Все мы начинаем изучение радиоэлектроники с каких-то простых схем на транзисторах. Затем нам открывается мир ТТЛ и КМОП логики. А здесь уже и генераторы сигналов, и логические схемы, и ШИМ контроллеры. И рано или поздно каждый радиолюбитель сталкивается с тем, что все эти сигналы нужно как-то увидеть, да и вообще проверить, правильно ли все работает. Конечно же, всем понятно, что для этого нужен осциллограф. Но этот прибор не дешёвый, а заменить его особо то и нечем. И каждый начинает искать схему осциллографа для самостоятельной сборки. И тут оказывается, что для изготовления такого прибора необходимы некоторые специфические детали. В одном случае это микроконтроллер для преобразования сигнала и вывода изображения на ЖК монитор. В другом - осциллографический кинескоп.
В первом случае купить микроконтроллер это пол дела. Его же ещё нужно прошить, а значит ещё и программатор нужен и программу где-то взять или написать самостоятельно... Короче говоря, задача не простая и вряд-ли выполнима для человека, который делает первые шаги в изучении радио дела. В другом случае нужно где-то достать кинескоп, который тоже стоит порой не дёшево. Да и исправен ли он будет? Для него ещё придется собрать блок развертки и высоковольтный генератор. А полная схема осциллографа любого начинающего радиолюбителя скорее всего одним своим видом испугает. А представляете, сколько будет этапов наладки? Да и для настройки такого осциллографа понадобится другой осциллограф! Замкнутый круг какой-то. И тут на помощь приходят видео с Ютуба, где в качестве осциллографа используется телевизор. Поискав в интернете информацию об этом, можно найти схему из «Радио» №8 1968 на старых германиевых транзисторах PNP-типа и схему из «Юного Техника» на более новых КТ315 NPN-типа. А прародителем является ламповая приставка аж из далёкого 1958 года. Опубликовал её журнал «Radio and TV news», и в 1959 схему журнал «Радио» в первом своем выпуске показал её советским радиолюбителям.
Прежде всего хочу сразу предупредить, что данная приставка является скорее познавательной игрушкой, в силу жестких ограничений ТВ сигнала. Но я то знаю, что если вы задумали её собрать, то вас уже не остановишь никакими доводами;)
Смысл схемы заключается в том, что изображение на экране формирует готовый телевизор, а данная приставка лишь преобразовывает исследуемый сигнал в ТВ сигнал. То есть нужен телевизор с антенным входом. Перед сборкой, как обычно, крайне желательно найти людей, которые уже собирали эту схему и узнать о подводных камнях. Есть очень хорошее обсуждение на форуме радиокота. Непреодолимые сложности в наладке схемы возникнуть все таки могли, и я понял, что собирать эту схему мне не очень хочется. И я решил придумать другую схему самостоятельно. Ну, а что? С момента последнего (причём говорят, несамого удачного) ремастеринга схемы прошло уже много времени. Пора бы её модернизировать, хотя бы до уровня 80-90-х годов. Пусть даже это и происходит в 2020-м. Что нам нужно? Измерить сигнал, преобразовать в картинку и передать в телевизор через тюльпанчик. Нафиг антенный кабель! Почему? Потому что для антенного кабеля нужно собирать лишний вч генератор, который ещё и будет вносить искажения в наше и без того не идеальное изображение. Уже лучше! Теперь нужно собрать лишь половину данного осциллографа.
И решение поставленной задачи начнём с хвоста. Что такое видеосигнал и как он формируется? В интернете, почему-то, не так много об этом информации. Но на Ютубе есть отличный курс лекций по телевидению. Вот ссылка на него, посмотрите обязательно – там всё понятно и очень интересно. Именно этот плейлист мне и помог, за что огромное спасибо этим добрым людям! Учитывая особенности формирования изображения на экране телевизора и наши возможности, стоит оговориться сразу, что изображение нашего исследуемого сигнала будет повернуто на 90°. Как собственно и во всех предыдущих инкарнациях этой приставки.
Итак, изображение на экране формируется построчно слева направо и сверху вниз, кадр за кадром.
Кадр в телевидении называют полем. Таких полей может быть 50 или 60, а строк в кадре 576 или 480 соответственно. Видеосигнал это аналоговый сигнал с размахом от 0 до 1 вольта, в который входят служебные сигналы и сигнал изображения. Служебные сигналы это импульсы смены строки и смены поля величиной 0 Вольт и сигналы гашения луча, величиной 0.3 Вольт. Сигнал изображения состоит из сигнала яркости и цветоразностного сигнала. Нам достаточно чернобелого изображения, поэтому с цветоразностным сигналом мы заморачиваться не будем. Ограничимся лишь яркостью, величина которой от 0.33 до 1 Вольта. Итак, нам нужно создать все эти сигналы. Так будет выглядеть наш видеосигнал, если рассмотреть его на осциллографе, которого у нас нет.
