──1.線性訊號多軌跡電路──
如果你和我一樣是看了波形觀測後才買示波器的,相信你同我一樣希望它延續下去,黃氏和江先生已經在76和78期製作晶體曲線掃描器,希望這單軌→四軌的轉換器能使你的示波器功能更全。
數位電路常用的三種儀器──邏輯試棒、直流電壓計和示波器。但常用的雙軌跡示波器對於複雜的數位電路顯然有「不夠看」的缺點。這個電路就是將單軌擴充至四軌,如果你對本機完全了解,則應用其中的原理就可輕易的將單軌轉換至更多軌跡,只要你的CRT夠大。
本機頻寬的-3dB點是4.5MHz,但仍可使用直到20MHz,軌跡間的分離度約65dB,輸入阻抗為98KΩ(譯註,當然可用簡單的方法增加其輸入阻抗,例如用Voltage Follower)。AC訊號的最大輸入為15Vp-p,DC是±7.5V。顯示的方式有Chop和ALT兩種,Chop的頻率為12KHz~210KHz可調,ALT的頻率約為200Hz,可選擇A、B、C、D中任一頻道觸發。電源的供應為±9V,可用006P的基層電池或1.5V電池串接。此外,本機還可以作為訊號的連接器,使一台前級連接四台後級,也可使一台錄放影機連接四台電視。
電路概況
本機線路為圖一、圖二為方塊圖,本機的中心是CMOS四合一的類比開關,各個開關分別獨立(見圖三),每個開關導通時其阻抗約80Ω,因此對訊號的衰減很少;
當開關『開』路時,阻抗約為2000MΩ,故可視為完全的絕緣。四個電子開關依序交替開閉,使CRT上每次出現一條光跡,由於出現第四條光跡後又回到第一條光跡,不斷的重複使眼睛的視覺暫留看似四條光跡同在CRT上。
因為四個頻道均類同,故僅介紹A頻道。當訊號自J1進入後,立即分兩路前進,一路是往觸發訊源選擇S8,另一路是到輸入交連方式選擇S1。S1的選擇有DC、AC-LO、AC-HI及REF; DC是直接交連至IC1的電子開關,AC-LO是AC交連適用於低頻,AC-HI是AC交連用於高頻訊號,REF是使衰減輸入端「接地」,以便得到一參考「零位線」(註: position R,的調整就是加一直流電位至訊號上,使光跡出現在CRT上會偏上或偏下,使得四軌道至於重疊在一起,故接地一詞並不正確,用「」標明)。電容C3使輸入訊號和position控制隔離,並且使衰減控制電位器R1的連接端確保零電位。訊號S1經選擇後經R1衰減後到IC1的開關輸入,四個電子開關的輸出均連至示波器的垂直輸入端。
IC2,555被接成非穩定多諧振盪,振盪頻率和C13 C14 R10 R11有關。當輸入訊號頻率高時,使用ALT(交替)顯示,頻率低時以切割(Chop)顯示,R10是穩定控制(Stability Control),當光跡閃跳時調整其阻值可使IC2的輸出頻率略為改變使得輸入訊號和555輸出脈波得以配合。IC2的輸出第3腳至IC3十進位計數器(decade counter)的14腳計時輸入端,當555輸出第一個脈波時,IC3的第3腳為Hi其他腳皆Lo,當第二個脈波來時IC3的第3腳變成Lo,只有2腳變成Hi,依著輸入的脈波數而使得IC3得3 2 4 7 10 1 5 6 9 11腳依次的變成Hi,而且當一腳是Hi,其他腳皆為Lo(見圖五)。
IC3的15腳重定(Reset),當第10腳和Reset相連則IC3計數自0 1 2 3。若Reset和IC3的第7腳相接則自0 1 2 又重回計數0 1 2所以S6就可控制IC3的計數,因此控制IC1的四個電子開關,選擇二、三或四頻道。計數器的使用使得IC1的四個電子開關在任一時間內僅有一開關導通。
S8是觸發訊源的選擇開關,可選擇由A、B、C、D中任一頻道觸發同步。由Q1 Q2和周圍的元件組成的放大整型電路具有相當高的增益,即使輸入訊號僅有10mV rms,尚能工作。此電路輸出連示波器的外部觸發輸入(EXTERNAL TRIGGER INPUT)。
由於本機消耗的電流約僅20mA,故以電池作為電源當勝任愉快的,如果你喜歡以穩壓來作為電源(希望你務必用穩壓電路)Pro-1515實在很方便,請參閱51期及59期R1用2.2K,R2用4.7K,VR仍用5K,若R3用2.2K,R4用4.7K,Zener宜用5.1V,變壓器用15-0-15即可,應可調出±6.2V~±12V。如果用1.5V 3號電池串接,間歇的使用80小時當無問題。
本機的組裝
本機的PCB圖和零件安插如圖六、圖七,圖七內許多有圓圈述自請參見圖一。
