Электронные коммутаторы к осциллографу
В радиолюбительской практике часто необходимо наблюдать с помощью осциллографа два и более сигнала, в то время как имеющийся в распоряжении осциллограф одноканальный или в лучшем случае двухканальный. В этом случае поможет коммутатор входов.
Основные требования к коммутатору следующие:
достаточно высокое входное сопротивление (желательно не менее 100 кОм);
возможность регулирования уровня сигнала по каждому каналу в отдельности;
возможность смещения изображения сигналов по высоте как для их разноса, так и для наложения друг на друга;
регулировки по возможности должны минимально влиять друг на друга.
В основном используют следующие способы переключения каналов:
1. Частоту переключения каналов fп выбирают ниже или равной наименьшей частоте спектра исследуемых сигналов fс, но не ниже 50…100 Гц во избежание заметного мерцания. Синхронизацию развертки при этом осуществляют напряжением одного из исследуемых сигналов. Такой способ позволяет исследовать достаточно высокочастотные сигналы (десятки и даже сотни мегагерц).
2. Частоту переключения каналов выбирают в пределах fп (10…50)fc, причем верхняя частота ограничивается временем переключения. Этот способ применим для исследования низкочастотных сигналов. Частота переключения при этом редко превышает 100 кГц.
В первом случае в качестве управляющего сигнала удобно использовать пилообразное напряжение развертки самого осциллографа (нарастающая или спадающая пила), при этом переключение каналов коммутатора происходит в момент обратного хода луча. В качестве устройств управления двумя коммутирующими элементами можно использовать синхронизируемый мультивибратор на транзисторах или обычный D-триггер. В случае, если каналов более двух, используют счетчики с дешифратором, например, К561ИЕ8, К561ИЕ9, К155ИД3 и др. Во втором случае в качестве управляющего сигнала используют импульсный сигнал генератора или мультивибратора.
В качестве электронных ключей широко применяются диоды, транзисторы (как биполярные, так и полевые), а также готовые коммутаторы напряжения в микросхемном исполнении. При этом электронные ключи могут включаться в трактах как последовательно, так и параллельно. При последовательном включении на электронных транзисторных ключах происходит ничтожное падение напряжения, поэтому ослабления исследуемых сигналов практически не происходит. При параллельном включении неизбежны потери исследуемых сигналов на входных и суммирующих резисторах, а в диодных коммутаторах еще и на цепях управления.
Диодные коммутаторы
Достоинства диодных переключателей следующие:
- простота;
- малый ток в разомкнутом состоянии;
- хорошие динамические характеристики.
Недостатком диодных коммутаторов является невозможность электрически разделить управляющие и управляемые цепи, что часто требуется на практике.
Рис.1. Упрощенный вариант двухканального диодного коммутатора
Упрощенный вариант двухканального диодного коммутатора показан на рис.1. В качестве коммутирующих диодов можно использовать любые маломощные высокочастотные диоды, например Д311, КД503А(Б), КД510А, КД521, КД522 и другие, а также p-i-n-диоды. Чем выше частота коммутации, тем меньше должны быть номиналы резисторов R1, R2 и резисторов в цепях управления. Управляющее напряжение должно быть двухполярным. Источником такого напряжения может быть симметричный мультивибратор, генератор, выполненный на логических МОПэлементах с D-триггером на выходе, либо Dтриггер, управляемый сигналом развертки осциллографа. Возможный вариант комбинированной схемы управления будет рассмотрен в конце статьи.
К недостаткам данного коммутатора можно отнести некоторую взаимную зависимость регулировок, так как сопротивления регуляторов смещения R3, R8 входят в делители, образованные выходными сопротивлениями аттенюаторов, элементами смещения и нагрузкой.
Рис.2. Простой двухканальный диодный коммутатор с фиксированным смещением между сигналами
На рис.2 показан простой двухканальный диодный коммутатор с фиксированным смещением между сигналами, определяемыми базоэмиттерным смещением буферных транзисторов VT1, VT2 (около 1,2 В) и падением напряжения на базовых резисторах R3, R4. С одной стороны, отсутствие регулировок смещения не позволяет осуществлять наложение осциллограмм сигналов друг на друга, а с другой – исключает влияние этих регулировок на уровни сигналов и упрощает конструкцию коммутатора в целом. Управление ключами аналогично предыдущему случаю. В качестве транзисторов можно использовать любые маломощные транзисторы. Чем более высокочастотные сигналы должны исследоваться, тем более высокочастотные должны быть транзисторы и диоды.
Транзисторные коммутаторы
В отличие от диодных коммутаторов транзисторные коммутаторы позволяют разделить управляющие и управляемые цепи. Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется барьерными емкостями p-n-переходов и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе. Для повышения быстродействия и входного сопротивления применяют ключи на полевых транзисторах. Транзисторы используются в двух режимах: в режиме насыщения и в режиме отсечки. В режиме насыщения биполярный транзистор представляет собой короткозамкнутый переключатель с падением напряжения на переходе коллекторэмиттер не более 10…25 мВ в нормальном включении и не более 1…3 мВ в инверсном. Для уменьшения вносимых ключами шумов следует использовать малошумящие транзисторы, а также управлять ими от источников с низкими выходными сопротивлениями.
