Осцилло́граф (лат. oscillo — качаюсь + греч. γραφω — пишу) — прибор, предназначенный для исследования (наблюдения, записи, измерения) амплитудных и временны́х параметров электрического сигнала, подаваемого на его вход, либо непосредственно на экране, либо записываемого на фотоленте. Один из важнейших приборов в радиоэлектронике.

Википедия.

Моим первым осциллографом был радиолюбительский Н3015, произведённый в СССР в 1985 году. Со временем, у него отказала часть вертикальной отклоняющей системы. Затем была попытка создания самодельного цифрового осциллографа на основе микроконтроллера STM32 с цветным LCD-дисплеем. Проект частично работает, но был заброшен из-за нехватки времени. Может как-нибудь о нём напишу потом статью.

И вот недавно на Aliexpress я стал присматриваться к недорогим наборам для самостоятельной сборки осциллографа. Среди множества моделей я остановился на DSO150 от компании JYE Tech.

Покупал я его на Aliexpress. Найти можно его по этой ссылке. На момент покупки он стоил 1320 руб.

Распаковка

Пришёл осциллограф вот в такой коробочке из довольно плотного картона. Испытание почтой она выдержала отлично. На коробке отметка «15001K». Буква «K» означает, что это кит для самостоятельной сборки. Набор 15002K отличается от 15001K нераспаянными SMD элементами. Ещё есть 15003K — он без корпуса.

Содержимое коробки:

• корпус;
• две платы + дисплей;
• маленькая плата для установки энкодера;
• набор радиодеталей;
• щупы (крокодилы);
• две инструкции;
• электрическая схема.

Корпус пластиковый, состоит из пяти частей: лицевой части, лицевой рамки (на фотографии они соединены), задней части, нижней и верхней торцевых частей:

Радиодетали:

• BNC-разъём;
• металлический контакт для выхода тестового сигнала;
• конденсаторы;
• конденсаторы электролитические (100µF 16V);
• резисторы;
• плата для энкодера;
• энкодер;
• двухконтактный разъём для подключения аккумулятора;
• два переключателя;
• три гребёнки контактов;
• два подстречных конденсатора (5-30 pF);
• 4 кнопки.

Плата с аналоговой частью. Здесь уже распаяны SMD конденсаторы, резисторы и микросхемы:

Цифровая часть. Здесь ещё дополнительно распаяны стабилизатор напряжения, разъём питания, кварц, колодка под гребёнку контактов, дисплей:

Сборка

1. Для начала убеждаемся, что основная часть у нас работает и не повреждена. Для этого подаём питание 9 вольт на круглый разъём (центральный контакт — плюсовой). Если всё нормально, то мы должны увидеть загрузку, логотип, а затем картинку с сигналом, как на следующей фотографии. Если этого не произошло, то необходимо либо поднимать вопрос о возврате с продавцом, либо связаться с изготовителем для исправления самостоятельно. У меня всё заработало сразу:

2. Впаиваем контакт выхода тестового сигнала (J8).

3. Впаиваем разъём для питания от аккумулятора (J6).

4. Выключатель питания (SW5).

5. Впаиваем гребёнку из 4-х контактов (J2).

6. Кнопки (SW1-4).

7. Теперь необходимо убрать резистор R30 с основной платы (выпаять паяльником, либо аккуратно выломать плоскогубцами). Он был нужен для подачи питания в обход выключателя при первоначальной проверке платы:

Теперь снова подаём питание и убеждаемся, что выключатель и все кнопки функционируют нормально.

Сборка основной платы закончена. Теперь аналоговая часть.

1. Впаиваем резисторы. Внимательно проверяем номиналы по полоскам и лучше при этом вооружиться мультиметром.

R1	510 KΩ
R2	5.1 MΩ
R3	1.2 MΩ
R4	11 KΩ
R5, R6, R14	1 KΩ
R7	300 Ω
R8, R13, R16	150 Ω
R9	91 Ω
R10	30 Ω
R11, R12	15 Ω
R15	680 Ω
R26, R27	120 Ω

2. Впаиваем конденсаторы. Сверяемся с маркировкой.

C1	0.1 µF
C2	330 pF
C4	1 pF
C6, C7	120 pF

3. Два подстроечных конденсатора.

C3, C5

5-30 pF

4. Переключатель режимов (SW1).

5. Электролитические конденсаторы.

C10, C11, C12, C13, C14

100 µF / 16V

6. Впаиваем BNC коннектор. Тут потребуется мощный паяльник, чтобы хорошо прогреть место крепления к плате.