為了節省空間電阻皆為立式,裝配時小心勿讓電阻的長腳短路了。C1 C4 C7 C10四個AC-Lo交連電容請用無極性的。S5是附在R10上,即附有SW之VR。輸出端用BNC接頭,連接的電線儘可能的縮短。C1~C12皆不在PC板上,和電位器或波段開關焊在一起; 只要小心的組裝,本機的頻寬當高於4.5MHz。最後,找個盒子鑽好孔後用轉印紙標明各開關,VR的功能,然後裝上所有的開關,就可進行檢查了。
檢查
將電源打開,用電表的DCV檔,將負線接在⑩點上,正棒接在IC1的14腳,應該是+7.5V,將正棒接在⑮點上,應該是-7.5V,如果電壓不正常,檢查是否有地方短路了。將S1 S2 S3 S4均置於REF的位置,量A B C D各點的電壓,調整各個position R5 R6 R7 R8使A B C D各點電位均為-3V。現在將示波器的探棒接在IC2的第3腳和⑩點,該有一列脈波,將S5撥至『開』路,此時為切割顯示的頻率,調整R10可改變頻率。再將S5撥成通路,此時ALT顯示的頻率應約為200Hz。把示波器的探棒拿起,將垂直靈敏度轉到1V/div將探棒接在JS上,以內部觸發(Internal Trigger),此時應見一條水平線在下方三格處,因為方才將A B C D的Position基準電位均調至-3V之故。調整R6 R7 R8使CRT上呈現四條水平條,自下而為A頻道、B頻道、C頻道和D頻道相距等間隔。再將示波器的外部觸發輸入(External Trigger Input)和J6連接,S1 S2 S3 S4撥至DC交連,接上四個訊源(可用一訊號產生器接在J1 J2 J3 J4),然後可以調整輸入衰減R1 R2 R3 R4,也可試用觸發訊源選擇S8,這樣可說是大功告成了。
本機雖然有交替(ALT)顯示及切割(Chop)顯示於適用於高頻訊號,但是如果各頻道間的頻率相差太大也是無法得到穩定的。另外就是各輸入訊號衰減R1 R2 R3 R4,使得示波器上的垂直靈敏度V/div不能用來直接讀出電壓值,但是對於Hi-Lo的數位電路這點倒不重要,若是用以觀察Amp,則必須先以訊號校準每一頻道的各別實際靈敏度,這樣方可直接由CRT上讀出訊號電壓值。第三就是本機輸入阻抗僅98KΩ,這是因為輸入訊號衰減R1 R2 R3 R4均只有100KΩ,和是波器本身的輸入阻抗並聯後的結果。可將R1~4替換成1MΩ VR,但是這樣一來若是用AC交連時,由於電容的關係使訊號前端會看不到,取捨之間就必須由你自己視需要決定了。
本機的應用
本機可做為訊號產生器,頻率範圍約在10K~120KHz方波,最大輸出15Vp-p,且正負振幅獨立可調,步驟如下: 將S1 S2 S3 S4撥至REF,S5撥至Chop, S6撥至2-Channel, J5即輸出,頻率由R10調整。由於IC1的電子開關是左右對稱的,故將訊號自J5輸入可由J1~4輸出,(此時S5撥至Chop,S6放在4-Channel),將Apple輸出接往J5,則J1~4可接四台Monitors。此外,本機尚可產生階梯電壓以供晶體曲線掃描用,不過未如76、78期黃、姜兩位先生的方法時用,僅供參考。 (取材自Popular Electronics, July 1982)
──2.數位訊號多軌跡電路──
許正宏
數位邏輯電路,無論它們是存在於一種單純的計數器或者是一種組合型的計算機內,那是以「閘」和「正反器」相互結合式的網路出現。在觀察數位邏輯電路工作時的動作,由於它們是以電子信號在工作,肉眼無法觀察到,所以我們需借助羅極探針或直流伏特計或示波器來觀察。但是直流伏特計或是邏輯探針在工作時每次僅能監督到一個信號,而自從數位電路的工作都依賴著與時間有密切的「親屬」關係──頻率時,就顯得幫助不大了,尤其在大量的工作信號時,這些工具更顯渺小,而一台雙軌跡的示波器就要比它們好一級,但其亦僅能用於監督二個信號而已。究竟我們需要什麼方法去監督許多同時所發生的信號呢?這明顯的答案是──邏輯分析器。藉著能很便利的取得一些編號的IC,我們能夠做好一個很便宜的邏輯狀態分析器,而它能夠將8個垂直的取代信號,以不連續的方式描繪在傳統的信號追蹤示波器。每個軌跡將顯示這些信號在選擇輸入線上,如此電路將能同時發生8種不同點的時序來供觀察。這個基本電路繪於圖一中,讀者可行研討。
電路操作