Рис.3. Простейший вариант двухканального транзисторного коммутатора с параллельным включением ключей и фиксированным смещением между сигналами
Простейший вариант двухканального транзисторного коммутатора с параллельным включением ключей и фиксированным смещением между сигналами показан на рис.3. Для управления ключами, как и в предыдущих случаях, необходим двухполярный импульсный сигнал от ТТЛ-логики с питанием +3 В и 2 В. Управление может быть и от ТТЛ-логики с однополярным питанием. В этом случае между базами транзисторов VT1, VT2 и минусовым источником питания необходимо включить резистор 3,9 кОм. Схема смещения собрана на резисторах R9, R10, а рис.5 также на генераторах тока, выполненных на транзисторах VT3, VT4. Токозадающий резистор R12 определяет максимальное смещение между сигналами. Резистор R13 позволяет регулировать расстояние между изображениями сигналов вплоть до их наложения друг на друга. Использование генераторов тока свело к минимуму влияние регулировки смещения на коэффициент передачи сигналов, который равен приблизительно 0,5.
Рис.4. Двухканальный коммутатор с последовательным включением ключей
Возможный вариант двухканального коммутатора с последовательным включением ключей показан на рис.4. В качестве переключателей применены компенсированные транзисторные ключи (прерыватели) на биполярных транзисторах. Благодаря гальванической развязке сигналов управления базовые управляющие токи не протекают через сигнальные цепи. Резистор R11 является нагрузочным и служит для обеспечения четкой работы ключей. Коммутирующий трансформатор выполнен на кольце М2000НМ К10х6х4. При частоте коммутации 100 кГц и управлении от ТТЛ-логики все три обмотки наматывают одновременно (содержат по 50 витков провода ПЭВ-2 0,12). В качестве трансформатора можно использовать и готовые импульсные трансформаторы типа МИТ. К недостаткам данного коммутатора следует отнести некоторое влияние регулировок смещения на коэффициенты передачи каналов.
Рис.5. Простой 6-канальный коммутатор
Часто, даже имея двухлучевой осциллограф, возникает необходимость одновременного наблюдения нескольких сигналов. Возможный вариант простого 6-канального коммутатора (количество каналов может быть увеличено до необходимого) показан на рис.5. При управлении от сигнала развертки коммутатор позволяет исследовать сигналы частотой от 200…300 Гц до сотен килогерц. Если необходимо повысить рабочую частоту коммутатора до 1 МГц и выше, следует уменьшить номиналы резисторов R2–R7, R8–R13 и R22 примерно на порядок.
В качестве электронных ключей применены полевые транзисторы типа КП103Л(Г, М, Д). Можно также использовать транзисторные сборки типа 504НТ3(4)Б. Для формирования управляющих сигналов из сигнала развертки осциллографа применена микросхема К561ИЕ8. Выходной сигнал развертки осциллографа может быть в виде нарастающей либо спадающей пилы. На схеме показана дифференцирующая цепочка для спадающей пилы, которая имеет крутой передний фронт. В случае, если в вашем осциллографе нарастающая пила, необходимо использовать инверсный вход счетчика (вывод 13), подключив резистор R1 и вывод 14 к шине питания.
Сигналы всех каналов суммируются сумматором на операционном усилителе DA1. Для получения открывающих сигналов в виде лог.”0” в данный момент только для одного канала применена микросхема DD2 типа К561ЛН2. Смещение между сигналами фиксированное (около 0,8…1 В на выходе), обеспечивается подачей напряжения с помощью резисторов R14–R19 на прямой вход ОУ. Для получения отрицательного смещения использована отрицательная подставка на диодах VD9, VD10. Диоды VD3–VD8 уменьшают взаимное влияние цепей смещения. В качестве операционного усилителя применен быстродействующий усилитель типа К544УД2. Напряжение питания цифровых микросхем +10 В, а операционного усилителя может быть в пределах 6…15 В.
Рис.6. Вариант двухканального коммутатора с комбинированным управлением
Вариант двухканального коммутатора с комбинированным управлением (от встроенного генератора и от сигнала развертки осциллографа) показан на рис.6. Задающий генератор выполнен на элементах DD1.1, DD1.2 микросхемы типа К561ЛА7. Частота генерации около 200 кГц. С выхода генератора сигнал поступает на Dтриггер, выполненный на одной половине микросхемы К561ТМ2. С выхода триггера парафазные сигналы поступают на управление электронными ключами на микросхеме К561КТ3. Для сведения к минимуму взаимного влияния регулировок смещения, связанного с перезарядом разделительных конденсаторов С4, С5, применены буферные эмиттерные повторители на VT2, VT4. Для минимизации искажений, вносимых повторителями, в качестве их нагрузки использованы отражатели тока на транзисторах VT3, VT5. Диоды VD2–VD5 служат для защиты входов электронного коммутатора от перенапряжения. Питание микросхем двухполярное 5…7,5 В.
Рис.7. Формирователь управляющего сигнала
В некоторых осциллографах, например С165, сигнал развертки имеет форму спадающей пилы на положительной подставке. Амплитуды фронта этого сигнала недостаточно для переключения счетчика (D-триггера) через дифференцирующую цепочку. В этом случае формирователь управляющего сигнала необходимо выполнить по схеме рис.7. Входной делитель R2R3 необходим для создания начального запирающего напряжения для транзистора VT2.
Конструкция и детали
Рис.8. Чертеж печатной платы коммутатора
Рис.9. Сборочный чертеж
Чертеж печатной платы коммутатора (рис.6) размерами 100х70 мм с проводниками на просвет показан на рис.8, сборочный чертеж – на рис.9. Все постоянные резисторы типа С2-230,125 Вт, переменные – типа СП3-33-32П. Переключатель S1 типа ПКн-61Н2-1-1-4. Транзистор VT1 типа КТ3107Б, транзисторы VT2–VT6 типа КТ315Б. Для крепления переменных резисторов на плате использован небольшой уголок. Конденсаторы С6, С7 типа К50-35 на напряжение 16 В.
А.А. Петров, г. Могилев
Радіоаматор 2005 №07
