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普通示波器8踪显示附加装置的制作

作者:dolphin时间:2016-09-27

  在测量单片机及一些复杂的数字电路时,一般的双踪示波器往往通道不够用。
  
  这里介绍一种简单的方法,只用两块普通的中小规模CMOS集成电路,8个电阻1个电容,制作的八踪显示附加装置,使一般单踪或双踪示波器可以同时观测八路周期信号。这个装置对分析时序,寻找故障很有用。八踪显示不同于逻辑分析仪,主要有以下两个方面优点:1.从X方向看八踪示波器显示的是实际波形,包括毛刺。逻辑分析仪显示的是伪波形,采样时间是离散的,非采样瞬间出现的毛刺是看不到的。2.从Y方向看示波器显示的是连续物理量——信号电平而逻辑分析仪只显示“0”或“1”状态。某些不高不低的坏信号,前者看得很清楚,后者由预设的阈值分解为高于阈值、低于阈值两种状态,看不到错误信号。
  
  一、工作原理
  
  从下图可以看出,八路信号经过8选1模拟开关轮流通到示波器。计数器000,信号0接通到输出,其他信号关断,计数001,信号l接通到输出……。图2中4051的A2~AO就是接计数器的。I/OO~I/07接8路信号,COM输出到Rl。我们在每路信号加一个直流偏移量,使扫描线不致重叠。如:信号0,直流偏移OV,信号1,直流偏移0.6V,信号2,直流偏移1.2V---…,信号7,直流偏移4.2V。

工作原理

  8条扫描线重复轮流显示,由于示波器的余辉时间加之人的视觉暂留效应,看上去示波器有8踪信号同时显示。因为每路信号只显示1/8,其余7/8是不显示的。我们前提是每个周期内信号是一样的,所以把第1周期的信号0,第2周期的信号1……第8周期的信号7放在一起比较。对于非周期性出现的干扰信号,显示器可能捕捉不到。严格说来,这种显示方式是“非实时显示”的。
  
  4051的公共端COM输出,信号幅度由Rl,R2*分压衰减约20dB,利用原来电路板5V电源供电,设CMOS电平0—5V,分压后变为0~0.5V,小于阶梯偏置幅度0.6V,所以各路信号不会交叠。下图中阶梯波由R-2R梯形网路产生,实际上是一个3位D/A转换器。
  
  从TP点往下看,等效阻抗R2*根据电阻串并联公式计算:
  
  R2*=R2//(R3+R4//(R5+R6//R7》=lOkΩ。分压计算结果实际衰减-20.8dB。
  
  信号0是一个特殊的信号,要选择~个周期只有一次变化的信号,信号0每变化一次,计数器加1,阶梯波上升一个台阶,变化8次,阶梯波归零,周而复始。
  
  为了提高信号0触发灵敏度,由R8,R9将电源和地之间电压分出2.38V,差不多比4024时钟启动点(一般在2.5V左右)低0.12V,通过Cl耦合,信号O从0向5V上跳变成一个窄脉冲,其后沿触发计数器,开始切换通道。而5V跳回OV的负脉冲一直小于2.5V而不触发。(见下图右下角的波形②)根据实际需要,可以调节R8,R9分压比高于2.5V,让信号O下跳沿变成一个负的窄脉冲触发,上跳沿不触发。
  
  4024虽然异步计数器,在Q2QIQO(见下图波形③④⑤)从011转换到100过程中,经历QO先变0,Ql后变O,Q2最后变1的过程,阶梯波有毛刺。(见下图波形⑥)这个毛刺在通道切换期间,正好是示波器回扫阶段,影响不明显。4051的第6脚S是禁止控制端,S高电平时,所有开关为关态。4051的第7脚VEE是模拟负电源端,如VEE接- 5V,可以扩大信号摆幅。通过模拟开关的模拟信号可以在+5v到- 5V之间,尽管控制信号AO一A3只是0—5V的数字信号。下图中4051的6,7,8脚全部接被测电路的电源为“负”。4051的16脚和4024的14脚接被测电路的电源为“正”,允许电压范围3—15V。
  
  信号0的信源同时接示波器的外同步输入,示波器设置为:单踪,CH1,输入,外同步,A扫描,自动扫描或常态扫描。

波形

  二、工作方式:有三种工作方式可以选择使用
  
  1.阶梯显示方式
  
  每个信号周期切换一路,8个信号周期为一个扫描周期。如上图所示。调节扫描速度正好含8信号周期稳定显示。这时X轴完成一次扫描,包含一个完整的阶梯波,8选l模拟开关正好完成8路轮换。在调试初期,检测阶梯波好不好,多路开关是否正常?用这种方式很有用。对于数字存储示波器来说,只能用这种方式才能存储全部8路信号,要仔细观测已存信号可以放大X轴一路一路看。
  
  2.多周期显示方式
  
  不放心是否看到整个周期内的状态。不要漏了某些部分。X轴最好含两个或更多重复周期。这时把下图中R6,R4,R2从QO~Q3改到Q2~Q5。显然,信号0过零4次切换通道1次。4个信号周期为切换周期,也等于一个扫描周期,拉宽扫描范围,在显示屏上留下约2个半周期。如中图所示。
  
  3.单周期显示方式  
  
  这是最主要的显示方式。用常态扫描,选择信号的触发电平,有触发才开始扫描。可以看一个整周期8路信号。为了观测局部细节,提高扫速,屏幕显示只是一个周期的开始扫描部分,一个周期的其他部分可以理解为延伸到屏幕外看不到。如下图所示。

  三、制作与调试
  
  上图是实物照片。
  
  8个通道通过排线接出,终端接逻辑夹。电源、地引线通过终端接红黑鳄鱼夹。电路焊接完后,按常规先做短断路试验:检查电源与地是否短路?红/黑线是否与14/7脚,16/8脚通?各输入端是否与电源或地短路?输出端是否与电源或地短路?然后红/黑线接5V外接电源,信号0接示波器的5V校准信号,双踪示波器CH1接信号0,CH2检查4024的QO~ Q2。将CH2改接TP1,CH2同步。其他7个信号接地。观测是否有8个阶梯。其中只有最下面的一个台阶含有前一半高后一半低的信号。如下图示。
  
  故障1:吃信号。双踪示波器CH1接SV校准信号,一旦与信号0连接,信号幅度严重变小。俗称“吃信号”。检查4051的16脚是否有VDD?没有VDD,消耗信号的高电平。同理,4051的7,8脚是否接地,没有接好地,信号的低电平会抬高。也可能电路板上有短路。再不行,更换电路4051。
  
  故障2:双路含同一信号。如图7虚线,2号周期多一个信号类似1号周期,检查4051的11脚AO是否与4024的12脚接通。同理,如3号周期多一个信号查Al,5号周期多信号查A2。
  
  故障3:少台阶。D/A没有QO出一组4台阶,每台阶宽2ms,没有Q2出两组4台阶,每台阶宽Ims,没有Ql出不规则的阶梯波。
  
  故障4:实际测量8踪数字信号时很乱,同步困难。
  
  先按图3所示实现8个阶梯显示方式,逐步提高扫描速度。可以看到4个阶梯,2个阶梯最后达到图5图形。
  
  故障5:测量8脚数字信号时严重变形,方波变圆角波。①误用示波器探头1:1,因为输入电容太大造成频率失真。②数字信号频率较高,Rl,R2*分压附加频率损失,可将图2所有电阻同比例减少5倍。



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