LPT osciloskop
 
1. Úvod
K sestrojení konstrukce jednoduchého jednokanálového osciloskopu mě inspiroval LPTScope od Bojana Banka. Původní konstrukce hardware sice obsahuje pouze A/D převodník bez vstupních obvodů, ale má na solidní úrovni navržen software, což bývá většinou slabina obdobných konstrukcí.
Protože jsem potřeboval plnohodnotný jednokanálový osciloskop, navrhl jsem nový hardware a se svolením autora upravil software, který je šířen jako freeware.
Pro osobní potřebu je tato konstrukce volně k použití, pro komerční účely je nutný souhlas autora (včetně autora původního software).
 

 
 
2. Technické údaje
Napájecí napětí                                       ~9 až 15V
Vstupní napětí  ss/st(mezivrcholově)     0,2V; 0,5V; 1V; 2,5V; 5V; 25V
Maximální vstupní napětí                        100V
Vstupní odpor                                         1MW
Maximální frekvence vzorkování             teoreticky                 600 kHz
                                                                pakticky dosaženo  300 kHz
Vertikální posun nuly                               -10% až +60% vstupního rozsahu
Nastavení úrovně spouštění                   0 až 100% vstupního rozsahu
Připojení k PC                                         obousměrný LPT port
 
 
3. Popis zapojení
Jak je patrné ze schématu, jako A/D převodník je využit levný obvod TLC 0820, který je přes ochranné rezistory R1 až R8 připojen na LPT port PC. Převodník obsahuje vlastní referenční napětí a nepotřebuje ke své činnosti žádné vnější součástky.
Vstupní obvody jsou tvořeny děličem napětí v poměru 1:5, jež se volí přepínačem PR1. Na vstupu je dále přepínač PR3 sloužící pro nastavení nuly  a PR4 pro volbu měření stejnosměrného, nebo střídavého napětí. Přepínač pro nastavení nuly zkratuje vstup, takže ho používejte jen když není připojen měřený signál !!!!!
Za vstupním děličem následuje obvod ochrany před velkým napětím R14, D5, D6. K této ochraně patří také diody ZD2 a ZD3.
Vstupní zesilovač je realizován operačním zesilovačem IO2A. Přepínač PR2 nám umožňuje volbu zesílení 1:1, 10:1 a 25:1. Použitý obvod TL 074 pro naše potřeby svými parametry plně dostačuje.
Za vstupním zesilovačem následuje součtový zesilovač IO2B, kterým je realizován posun nuly pro měření střídavých napětí (TLC 0820 umožňuje měřit pouze kladné napětí 0 až 5V). Potřebné napětí pro posun je vytvořeno na potenciometru P1 a je vedeno dále přes sledovač IO2C. Kondenzátor C23 zajišťuje filtraci případného zvlnění napětí.
Ze součtového zesilovače je napětí přivedeno přes ochraný obvod R9, D3, D4 na vstup A/D převodníku a též na IO2D který umožňuje nastavit úroveň spouštění (TRG EXT). Úroveň překlápění IO2D je dána nastavením potenciometru P2. Korekce napětí  přiváděného na port na úroveň -0,4V až +5V je zajištěna R29, ZD4 a D7 (napětí je přivedeno na vstup ACK LPT portu PC).
Celá konstrukce je napájena střídavým napětím 9 až 15V jenž je jednocestně usměrněno, filtrováno a stabilizováno IO5 na 5V, IO3 na +9V a IO4 na -9V.
 

4. Konstrukce
Osciloskop je postaven na jednostranném plošném spoji a je umístěn do krabičky U-KM26. Vzhledem k omezenému prostoru krabičky, jsem se u jednostranného plošného spoje nevyhnul použití propojek (viz. rozmístění součástek). Celá konstrukce je patrná z fotodokumentace 1 - 2 - 3 .  Přepínače PR1, PR3 a PR4 mají vývody prodlouženy pomocí připájených drátků tak, aby jejich ovládání procházelo výřezy ve víku krabičky.
V krabičce je nutné odstranit všechny přepážky. Sloupky na které dosedá plošný spoj snížíme na výšku 2mm. Výkresy pro další úpravy krabičky (výřezy pro konektory a přepínače) budou uveřejněny později.
 