Начало строки (1), черный цвет (2), всплеск белого (3), черный цвет (4), гасящий импульс (5)(он необходим для того, чтобы луч кинескопа успел вернуться в начало новой строки и ничего не нарисовал в это время), импульс новой строки (6), конец гасящего импульса (7), и все заново.
Через примерно 576 строк, гасящий импульс становится длиннее (это необходимо для преодоления лучом расстояния от нижнего правого угла до верхнего левого) и сигнал смены кадра так же длиннее строчного(так телевизор понимает, что это сигнал смены не строки, а именно кадра). Здесь нам нужно два генератора импульсов. Первый: частота 50 Гц с импульсом 160 мсек. Второй: 15625 Гц с импульсом 12 мксек. Это будут сигналы гашения строк и кадров. С генераторами я не стал изобретать велосипед и собрал по известному принципу генератора импульсов на 2-или-не логике.
На рисунке указал все номиналы и формулы для расчетов. Резисторы R2 и R4 необходимо установить подстрочные для регулировки частоты кадров и строк. Я применял подстроечные резисторы номиналами 200кОМ и 500кОм, соответственно.
Ещё нам понадобится встроить в эти отрезки сигналы смены строк и кадров. Сделаем мы это с помощью задержки сигналов гашения, как показано на рисунках ниже.
Все задержки расчитываются по одной и той же формуле для расчета времени RC цепи. На графиках, справа от схем, показано, как это работает.
Теперь, когда мы разобрались с "сердцем" нашего осциллографа, можно взглянуть на его полную схему, а так же на монтажную плату и далее разбираться с принципом её работы.
Так же нам понадобятся два ключа и источник питания на 0.33 вольта. Источником сигнала гашения 0,33 Вольт будет делитель на резисторах R15 и R17, ключами - транзисторы 2N7000. Один ключ будет отключать сигнал изображения от общего выхода, а второй будет отключать выход от делителя R15-R17. Сигнал изображения идет с 8 ноги микросхемы D4, а величина его около 5 вольт, т.е. логическая единица. Этого нам многовато. Поэтому перед ключом VT2 нужно установить резистор R16. Таким образом мы получим делитель R16-R17. R17 должен быть номиналом 75 Ом (это импеданс видеовхода телевизора). Именно от него и пляшут номиналы резисторов в делителях: R15 – 1K, R16 – 390 Ом. Теперь Транзистор VT1 открывает сигнал 0,33В на выход, а VT2 – 1В.
Теперь разберемся с узлом формирования сигнала изображения. Собран он на микросхемах D5 и D4. Исследуемый сигнал через конденсатор C17 поступает на входы компараторов D5.
На инвертирующий вход одного компаратора и на неинвертирующий вход другого из точки (16) поступают одновременно входной сигнал и постоянное напряжение смещения с делителя R9-R10. На оставшиеся входы компараторов одновременно приходит референсный пилообразный сигнал с точки (1) генератора гашения строки. Мы ведь должны с чем-то сравнивать исследуемый сигнал в каждой строке? Далее при достижении равенства между сигналами референсным и исследуемым, на выходах компараторов появятся фронт и спад одновременно. Это произойдет практически мгновенно и такие сигналы практической пользы для нас несут столько же, как и использование всего одного компаратора. А именно, мы сможем получить в итоге вот такую картинку:
Но нам нужна линия на экране! Поэтому здесь на сцену выходит микросхема D4. Сигнал со спадом мы инвертируем, а затем задерживаем на некоторое время с помощью RC-цепи на R14-С9, затем инвертируем еще раз и только потом суммируем с сигналом фронта и то, что получилось на выходе еще раз инвертируем, чтобы получить именно белую полосу на черном фоне, а не наоборот. Выходы компараторов нужно подтянуть к +5 Вольт питания резисторами R12, R13. Иначе работать не будет. Толщина линии регулируется временем задержки R14-C9. Слишком тонкую линию делать не стоит, так как её может быть не видно на маленьком телевизоре или на частоте уже выше 100 Гц. Я установил номиналы R14 – 180, c9 – 6.8n. Для семи дюймового телевизора – в самый раз.
