подложить по одной шайбе между каждой стойкой и передней панелью. Вот что получилось:

Питание:

В качестве источника питания производитель предлагает использовать любой источник с напряжением до 12 вольт постоянного или переменного тока. Дело в том, что на входе стоит диод, который защищает прибор от переполюсовки, а также играет роль однополупериудного выпрямителя. Ток потребления заявлен как "<200 мА". Проверим:Да, ток потребления составил 113 мА. В связи с тем, что используется линейный стабилизатор напряжения, ток не будет существенно меняться при изменении питающего напряжения. Т.е. что при 9 вольтах, что при 12 ток практически одинаков. Только во втором случае радиатор стабилизатора нагревается сильнее.
Для подключения питания необходимо отдельно приобрести вот такой разъём:Сто́ит 15 рублей.
Либо использовать источник питания уже с необходимым разъёмом ("+" должен быть внутри, "-" снаружи). У меня оказался в наличии такой источник:

Органы управления:

«Пройдёмся» по органам управления. В наличии 3 переключателя и 9 кнопок. Начнём с переключателей:
AC/DC/Freq — переключатель типа входа. «АС» — измерение переменного тока, происходит «отсекание» постоянной составляющей. «DC» — измерение постоянного тока с учетом постоянной составляющей сигнала. «Freq» — режим измерения частоты (частотомер).
GND/1V/0.1V и «x5/x2/x1» — эти 2 переключателя регулируют чувствительность, т.е. величину по оси «Y». Первым переключателем выбирается базовая величина, а вторым множитель. Результат получается перемножением выбранных величин. Например первый переключатель установлен в «0.1V», а второй в «х2», результат в этом случае получится: 0.2 вольта на клетку.
Теперь кнопки:
SEC/DIV — Изменение «частоты развёртки», т.е. времени по оси «Х». При нажатии на кнопку подсвечивается соответствующий значок на экране и дальше можно производить изменение величины «времени на клетку» кнопками [+] и [-].
V.POS — Выбор изменения вертикальной позиции. При нажатии на кнопку подсвечивается соответствующий значок на экране и дальше можно производить сдвиг по вертикали кнопками [+] и [-].
H.POS — Выбор изменения горизонтальной позиции. При нажатии на кнопку подсвечивается соответствующий значок на экране и дальше можно производить сдвиг по вертикали кнопками [+] и [-].
MODE — Выбор режима синхронизации. При нажатии на кнопку подсвечивается соответствующий значок на экране и дальше можно производить изменение режима синхронизации кнопками [+] и [-].
SLOPE — Изменение полярности синхронизации. При нажатии на кнопку подсвечивается соответствующий значок на экране и дальше можно производить изменение полярности синхронизации кнопками [+] и [-].
LEVEL — Выбор уровня синхронизации. При нажатии на кнопку подсвечивается соответствующий значок на экране и дальше можно производить изменение уровня синхронизации кнопками [+] и [-]. При последующих нажатиях на LEVEL производится выбор «внутренней» или «внешней» синхронизации, а также включение или выключение выхода синхронизации.
OK — «Замораживание» экрана. Т.е. при нажатии на кнопку появляется надпись «HOLD» и изображение перестаёт меняться. Повторное нажатие возвращает в обычный режим.

Тестирование:

Для начала подключим вход осциллографа к выходу тестового сигнала J8. Там должен быть меандр с частотой 500 Гц и амплитудой 5 Вольт. Смотрим:Выбраны режимы «1 вольт на клетку» и «0,5 мсек на клетку». Амплитуда около 5 клеток, т.е. 5 вольт, период 4 клетки, т.е. 2 мсек. Переводим период в частоту f=1/T=1/0,002=500 Гц. Всё верно. Параллельно я подключил мультиметр в режиме измерения частоты. Показания также совпали.
Идём дальше, генератора сигналов у меня нет, поэтому будем обходиться подручными средствами. Посмотрим частоту и форму сигнала с выхода обычного сетевого трансформатора:Синусоида с частотой 50 Гц.
Далее я собрал простейший генератор на микросхеме таймера LM555. К выходу получившегося генератора подключим исследуемый осциллограф и ISDS205C. Дальше поэкспериментируем с формой сигнала, для чего на выход подключим R-C цепочку 2кОм-5нФ:Увеличим ёмкость до 1 мкФ, но и снизим частоту:Формы сигналов похожи, частоты тоже.

