Всем привет! А, в особенности, любителям светодиодных индикаторов и нерациональных конструкций, не имеющих практической ценности.
Сначала погадаем, а в конце сверим с тем, что есть на самом деле.
Самое главное в таком нелегком деле, как проектирование осциллографа - сразу выстрелить себе в ногу и решить использовать только стандартную логику и не изучать готовые схемы в интернете, коих полно. Это не мой путь. Будем изобретать колесо!
Приступим!
Сначала нужно попытаться понять - а что же такое осциллограф? Не прибегая к помощи нейросетей и гугла, естественно. Представим, что мы на необитаемом острове с паяльником и контейнером советских и не очень радиодеталей.
Латынь никогда не была сильной стороной, как и греческий, но само название интуитивно можно разделить на две части - одна из которых - что-то про колебания, а вторая что-то про рисование или запись этих самых колебаний. - Какой-то сейсмограф получается! Только измерять будем не колебания нашей живой планетки, а напряжение. Как мне думается - осциллограф это, по сути, вольтметр, который эксплуатирует или свою память или инерционность нашего зрения, чтобы показать нам изменения напряжения за какой-то отрезок времени.
Составные части.
Не знаю как оно есть на самом деле, но самой главной частью прибора, который должен взаимодействовать с человеком является дисплей. Маленький зеленый кинескопчик или большой, красивый и контрастный LCD. Но это всё довольно сложно в реализации "на коленке" и стандартной логике. Так что остается два варианта разной степени странности.
Нормальный вариант - светодиодная матрица, например, 15*25. Тут даже можно будет отличить синусоиду от прямоугольника или пилы. По вертикали показываем относительный уровень сигнала, а по горизонтали переключаем активный "столбик" светодиодов. Звучит просто.
Не очень нормальный вариант - такая же лента, как на ранее упомянутом сейсмографе. Ее можно закольцевать и стирать с "невидимой" стороны кольца. Так получится аналоговый, бесконечно точный и нереально медленный прибор.
Не менее, а возможно даже более, важной частью осциллографа является блок АЦП, ну или вольтметр, если АЦП звучит слишком громко.
Для индикации уровня входного напряжения "в моменте" подойдет что-то вроде одноименного устройства для отображения "силы" звука на всевозможных плеерах и колонках. От простого устройства на транзисторах и диодах до более приближенной к нормальному АЦП схемы на компараторах.
Для системы с лентой можно просто приделать карандаш на стрелку вольтметра. Но сильно сомнительно, что осциллограф на несколько Герц - звучит соблазнительно это хоть сколько-то хорошая идея.
Ну и горизонтальная развертка. Тут всё просто. В сомнительной системе с карандашиком - это ШИМ на моторчик, который будет крутить ленту, а на более нормальной системе - тактовый генератор и сдвиговый регистр.
Взаимодействие.
Как вообще, по моему мнению, всё должно работать? В случае дисплея из светодиодной матрицы.
Начиная с щупа, который будет, естественно, не крутым осциллографическим, а простыми контактами как на мультиметре, сигнал должен поступать на импровизированный АЦП последовательного приближения. Хотя сигнал на выходе я бы не назвал таким уж цифровым.
Далее уровень сигнала, который преобразован в напряжение высокого уровня на соответствующем выводе нашего АЦП будет отображен в виде горящего светодиода в какой-то из строк.
Столбцы же по очереди будут перебираться при помощи тактового генератора и сдвигового регистра.
Частоту тактирующих импульсов хорошо бы подбирать под сигнал переменным резистором.
Получится совершенно не измерительный прибор, а просто пробник. Это нужно учитывать.
Реализация.
Проверить свои идеи я решил, используя нечто выходящее за рамки концепции, но позволяющее добавлять новые узлы по одному. Начну с мини версии дисплея, а этим самым "НЕЧТО" выступит ардуино нано. Приступим!
Макет дисплея.
Дисплей для начала сделал поменьше. Прямоугольники должно быть видно, а на что-то более крупное, пока что, не хватило светодиодов. Да и эти зеленые индикаторные светят уж как-то слишком плохо.
Испытательный стенд.
Не мудрствуя лукаво я просто подпаял все линии анодов и катодов к цифровым пинам ардуинки. +5В на аноде и 0 на катоде - и светодиод на их пересечении светится. Применение ардуино можно, конечно, считать обманом, но по мне - это верный инженерный путь, когда концепции можно проверить по мере готовности и в конечном итоге прийти к цели - созданию "осциллографического пробника" только на стандартной логике.
Накидал простенький скетч для проверки качества пайки и этой части схемы. Всё заработало с первого раза.
АЦП, управление тактированием и сдвиговый регистр.
Как видно на анимации выше - сдвиговый регистр пока что заменяет собой ардуинка. Всё остальное недостающее пока что так же заменю ей. А в последствии сделаю как планировал по одному блоку.
В качестве АЦП будет встроенный в ATmega328 блок. Переменным резистором на нем же буду управлять тактированием такого же эмулированного сдвигового регистра. Быстренько накидал в любимом KiCAD, чтобы не запутаться и собрал.Такие дела.
Ну, и пока занимался всем этим, поставил на печать корпус "на память".
Тесты.
Накидал скетч и проверил работу.
Как обычно глазами всё видится значительно лучше, чем через камеру. Что бы с этим поделать?
Ещё достаточно иронично, что для проверки работоспособности самодельного приборчика пришлось использовать настоящий. С генератором импульсов. И работает поделка нормально более менее всего до пары килогерц. Но это ничего! Следующим этапом я заменю ардуиновский АЦП на самодельный, а он работает значительно быстрее. Аналоговый же.
Заключение.
На этом первый этап исследования считаю успешно завершенным! Впереди томительное ожидание кучи светодиодов для более крупного дисплея, компараторов для АЦП и сдвиговых регистров. Ещё не плохо было бы добавить переменный резистор для вертикальной развертки и заменить один переменник на тактовом генераторе на два. Для грубой и точной настройки.
Всем спасибо за просмотр! Если есть вопросы - задавайте, если интересен "осциллограф" с карандашиком и лентой - обязательно пишите! Сделаем. А за файлами к проекту как обычно в телеграм чат канала. Там тихо) До свидания!
(P.S.):
Осциллограф — это не просто вольтметр, а вольтметр с привязкой ко времени и системой синхронизации. Без последней это просто индикатор. Сильно не хватает триггера и памяти для того, чтобы можно было изучать переходные процессы. Но, в принципе, я был прав в своих рассуждениях.