構建一個基于微控制器的示波器

描述

介紹

故事很簡單。我決定我的電子學學習之旅已經到了可以使用示波器成為有用工具的地步。

但是，我不確定這種電子愛好會持續(xù)多久，所以我不想花大筆錢買可能會變成昂貴的紙鎮(zhèn)。事實上，我是個小氣鬼，我什至不想花小錢。

經過一些研究并檢查了我的（稀疏的）零件箱和車庫中的各種垃圾堆，我想我可以構建一個基于微控制器的示波器，足以滿足我非常有限的需求 - 而無需購買任何額外的硬件。

微控制器

第一步是選擇我要使用的微控制器開發(fā)板。我有一些 Arduino 板（一個 Uno 和 Nano）和一個 Raspberry PI Pico。Pico 的 500kS/s 采樣率與 Arduino 的 77kS/s 最大采樣率意味著只要我能找到一些合適的軟件，這個決定就很容易了。

軟件

顯然，我需要在 Pico 上運行一些軟件來捕獲樣本、顯示波形并處理觸發(fā)和縮放等事情。由于沒有自己編寫軟件的意愿（或技能），所以我測試了我的 Google 搜索技能。在幾乎放棄之后，我終于遇到了一個名為Scoppy的項目。Pico 上運行的軟件是開源的，但不提供任何用戶界面。為此，您需要安裝一個 Android 應用程序，不幸的是它不是開源的，所以不理想。然而，在沒有更好的選擇的情況下，我決定繼續(xù)這樣做。

外殼

對于外殼，我決定使用前段時間從垃圾箱中救出的 PVR 外殼。

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拆下硬盤和電路板后，我發(fā)現(xiàn)一塊 9 厘米 x 15 厘米的穿孔板非常適合安裝在機箱底部的現(xiàn)有支架上。

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探頭和連接器

當然，永遠不可能使用真正的示波器探頭，因為它們肯定會超出我 0 美元的預算，而且畢竟示波器只能測量低頻信號。數(shù)字萬用表型探頭可以，但可惜我在零件箱中沒有任何 4 毫米插座。

我想出的零成本解決方案是使用 PVR 外殼背面的 RCA 連接器。

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似乎我購買的每一件 A/V 設備都帶有 RCA 電纜，其中大部分從未使用過，但我當然保留了它們以“以防萬一”。

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通過切斷適當長度的電纜并連接跳線，RCA 電纜很容易轉換成可用的探頭。作為獎勵，內部導體是屏蔽的，盡管我不確定這是否會對示波器可以測量的低頻產生任何影響。

示意圖

示波器的模擬前端主要遵循這里的設計，給示波器四個電壓范圍。使用的大多數(shù)組件都是非常通用的（軟糖？），我可以從我的零件箱中找到除 BAT46 二極管之外的所有組件（我只是使用 1N4148 而不是 BAT46 - 似乎工作正常）。

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每個示波器輸入都連接到一個電阻分壓器，該電阻分壓器將信號衰減兩倍。一對 1N4818 二極管用于保護運算放大器非反相輸入免受負電壓的影響。正極沒有提供電壓保護，因為 LM324 的額定電壓為 32V，遠高于我預期的任何測量值。

四個電壓范圍是通過改變運算放大器的反饋電阻值來實現(xiàn)的。鑒于現(xiàn)有電阻器的范圍有限，該范圍的電壓范圍最終為：

• 0.30 至 6.30V
• 0.30 至 3.63V
• 0.30 至 1.05V
• 0.30 至 0.30V

為什么-0.30V而不是零？如果電壓范圍的低端為零，則運算放大器需要輸出 0V 才能使示波器正確顯示 0V 輸入電壓 - 但運算放大器的負電源也是 0V，因此永遠不會能夠擺動輸出電壓那么低。

運算放大器輸出通過限流電阻連接到 Pico 上的 ADC。肖特基二極管可防止 ADC 引腳上的電壓升至 3.6V 的絕對最大允許電壓以上。

該示波器在信號發(fā)生器的輸出端包括一個低通濾波器，以便可以從合適的 PWM 信號生成正弦波。

集會

組裝很簡單。這是所有零件都焊接到穿孔板上后的樣子。

底部

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頂面

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可是等等！你可能會問那些又胖又丑的白色東西是什么。好吧，對于板上的一些較長的連接，我決定使用 Apple USB 電纜的長度（帶有現(xiàn)在已過時的連接器的那種）。我使用這些不僅是因為我的連接線不足，還因為這些電纜是屏蔽的，因此希望它們能夠將 ADC 輸入與噪聲隔離開來。

完成的產品

好的。所以它丑陋、簡單且規(guī)格低，但在我的電子學習之旅中，我的“零件箱范圍”對我來說很好用。誰知道，有一天我可能會花大價錢買一臺真正的示波器，比如 DSO138 ;)

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首先嘗試使用parts-bin 范圍。半波整流電路。

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未來可能的改進

1. 切換輸入電壓范圍

零件箱中缺少開關意味著輸入電壓范圍只能通過打開外殼并移動連接到運算放大器反饋電阻器的接頭來改變。很煩人。

2. 更好地訪問邏輯分析儀輸入

只有兩個邏輯分析儀輸入具有可從外殼外部訪問的連接器 - 因此專用連接器對于能夠使用所有 8 個通道很有用。

3. 邏輯分析儀電平轉換

邏輯分析儀輸入端的電壓限制為 3.3V。如果它也接受 5V 邏輯會很方便。

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