Как использовать осциллограф для устранения неисправностей электроники

Ключевые выводы

• Осциллографы являются важным инструментом для поиска и устранения неисправностей электроники. Они анализируют электрические сигналы и могут помочь определить, что происходит в цепях.
• Осциллографы бывают разных форм и цен. Для новичков и любителей более дешевый вариант, такой как DSO 138, может дать достойные результаты. Также доступны б/у варианты.
• Калибровка осциллографа имеет решающее значение для получения точных результатов. Важно установить пороговое значение и использовать правильные датчики. Изучая сигналы с помощью осциллографа, вы можете эффективно устранять и диагностировать электрические неисправности.

Осциллограф — один из самых мощных инструментов для начинающих изобретателей, инженеров и любителей электротехники. Если вы устраняете неполадки в построенных вами схемах, это очень важно. Но как именно устранить неисправность электроники с помощью осциллографа?

Для чего нужны осциллографы и сколько на них нужно потратить?

У вас есть электрическое устройство, которое не работает. Это может быть сломанный ноутбук, синтезатор, который вы купили на местном барахолке, или макет, сделанный своими руками. Поскольку на самом деле вы не можете увидеть электричество, чтобы понять, что происходит не так, потребуются некоторые дедуктивные рассуждения и правильные инструменты. Одним из наиболее важных из этих инструментов является осциллограф.

Осциллограф – это прибор для анализа электрических сигналов. Это слово может вызывать образ большого белого блока, стоящего на лабораторном столе, но реальность такова, что осциллографы бывают разных форм. За высококачественный осциллограф вы можете рассчитывать заплатить тысячи долларов. Несколько сотен долларов могут принести очень приличные результаты для любителей, студентов и стартапов, особенно если вы готовы использовать подержанные товары.

Однако вы можете начать с дешевого. Мы достигли популярного DSO 138 от JYE Tech. Он был широко клонирован и заменен DSO 138mini, но остается подходящим вариантом осциллографа для новичков и тех, кто ищет портативный вариант.

Несколько слов о напряжениях осциллографа

DSO 138 рассчитан на измерение напряжения до 50 В. Хотя некоторые осциллографы способны выдерживать и более высокие нагрузки, каждый осциллограф имеет свои ограничения. Преодолевайте эти ограничения, и вы рискуете уничтожить устройство. Но не все потеряно: защитить прицел можно с помощью ослабляющего щупа. Зонд x10 снизит входное напряжение на 90 %, что позволит нам работать с сигналами более высокого напряжения.

Естественно, вы захотите принять все возможные меры предосторожности при работе с высоким напряжением. По этой причине давайте ограничимся низковольтными вещами.

Начиная

DSO 138 поставляется с парой зажимов типа «крокодил». Если вы хотите быть точным в своих измерениях, вероятно, хорошей идеей будет приобретение настоящего пробника — достаточно острого, чтобы определить точку на печатной плате. Это снизит риск случайного образования короткой позиции.

Если вы исследуете аудиосигналы, вам может понадобиться адаптер для преобразования кабеля TS (или TRS) в БНК (или СМА) сокет на вашем прицеле. Для простоты мы остановимся на зажимах типа «крокодил».

Калибровка осциллографа и установка порога

Получение полезных результатов от вашего осциллографа означает его калибровку. Этот процесс позволит нам компенсировать собственное сопротивление и емкость зондов. Это особенно важно, если вы испытываете серьезные перепады температуры.

Подключите датчик к опорному сигналу, который часто находится на передней панели. В случае DSO 138 он находится вверху. Пробники поставляются с регулируемым конденсатором, который следует настроить так, чтобы тестовая волна имела прямоугольную форму. Их часто можно настроить с помощью небольшой отвертки. DSO 138 обеспечивает управление настройкой на самой плате.

Если вы хотите увидеть форму сигнала, вам нужно, чтобы дисплей обновлялся каждый раз, когда нарастающий фронт пересекает определенный порог. Установите это значение где-то посередине между верхним и нижним пиковым напряжением. Мы настроили обновление при каждом обнаружении нарастающего фронта. Таким образом, мы устраняем неоднозначность и получаем четкое и стабильное изображение формы сигнала.