7. Две гребёнки контактов 2×5 (J2, J3).

Обе платы собраны и теперь выглядят вот так:

Впаиваем энкодер в его небольшую плату. Тут нужно быть внимательным и не перепутать сторону. Иначе ничего не заработает.

Проверка и калибровка

Аккуратно собираем лицевую часть. Для этого вставляем LCD дисплей в лицевую панель, затем главную плату. Вставляем плату с энкодером, прикручиваем её и припаиваем к основной плате.
Теперь соединяем плату с аналоговой частью и основную плату через разъёмы указанные на фото:

Подключаем питание 9 вольт. Переключатель AC/DC/GND переводим в положение GND. Включаем питание выключателем ON/OFF и замеряем напряжения. Они должны соответствовать указанным в инструкции.

Подключаем красный щуп к выходу тестового сигнала. Нажимаем на энкодер (ADJ) и держим 3 секунды, пока в левом нижнем углу дисплея не появится надпись «T.S. Amp»:

Коротким нажатием на энкодер устанавливаем значение напряжения тестового сигнала в 0.1V. Затем нажатиями кнопки V/DIV устанавливаем выделение на индикатор напряжения в левом нижнем углу. Поворотом энкодера устанавливаем там значение 50mV.

Теперь нажимаем кнопку TRIGGER до тех пор, пока уровень триггера (стрелочка справа) не окрасится в голубой цвет. После этого крутим энкодер и устанавливаем его так, чтобы уровень триггера был между максимальным и минимальным значениями сигнала. Это стабилизирует картинку.

Теперь берём маленькую отвёртку и крутим конденсатор C3. Необходимо как можно точнее приблизить изображение сигнала к прямоугольной форме.

Затем нажимаем на энкодер и устанавливаем напряжение тестового сигнала 3.3V. Теперь крутим конденсатор C5.

На этом калибровка окончена. Можно всё собрать в корпус.

Обзор и тестирование

Характеристики осциллографа:

Максимальная скорость оцифровки сигнала (частота дискретизации)	1 млн/с
Аналоговая полоса пропускания	0 - 200 кГц
Диапазон чувствительности	5 мВ/дел - 20 В/дел
Максимальное входное напряжение	50 Vpk
Входное сопротивление и ёмкость	1 MΩ / 20 pF
Разрешение	12 бит
Длина буфера	1024 точки
Диапазон времени	500 с/дел - 10 мкс/дел
Режимы триггера	Авто, нормальный, один замер
Позиция триггера	Центр буфера
Питание	9 В / DC (8 - 10 В)
Ток потребления	~120 мА @ 9 В
Размеры	105 x 75 x 22 мм
Масса	100 г (без щупов и блока питания)
Дисплей	2.4" TFT LCD 320x240

В качестве микроконтроллера используется STM32F103C8T6. Усилением сигналов в аналоговой части занимаются операционные усилители серий TL082 и TL084. А за переключение резисторных делителей отвечают аналоговые мультиплексоры 74HC4053 и 74HC4051. Судя по схеме, используется аппаратный контроль триггера. За это отвечает ОУ, включенный в режиме компаратора. Уровень сигнала для сравнения задаётся через ШИМ с микроконтроллера. Отрицательное напряжение для питания операционных усилителей и мультиплексоров генерируется преобразователем ICL7660.

В качестве источника питания я сначала выбрал сетевой блок питания 9 вольт. Но так как осциллограф позиционируется как портативный, то логично было бы подключить к нему аккумулятор. Вот тут возникают определённые трудности. У меня в наличии имеется трёхбаночный LiFePO4 аккумулятор. В полностью заряженном состоянии его напряжение составляет 10.95 В, что довольно много. Разрядив до допустимых 10 вольт, я попробовал подключить его. И увидел сильные всплески сигнала в отрицательном напряжении. Постепенно разряжая аккумулятор, удалось добиться нормальной работы только при напряжении меньше 9.3 В. Но тут возникает другая проблема: довольно быстрое снижение напряжения аккумулятора (основной его рабочий диапазон находится в районе 9.9 В). По этой причине я хочу заказать повышающий DC-DC преобразователь, поставить одну-две банки 18650 и выставить выходное напряжение 9 вольт.

Осциллограф действительно маленький, легко помещается в руке. Но при этом это полноценный прибор, с возможностью отображения осциллограммы, замера частоты, напряжения и других параметров.