5. Oživení - nastavení
Nejdříve osadíme napájecí část včetně konektoru K3. Po osazení připojíme přes konektor střídavé napětí a voltmetrem zkontrolujeme napětí +5V (VCC), +9V a -9V. Jsou-li napětí vpořádku, můžeme osadit operační zesilovač IO2, přepínače, potenciometry a ostatní součástky mimo obvodu IO1. Nesmíme zapomenout zapojit též příslušné propojky.
Připojením voltmetru na rezistor R9 zkontrolujeme pomocí P1 činnost součtového zesilovače. Naměřené napětí při nastavení P1 do krajních poloh by mělo být -0,5/+3,2V. Pokud máme nastavitelný zdroj napětí, můžeme ho připojit na vstup a též zkontrolovat činnost vstupního zesilovače a děliče vstupního napětí.
Je-li vše vpořádku, můžeme osadit K1, IO1 a rezistory R1 až R8, které jsou v provedení SMD a jsou pájeny ze strany spojů. Nyní můžeme připojit osciloskop pomocí kabelu k LPT1 portu PC a zahájit oživování pomocí software - viz část "Popis software". Před připojením však ještě zkontrolujeme v BIOSU nastavení LPT1 portu na bidirectional nebo ECP nebo EPP.
 
6. Popis software LPTScope
Program je šířen jako freeware včetně zdrojových kódů.
Pro první seznámení s programem, bez připojeného hardware, můžeme využít demo signál, který se zobrazí po spuštění programu v případě, že je zapnuta volba Tools/Start with demo signal. Na demo signálu si můžeme ověřit téměř všechny funkce, které program nabízí.
Po prvním připojení hardware a spuštění LPTScope spustíme měření zelenou šipkou "Run". Měli bychom vidět na obrazovce vodorovnou černou čáru, která by se měla vertikálně posouvat při otáčení potenciometrem P1 - posun nuly. Pokud se čára neposouvá je nutné nastavit korektní čtení z A/D převodníku volbou tlačítka AD na toolbaru nebo v menu Tools/Test A/D converter.
Stručný popis funkcí programu:
File - v tomto menu se nachází funkce pro ukázku tisku a tisk obrazovky osciloskopu.
Tools
-Toolbar - zapíná a vypíná zobrazení Toolbaru, doporučuji ponechat zapnuté
-Bidirectional capabilites testing - umožňuje zjistit zda Váš LPT1 port je obousměrný což je nutná podmínka pro funkci programu.
-Test A/D converter - pro správné čtení z A/D převodníku je nutné nastavit počet čekacích cyklů nutných pro odstranění rušení na připojovacím kabelu. Nastavení provedeme tak, že potenciometrem P1 měníme napětí na vstupu A/D převodníku a na zobrazeném voltmetru sledujeme stabilitu údaje napětí pro různá nastavení počtu čekacích cyklů (údaj musí být stabilní a musí reagovat na otáčení P1). Správné nastavení kontrolujeme po zavření okna spuštěním měření "Run" a nastavením nuly na cca 2V - signál musí být stabilní bez rušení. Doporučuji zkontrolovat kvalitu signálu ještě pomocí snímání napětí přivedeného z generátoru.
-Save config when exit - při ukončení programu se provede úschova konfigurace.
-Strat with demo signal - po spuštění programu je spuštěno měření s demo signálem
- Measure speed at start - při spuštění programu se měří ryhlost počítače (nutné pro správné časování)
Help
-About LPTScope - informace o autorech programu
 
TOOLBAR
Run - spouští měření ve funkci osciloskopu
Hold - zastaví měření, signál (obsah bufferu) zůstane k dispozici na obrazovce
One record - spustí jednoho měření, po naplnění bufferu se měření zastaví a signál zůstane k dispozici na obrazovce.
TRG OFF - spouštění měření od zadané úrovně signálu je vypnuté, začátek měření signálu je náhodný.
TRG INT - spouštění měření od zadané úrovně signálu na vzestupné nebo sestupné hraně. Začátek spouštění vyhodnocuje software.
TRG EXT - spouštění měření signálem předaným z hardware na nastavené úrovni dané potenciometrem P2. Spouštění je na vzestupné hraně. Hardware lze též jednoduše upravit pro vstup vnějšího spouštění.
 