Осталось всё собрать и настроить. После сборки всё ещё раз проверьте на отсутствие ошибок. Особенно, если собираете на макетной плате, как я. Если какая-нибудь микросхема съедет на один контакт, можете получить непредсказуемые сигналы и долго будете ломать голову, как же так вышло. Подключаем выход нашей приставки к видеовходу телевизора, подаем питание в схему. При первом включении, скорее всего, на экране телевизора будут помехи или не будет ничего.
Не паникуем! Здесь нужна некоторая точность частот полей и строк, а конденсаторы и резисторы зачастую имеют номиналы немного меньше заявленных. Поэтому резисторами R2 и R4 подстраиваем частоту кадров и частоту строк так, чтобы получить хотя бы черный стабильный экран. Повторюсь: белой полосы может и не быть, если R14 и C9 не обеспечивают достаточную задержку сигнала с компаратора. Если телевизор широкоформатный, то при настройке можно понять, какую частоту кадров мы настроили: при 50fps экран будет чуть меньше по горизонтали, а при 60fps – чуть больше. Лучше настроить 50 кадров в секунду, т.к. здесь больше строк. А именно строками и определяется разрешение нашего осциллографа (то есть частота дискретизации). Так же сам телевизор может подсказать частоту кадров приставки. Если сигнал определяется как SECAM или PAL - значит 50Гц, если NTSC – 60Гц. Затем, если нужно, корректируем толщину линии с помощью подборки R14 и C9. Так же может возникнуть проблема в виде серой вертикальной полосы в левой части экрана. Это говорит о том, что сигнал гашения слишком длинный. Укоротить его можно, уменьшив номинал R1. Но тогда нужно будет вновь подстроить частоту строк, покрутив R2. Аналогично, при возникновении проблем в верхней части экрана, уменьшаем R3 и заново настраиваем R2 и R4. Яркость белой полосы настраиваем с помощью R16, а её положение на экране – с помощью делителя R9-R10. Добиваемся четкого ровного изображения: чёрный экран и белая вертикальная полоса по центру экрана от самого верха до самого низа. Готово!
Теперь можно подключить ко входу какой-нибудь сигнал. Внимание! На данном этапе, на вход приставки лучше не подавать сигнал размахом более одного Вольта. Чтобы исследовать большие сигналы, перед входом нужно установить, хотя бы, простой делитель напряжения на двух резисторах! 1:5 или 1:10. Чтобы протестировать схему без делителя, можно подать на вход сигнал с выхода звуковой карты компьютера. А в качестве источника использовать генератор звуковой волны. Например генератор в программе “Soundcard Oscilloscope”. Если вы воспользуетесь именно этой программой, то для первого раза амплитуду не выставляйте выше 0,5. Вот так, наппример на экране выглядит наводка при касании пальцем к контакту входа:
Так выглядит синусоида 100 Гц:
Так отображается 480 Гц:
На фото выглядит, будто линия двойная, а то и тройная. Так видит камера телефона. На самом деле линия одна, просто она "бежит". На частоте, близкой к 500 Гц, линия превращается в пунктир. Похоже на бегущих муравьёв=)
Теперь расскажу о недостатках. Первый – это, конечно же, низкая пропускная способность и частота дискретизации. Увидеть наличие сигнала можно до 1 кГц, определить форму сигнала можно до 500 кГц, максимум. Рассмотреть сигнал – до частоты около 300 Гц. Рассмотреть досконально – до 100 Гц. Второй важный недостаток кроется в том, что сигнал на экране всё время «бежит», а «остановится» лишь в тех случаях, когда частота исследуемого сигнала будет кратной частоте кадров вашей приставки. Эту проблему можно частично решить, если каждый раз при замере подстраивать частоты кадров в пределах погрешности +-3Гц, но это не панацея.
Конечно, данная приставка не сможет заменить осциллограф. Она является скорее интересной познавательной игрушкой. Главная её задача – это научить нас понимать ТТЛ логику и принципы формирования сигналов нужной нам формы, даже такой сложной, как видеосигнал. С её помощью можно проводить некоторые эксперименты при суммировании низкочастотных сигналов. Так же можно изучить влияние различных радиокомпонентов и фильтров на исследуемый сигнал. Ещё можно наглядно посмотреть работу некоторых деталей, таких как транзисторы или конденсаторы. При желании, в эту приставку можно добавить некоторые функции. Например, добавить ещё входы, сделать отображение сетки на экране, добавить синхронизацию чтобы сигнал не «бежал», научить её показывать цветные линии… В конце концов, можно сделать еще кучу приставок к этой приставке с различными расширениями её возможностей! Схему и плату в lay6 одним архивом можно скачать здесь.
Смотрите на подобные вещи, как на способ научиться чему-то новому и приобрести опыт. Ведь опыт - это бесценно!