ДИАГНОСТИКА ЦИФРОВЫХ СХЕМ ПРИ ПОМОЩИ ОСЦИЛЛОГРАФА

На всех занятиях по цифровой технике логические уровни мы определяли при помощи мультиметра или АВО-метра, вольтметра, путем измерения напряжения (если близко к напряжению источника питания, - то единица, если менее 1 В, - то нуль). Но на практике, логические состояния в схемах на цифровых микросхемах контролируют при помощи импульсного осциллографа. Он позволяет не только определить состояние выхода (единица, ноль или высокоомное состояние), но и увидеть форму импульсов, примерно опреде­лить их частоту, скважность. Одним словом осциллограф это "глаза" радиолюбителя или специалиста, которыми можно "увидеть" почти все происходящее в цифровой схеме.

По статистике, наиболее распространенный осциллограф в радиолюбительской среде, это С1-65. Это довольно старый и громоздкий прибор, которыми оснащались практически все предприятия, занимающиеся электроникой, от радиозаводов до ремонтных мастерских. Сейчас, при обновлении оборудования или при реорганизации предприятий эти приборы списываются и их часто можно встретить на радиорынках или в магазинах типа "Юный техник". Списанный С1-65 можно приобрести через родственников или знакомых, работаю­щих на предприятиях или просто купить "с рук". Поэтому, в данной статье, мы будем рассматривать С1-65, и не будем затрагивать такие "игрушечные" и малополезные приборы, как ОМЛ или Н-313. Однако, поняв методику работы с С1-65 можно работать и с любым другим импульсным осциллографом (С 1-90, С1-94, С1-55, С1-60 и т.п.).

Экран осциллографа прямоугольный, на нем нанесена масштабная сетка. При включении осциллографа посредине экрана появляется прямая линия. Для работы с цифровыми микросхемами нужно переключить осциллограф в импульсный режим, так чтобы он мог показывать и переменный и постоянный ток одновременно. Для этого нужно переключатель входа (он расположен внизу, прямо под экраном) перевести в левое положение (отмечено "z")- Затем ручкой "баланс" переместить линию на нижнюю линию сетки экрана (осциллограмма 1).

   В наших опытах мы используем 9-вольтовую батарею питания (две батарейки по 4,5 В), значит единица будет где-то около 9 В. Переведите переключатель "V-дел." в положе­ние "2". При этом по вертикали каждой клетке будет соответствовать 2 В. То есть логическая единица будет выглядеть, примерно, как на осциллограмме 2. Чтобы линия не пульсировала переведите переключатель "Время/дел." в положение 0,1 mS или 0,2 mS.

Для работы с КМОП или МОП микросхемами (К561 или К176), чтобы можно было определить не только нуль и единицу, но и высокоомное состояние, удобно пользоваться специальным щупом для осциллографа. Этот щуп должен иметь достаточно длинный контактный штырь, настолько длинный чтобы установив щуп на вывод микросхемы можно было к металлу этого штыря прикоснуться пальцем. Проще всего его сделать из шариковой ручки и толстой и длинной швейной иглы или отрезка тонкой вязальной спицы. Провод припаять к игле и соединить его с входным разъемом осциллографа, а от клеммы "1" нужно пустить отдельный провод. Он должен быть подключен к минусу питания исследуемой схемы.

Соберите схему показанную на рисунке 1.

 Провод, идущий от клеммы "1" подсоедините к минусу батареи G2. Проволочная перемычка П1 подает на вход элемента D1.1 нуль, на его выходе будет единица, а на выходе элемента D1.2 - ноль. Это ясно - элементы инверторы. Теперь проверьте это при помощи осциллографа. Поставьте щуп на вход D1.1 - на экране будет осциллограмма 1 (осц.1). На выходе D1.1 будет осц.2, а на выходе D1.2 - осц.1. То есть, на входе D1.1 - нуль, на его выходе - единица, а на выходе D1.2 - нуль. Теперь перепаяйте перемычку П1 на плюс питания (рисунок 2). Все уровни изменятся на обратные. На входе D1.1 - единица, на его выходе - нуль, а на выходе D1.2 - единица (соответственно, осц.2, осц.1 и осц.2).