Linie na obrazovce
Modrá - zobrazení úrovně napětí vůči nulové linii
Fialová - určuje posun nuly vstupního napětí. Jestliže máme nastaven posun do minusu, záporné napětí se na obrazovce vykreslí na nulové úrovni. Posun se dá provádět potenciometrem P1 (využívá se pro měření střídavých signálů).
Hnědá - určuje úroveň spouštěcího napětí pro TRG SW.
 
Použití myši
Při stlačení levého tlačítka můžeme posunem myši odměřovat velikost napětí (osa Y), časového úseku a frekvence signálu (osa X).
 
Time base - určuje měřítko pro zobrazování na časové ose X
Y base - určuje měřítko pro zobrazování na napěťové ose Y
Oscilloscope input correction - nastavení velikosti napětí na vstupu pro plný rozsah A/D převodníku.
Sampling rate - frekvence vzorkování nastavitelná počtem čekacích cyklů ve volbě Test A/D converter.
Sample buffer - velikost bufferu pro čtení dat při měření. Pro funkci osciloskopu doporučuji hodnotu max. 10000. Pro funkci One record je možné nastavit až 1000000. Společně s nastavením vyšší hodnoty Sampling rate lze provádět při funkci One record  záznam měření až po dobu cca 1 minuty (závisí od rychlosti PC). Zadanou hodnotu bufferu je nutné potvrdit stiskem klávesy ENTER, nebo klepnutím myši na obrazovku mimo okénko bufferu.
default - nastavení standardních hodnot Time base, Y base a Oscilloscope input correction
 
Tipy pro práci s programem
Na obrazovce lze prohlížet pouze 32000 bodů bufferu. Pokud máme buffer větší velikosti a chceme ho celý prohlédnout, musíme zvolit větší hodnotu Time base
Time base = 32000 / (Sampling rate * Sample buffer)
Měření v reálném čase pod Windows není stoprocentně možné (přerušení od hardware i od windows nelze eliminovat) a proto má zobrazovaný signál ve funkci oscilloskopu určitou malou nestabilitu, která se mírně zvětšuje s rostoucí zobrazovanou hloubkou bufferu. Pokud by nám tato malá nestabilita vadila, můžeme si měření zastavit funkcí Hold, nebo použít záznam One record (při pouhém pozorování signálu by malá nestabilita neměla vadit). Tuto nastabilitu nezaměňujte s měnící se frekvencí některých typů generovaných DEMO signálů.
Funkce TRG INT čeká určitou dobu (3*Sample buffer*Sampling rate) na signál dané úrovně. Pokud úroveň signálu není dosažena, spustí se měření jako v režimu TRG OFF.
Funkce TRG EXT čeká na signál dané úrovně trojnásobnou dobu jak TRG INT.Pokud úroveň signálu není dosažena, spustí se měření jako v režimu TRG OFF.
 
 
Stáhni program LPTScope verze 1.3  
Stáhni zdrojový kód
 
 
7. Seznam součástek
Kondenzátory elektrolytické radiální
C1,C2                  220 uF/25V
C3,C4,C6,C7       47 uF/16V
C5                        100 uF/25V
C23                      22uF/16V
 
Kondenzátory keramické
C8, C9,C10,C11,C12,       
C13,C14,C15,C16       100 nF
C18,C17                      22 pF               
C20                             12 pF
C21                             47 pF
 
Kondenzátory fóliové
C19                100 nF/250V
C22                100 pF/250V
 
Polovodičové součástky
D2,D1           1N4005               
D3,D4,D7      BAT48               
D5,D6           1N4148               
IO1                TLC0820               
IO2                TL074               
IO3                78L09               
IO4                79L09               
IO5                78L05
ZD1                BZX83V5,6V               
ZD2,ZD3         BZX83V10               
ZD4                BZX83V5V1
 
Konektory               
K1                CAN25VP               
K2                BNC-Z 50RW               
K3                SCD-016       
 
Tlumivka axiální       
L2,L1                220 uH
 
Přepínače posuvné
PR1,PR3,PR4        P-B143               
PR2                      P-GS373       
 
Potenciometry PC 1221N      
P2,P1                10k
 
Rezistory  SMD 1206
R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8        680
 
Rezistory 0,4W
R9                1k
R10,R11        100k
R12                120k
R13                680k
R15,R20,R21,R22,       
R23,R24,R25     4k7
R16                470
R17                56
R18                180
R19                15
R26,R30         10k
R27                15k
R28                22k
R29,R31,R33    10k
R32                8k2
 
Rezistor 2W
R14                10k