Как исследовать сигналы с помощью осциллографа

Давайте рассмотрим некоторые сигналы. Использование телефона и кабеля с разъемом «мини-джек» — самый простой и быстрый способ. Прикрепите зажимы типа «крокодил» к другому концу вилки. Большая полоса внизу — это земля, а две другие — левая и правая. Итак, вы можете прикрепить клипы следующим образом:

Теперь нам нужна форма волны. На YouTube полно соответствующих тестовых роликов.. Выберите один, сыграйте в него и наблюдайте за изображением. Здесь мы наблюдаем синусоидальную волну.

Возможно, вам придется немного переместить объекты, чтобы отцентрировать форму сигнала. Ознакомьтесь с элементами управления, играя с ними. Увеличьте форму сигнала, измените уровень запуска и отрегулируйте время. Нет никакой замены практическим занятиям!

Практическое устранение неисправностей с помощью осциллографа

Итак, теперь, когда вы освоились с осциллографом, пришло время заняться устранением неполадок.

Ранее мы рассмотрели создание сигнала ШИМ с помощью Raspberry Pi, и это хорошее место для начала. Давайте посмотрим, что на самом деле выводит RPi.

ШИМ

Подсоедините зажим заземления к земле и проверьте место, где вы ожидаете появления сигнала. В данном случае это вывод ШИМ. Теперь мы можем запустить некоторый код. Сигнал ШИМ должен появиться на прицеле. Мы можем измерить рабочий цикл и убедиться, что он соответствует нашим ожиданиям. Программное ШИМ не отличается особой стабильностью, особенно если на устройстве одновременно выполняются другие задачи. Использование здесь аппаратного ШИМ дает последовательные и четкие результаты:

Конечно, это не означает, что аппаратная ШИМ является необходимостью. Часто вы можете улучшить свои результаты, просто уменьшив нагрузку на устройство, на котором работает программа. Если вы не видите никакой формы сигнала, это может указывать на то, что рабочий цикл установлен на 0 % или 100 %. Проверьте эту возможность, прежде чем идти дальше!

Передача данных

Современные схемы часто полагаются на сигналы, которые не являются периодическими, а разовыми. Устройство отправляет команду другому, но не повторяется. Двигайте мышью, и вы отправите на компьютер серию команд, указывающих, насколько вы переместили мышь.

Чтобы уловить эти сигналы, нам нужно будет использовать одноразовую функциональность нашей области. Здесь форма сигнала приостанавливается на месте при прохождении порогового уровня. Таким образом, мы сможем точно увидеть, в какой форме находятся эти биты и будут ли они понятны принимающему устройству.

В данном случае мы семплировали входящий MIDI-сигнал от барабанного контроллера AKAI:

В этом примере MIDI-устройства могут распознавать даже зашумленные сигналы. Но с тех пор кабели здесь несбалансированные, у вас могут возникнуть проблемы, если они превысят определенную длину. Так, например, если вы проложите кабель через все здание, у вас возникнут проблемы. Или сам кабель может быть неисправен после того, как его слишком много раз наезжали офисным стулом.

Вот тут-то и приходит на помощь дедуктивный поиск неисправностей! Сосредоточьтесь на проблеме, сначала проверив другой кабель, а затем другое MIDI-устройство.

Два сигнала?

Одним из ограничений DSO 138 является то, что он допускает только один вход.

Более совершенные осциллографы могли бы позволить нам исследовать два сигнала одновременно. Таким образом, вы можете наложить данные, отправляемые через SPI (или I2C), на соответствующий тактовый сигнал. Это может обнаружить, что два сигнала несовпадены или искажены. Это приведет к искажению данных. Шипы, шум, закругленные края — все это может вызвать проблемы.

Во многих случаях эти проблемы можно решить, добавив здесь или там подтягивающий (или понижающий) резистор. Или нам может понадобиться один или два конденсатора для сглаживания напряжения питания. Возможно, вам также придется скорректировать свой код, чтобы компенсировать проблемы с синхронизацией.

Каким бы ни было решение, вы не сможете приступить к работе, пока не взглянете на два сигнала рядом друг с другом, что идеально подходит для вашего осциллографа.

Осциллографы отлично подходят для диагностики электрических неисправностей

Как только вы начнете создавать, модифицировать или ремонтировать сложные схемы, вы неизбежно столкнетесь с проблемами, которые может диагностировать только осциллограф. Получив четкое представление о сигналах, которые вы хотите сформировать, вы сможете гораздо эффективнее устранять неполадки.