在這個電路中的「心臟」,是一只8個輸入、1個輸出的資料選擇器,此選擇器必須能接受8個TTL系列IC做為其輸入來源,同時也能經由外不的地址解碼器解碼,而在晶片的輸出腳得到一個每次都有8個空間的地址輸出。這些的輸入選擇將經由2進碼000到111而得到,所以可知這8個空間是由3個地址輸入所控制。這上述的,就是指74151而言,而這個74151的工作與否,是由第7腳的「致能」(ENABLE)來決定,其為低電位觸發工作,也就是說「致能」為低電位時,74151正常的工作,而高電位時便「停工」。
由工作之電路可見,這三條地址線是由一個計數器來驅動的,而這計數器可是一個除16的7493,解碼用的7490或其它各種計數器,只要合乎工作要求即可。當時基脈波輸入驅動了7493,其三條地址線的輸出週期便不斷的產生二進制碼,由000開始向111變化。
我們所談到的8軌跡是由3條地址線所致,而這3條地址線一是由R1 R2 R3和終端電阻R5等所組成的基本數位/類比轉換器而得。當3條中有一條為高電位時,電流便流過其所聯接之電阻,再經R5到地端,故在R5上便可得到一個壓降。而電路亦產生了一個8階的波形,給所適用的示波器的垂直輸入。
在這電路中,有一點值得探討,那就是計數器和各所聯接的電阻,彼此之間「加權」(weight)的頻率。若將示波器的水平掃描適當的調整,那麼8個不連續的軌跡將出現在顯示面板上。另外有一點令我們感興趣的,就是當R1之阻值有一點點減少的話,那麼最上面4個和最下面4個軌跡將會產生少許的差異。
電阻R4是被連接在74151的輸出及數位/類比轉換器之間,這個電阻的阻值決定了74151的輸出信號的振幅大小,示波器的同步信號將可由這電路的時脈取得或是由連續下數的計數器其他接腳得到。如果這時脈太快了,那麼一個7490或7493或相等的除法器都可拿來應用於電路的主計數器上,而使頻率能得到一個較低的定數。
8個軌跡顯現,通常是5吋陰極射線管(CRT)的示波器所能觀察的極限,但無論如何,要是你的示波器有速率等待的能力,以及你希望它亦能顯示出16個軌跡,那麼只要將電路上的74151換成74150(16個輸入單個輸出的資料選擇器),以及在每條新的地址線上串加一個8KΩ的電阻,和串聯一個8KΩ在R5上。由於理論上電路的電阻值都很特殊,所以在實際製作上就選用最接近理論值的實際值代替。
電路結構
本文所述之簡單電路,可能連接在一小塊PC板上,因僅需3個IC──7493(除16計數器)、74151(8輸入單輸出資料選擇器)7404(反閘),以及5個電阻而已。
一旦電路組合完畢,可考慮使用一個小盒子將其裝在裡面,並將5V的低功率電源供給附於其中,因電路所需之電流不過72mA左右,且74系列的IC所需之工作電壓緊5V,如此可使操作方便些。
示波器的同步和垂直輸入,可被接在盒子上的任一點,而由74151所接出的8條輸入導線,它們在盒子上的出口就需用插梢墊來絕緣;而供給電源的5V和接地以及時脈的導線亦要有其保護出口。
這11條導線是可如你所希望的被限定。一般說來連接IC的接腳,都是使用小型的測試夾來緊緊的夾住,如Radio Shack的270-372、Calectro的F2-916,或其他類似之產品皆可。在測試信號IC時,14腳或16腳的接腳夾就會被使用到,當使用時,+5V及接地便可由IC取得,而74151便屬於這種使用接腳夾測試8條的資料線。
用法
接好了狀態分析器的+5V、接地以及時脈以便開始測試,同時分析器的接地和輸出亦接好在示波器的接地和垂直輸入以及外加同步輸入。當電源供給後,調節示波器的掃描,使8個不連續的軌跡出現。
此分析器的8個輸入中的任何一個或全部都可被連接作為邏輯測試,而調整示波器的掃描和同步使得陰極射線管穩定的顯示。一旦上述步驟都做了,那麼便可調整R4的阻值使軌跡上的信號得到所希望的高度,並且避免混亂和確信信號不會重疊。調整R5可使示波器的信號位準輸入容易得到。
雖然這個電路我們使用了TTL系列的IC來完成,但一個足智多謀的實驗者能夠使用CMOS的IC來達成任務,因為CMOS在許多方面是優於TTL的IC! (取材自Popular Elec. 1981. 2月號)
轉載音響技術第81期 SEP. 1982 多軌跡掃描示波器/宜 之、許正宏 (取材自Popular Electronics, July 1982)(取材自Popular Elec. 1981. 2月號)
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