Режим БПФ (FFT):

БПФ или по английски FFT это Быстрое преобразование Фурье. Не вдаваясь в подробности эта функция даёт пользователю возможность с помощью осциллографа проводить анализа сигнала не только во временной, но и в частотной области. Этот алгоритм особенно полезен когда нужно провести спектральный анализ, но специализированных приборов типа анализаторов спектра нет. При этом надо четко представлять, что осциллограф это прежде всего, осциллограф, а не средство измерения частотного спектра, хотя у него и есть такая возможность. Поэтому метрологические характеристики осциллографов в режиме БПФ не нормируются.
В режим БПФ и обратно осциллограф переключается длительным нажатием (3 секунды) на кнопку MODE. Кнопкой HPOS можно выбирать количество точек для БПФ: 256 или 512. Кнопками [+] [-] можно менять частоту дискретизации.
Для тестирования этого режима подключим вход осциллографа к выходу внутреннего тестового генератора:Частота генератора равна 500 Гц, можно видеть максимальный уровень сигнала именно на этой частоте, и дальше наблюдать затухающие гармоники на частотах 1500 Гц, 2500 Гц, 3500 Гц и т.д.

Сохранение снимка экрана:

Сделать снимок экрана и сохранить можно либо во внутреннюю энергонезависимую память (до 6 снимков), либо передать в виде BMP файла на компьютер. Сделать это можно следующим образом:

Сохранение во внутреннюю память:
1) «Заморозить» экран кнопкой [OK] (состояние HOLD).
2) Нажать [VPOS] и используя [+] или [-] выбрать 1 из 6 ячеек памяти.
3) Нажать [OK] для записи «замороженного» экрана в выбранную ячейку.

Просмотр сохранённых экранов:
1) Войти в режим HOLD нажатием кнопки [OK].
2) Нажать [SLOPE] и используя [+] или [-] выбрать 1 из 6 ячеек памяти.
3) Нажать [OK] для вывода на экран изображения из выбранной ячейки.

Передача снимка экрана на компьютер.
Для начала необходимо осциллограф подключить к компьютеру через последовательный порт. Я для этого использовал преобразователь USB-COM c TTL уровнями подключив его к разъёму J5:Далее на компьютере необходимо запустить программу, которая поддерживает приём данных по протоколу Xmodem. На WinXP это HyperTerminal. На Win7 и старше HyperTerminal-а нет. Чем пользоваться — затрудняюсь ответить. Мне повезло, что как раз в наличии был старый ноутбук с WinXP. При приёме данных необходимо выбрать следующие параметры порта: 38400bps, 8 data bits, 1 stop bit, no parity, no flow control.
Выбрать имя файла с расширением BMP и нажать «ожидание приёма».
В это время осциллограф перевести в состояние HOLD кнопкой [OK], нажать [LEVEL] и далее [OK]. В это время должна начаться передача файла. Вот что у меня получилось:

Итоги:

Ну что же, пора заканчивать и подводить итоги.

+ Простота сборки, доступно даже самым начинающим радиолюбителям;
+ Прибор «3 в 1»: осциллограф, частотомер, анализатор спектра;
+ Возможность сохранения «скринов» в память и на компьютер;
+ Качество изготовления;
+ Подробное описание процесса сборки и поиска неисправностей.

— Низкое разрешение ЖК дисплея и его монохромность;
— Скромные характеристики (частота дискретизации всего 2 МГц, чтобы исследовать форму сигнала нужно хотя бы 10 точек на период, следовательно максимальная частота входного сигнала находится в районе 200 кГц).

Как я писал в начале обзора: «Эх, если бы мне такой конструктор в детстве достался, когда я ходил в радиокужок, я был бы счастлив...», и это правда. Конструктор очень хорош для получения начальных навыков работы с осциллографом, частотомером, анализатором спектра. С помощью этого прибора можно производить наладку простейших электронных схем, не смотря на то, что это игрушка в бо́льшей степени, чем измерительный прибор. Зачем я его заказал? Да просто стало интересно. Решил показать и рассказать что это и «как его едят».
Надеюсь обзор будет полезен. Если я увижу, что подобные обзоры представляют интерес для читателей, то буду и дальше заказывать разные конструкторы.

Удачи!!!