На передней панели располагается цветной LCD дисплей диагональю 2.4 дюйма. Подсветка достаточно яркая, все элементы интерфейса видно хорошо. Ниже располагаются 4 кнопки и ручка энкодера.

Функции кнопок:

Кнопка	Функция	При долгом нажатии
V/DIV	Выбор чувствительности (вольт на деление). Вертикальная позиция сигнала.	Калибровка нуля (необходимо перевести переключатель AC/DC/GND в положение GND).
SEC/DIV	Выбор времени (секунд на деление). Перемещение сигнала по горизонтали.	Переход в центр буфера
TRIGGER	Выбор режима триггера (Auto, Normal, Single). Уровень триггера. Выбор типа триггера (по фронту, по спаду).	Установка уровня триггера по среднему значению амплитуды сигнала.
OK	Включение режима HOLD ("заморозка" сигнала).	Включение/выключение замеров.
ADJ	Изменение выбранного параметра.	Выбор напряжения тестового сигнала.
OK + TRIGGER	Сохранение текущего сигнала в EEPROM
OK + SEC/DIV	Отображение сохранённого сигнала из EEPROM
SEC/DIV + TRIGGER		Восстановление заводских настроек

Снизу располагается разъём и выключатель питания. Отверстие для выведения провода подключения аккумулятора не предусмотрено. При необходимости его нужно будет просверлить самостоятельно.

Сверху находятся: разъём BNC для подключения щупов, выход тестового прямоугольного сигнала (0.1 В или 3.3 В, 1 кГц), и переключатель AC/DC/GND. В положении AC отфильтровывается постоянная составляющая сигнала, в положении GND входной контур замыкается на землю.

Основная площадь дисплея поделена на 12 делений по горизонтали и 8 делений по вертикали. Осциллограмма изображается жёлтой линией. Слева находится стрелка — указатель нулевого уровня. Справа — указатель уровня триггера.

Сверху отображается статус осциллографа (Running / HOLD), горизонтальная позиция в буфере, состояние триггера.

Состояний триггера три:

• Holdoff — триггер выключен до тех пор, пока буфер не заполнен до точки его запуска.
• Waiting — ожидание необходимого фронта волны.
• Trigged — сигнал зарегистрирован.

Если установлен режим времени 50 мс/дел и медленнее и при этом режим триггера AUTO, то триггер автоматически переходит в статус Holdoff с постоянным движением осциллограммы справа налево.

В нижней части дисплея отображается чувствительность, род тока (AC/DC), режим времени, режим триггера, тип триггера (по фронту или по спаду).

Для тестирования я воспользовался программой для смартфона «Function Generator» от Keuwlsoft. Скачать можно в Google Play.
Синус 100 Гц:

Вот такая хорошая синусоида. Включим отображение замеров:

Обратите внимание на очень точное определение частоты.

Треугольник 100 Гц:

Прямоугольник 100 Гц. Тут скорее всего перекос из-за конденсаторов в выходном аудиотракте смартфона:

Синус 440 Гц:

Треугольник 440 Гц:

Прямоугольник 1 кГц:

Треугольник 1 кГц:

Пила 1 кГц:

Попробуем частоты повыше. 20 кГц:

Теперь подаём сигнал со звуковой карты компьютера. 40 кГц:

80 кГц:

А это ШИМ сигнал с ардуины:

Теперь подробнее об измеряемых параметрах. Лучше всего их описывает вот эта картинка (найдено на сайте http://www.rfcafe.com/references/electrical/sinewave-voltage-conversion.htm):

• Freq — частота;
• Cycl — период;
• PW — ширина импульса (Pulse Width);
• Duty — заполнение ШИМ в %;
• Vmax — макимальное напряжение;
• Vmin — минимальное напряжение;
• Vavr — среднее напряжение;
• Vpp — амплитуда сигнала (Vmax — Vmin);
• Vrms — эффективное значение напряжения переменного тока. Среднеквадратичное значение синусоидальной волны представляет собой значение постоянного напряжения, которое обеспечивало бы такое же количество тепла в нагревательном элементе.

В общем, очень неплохой осциллограф за свои деньги. Свои задачи выполняет полностью. Собирается довольно легко, нужны только минимальные навыки владения паяльником.

Update:
Пока писал эту статью, вздулся аккумулятор который у меня был подключен к осциллографу. Собственно от этого напряжение и падало быстро. Теперь точно куплю двухбаночный LiPo и DC-DC step up.