Значит так : линия внизу - ноль, линия вверху - единица.

А как быть, если произошел обрыв между выходом D1.1 и входом D1.2. Если исходить из схемы, показанной на рисунке 1 и для определения уровня пользоваться вольт­метром, он покажет что на входе D1.2 нуль, несмотря на то что на самом деле там высоко­омное состояние (рисунок 3).

 Действительно, если поставить щуп осциллографа на вход D1.2 то на экране будет осц.1. Чтобы проверить нет ли обрыва нужно удерживая щуп на выводе 3 D1.2 прикоснуться к его контактной игле пальцем. Если здесь обрыв на экране осцоллографа появятся хаотические линии (осц.4), вызванные наводками в вашем теле фона сети переменного тока и радиопомех. Если обрыва нет прикосновение к контактной игле картинку не меняет (осц.1).

Микросхемам К176 и К561 свойствена неисправность, когда выходное сопротивление одного из её выходов сильно возрастает. Такая микросхема работает не надежно, дает сбои и приводит к неполадкам в устройстве, в котором она работает. На рисунке 4 показано что при этом происходит.

 Смоделирована неисправность выхода элемен­та D1.2. Его выходное сопро­тивление увеличено при помощи резистора R1 на 1 мегаом. Если подключить щуп к входу D1.2 на экране будет нормальная осц. 2. Но если к этому щупу прикоснуться пальцем линия расплывется помехами и наводками (осц.5). Так можно обнаружить неисправную микросхему.

На рисунке 5 показана схема простого мультивибратора, он вырабатывает импульсы частотой, примерно, 1 кГц. Ранее, на прошлых занятиях мы изучали работу такого мульти­вибратора и прослушивали выходной сигнал при помощи небольшого динамика. Осциллограф позволяет увидеть импульсы на выходах и входах элементов этого мульти­вибратора, ориентируясь по масштабной сетке на его экране можно оценить их форму, симметричность, длительность, период и частоту. На выходах элементов D1.1 и D1.2 должны быть прямоугольные импульсы. Если подключить щуп к этим выходам на экране будут осциллограммы 6 и 7, соответственно. 

Это прямоугольные импульсы.А установив щуп на вход элемента D1.1 можно увидеть функцию процесса зарядки и разрядки конденса­тора С1 через резистор R1. Она будет выглядеть, примерно так как на осц.8.

Если на экране вместо импульсов будут видны только две горизонтальные линии необходимо настроить синхро­низацию осциллографа при помощи ручки "уровень", расположенной в правом верхнем углу передней панели осциллографа. Изменяя положение переключателя "время/дел." и вращая ручку "уровень" можно "растянуть" или "сжать" изображение, так чтобы можно было видеть разное число периодов импульсного сигнала.

   По делениям на экране осциллографа можно примерно определить период следования импульсов и затем их частоту. При номиналах С1 и R1 таких как показано на рисунке 5 частота импульсов на выходе этого мультивибратора должна быть около 1 кГц. Осциллограмма 6 получается если переклю­чатель "время / дел." осциллографа установить в положение "0,2 mS", то есть одному делению по горизонтали соответствует 0,2 милли­секунды. Период, судя по осциллограме, этого сигнала, получается равным 4,8 делений, то есть Т= 4,8x0,2=0,96 mS. Частоту можно определить как F=1 / Т = 1 / 0,96 =1,041 кГц. Длительность каждого импульса, судя по осц.6 получается 2,2 клетки для отрицательного перепада, и 2,6 для положительного (то есть 0,44 mS и 0,52 mS). Таким образом, сигнал получается не симметричным, что свойственно микросхемам К176 и К561. Эти результаты могут получиться и другими, все зависит от номиналов конденсатора и резистора, работающих в мультивибраторе, а также от электрических параметров конкретного экземпляра микросхемы.