Измерительная мини-лаборатория

Какие измерительные приборы нужны начинающему радиолюбителю? Вольтметр? — Да. Омметр? — Да. Генератор низкой частоты? — Да. Импульсный генератор для проверки работы каскадов на интегральных микросхемах? — Безусловно! Пробник для «прозвонки» монтажа? — Непременно. И, конечно, мечта радиолюбителя — осциллограф, на экране которого можно наблюдать «жизнь» электронных каскадов и узлов.

Эти приборы объединены в одном корпусе Артуром Месроповичем Пилтакяном — заядлым радиолюбителем со школьной скамьи, разработчиком многих радиолюбительских и промышленных конструкций в области телевизионной, измерительной и другой техники, автором десятков публикаций в периодической печати, в том числе и в журнале «Радио», и популярных книг для радиолюбителей.

При разработке мини-лаборатории ставилась задача максимально упростить входящие в нее измерительные приборы, но при этом обеспечить получение параметров, достаточных для практической деятельности начинающего радиолюбителя. Внешний вид лаборатории показан на рис. 1, а своеобразная структурная схема — на рис. 2.

Один из важных ее приборов — осциллограф. Его входное сопротивление составляет примерно 70 кОм, наименьшая амплитуда входного сигнала — 0,1 В. При амплитуде более 5 В сигнал допустимо подавать непосредственно на отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Диапазоны частот развертки — 60…600 и 600…6000 Гц.

Генератор звуковой частоты (3Ч) работает на фиксированной частоте около 1 кГц и выдает синусоидальный сигнал напряжением до 1,5 В. Также на фиксированной частоте работает генератор импульсов, его максимальная амплитуда на выходе достигает 15 В. Омметр позволяет измерять сопротивления в диапазонах 50 Ом…40 кОм и 500 Ом…400 кОм.

Все перечисленные приборы питаются от общего блока. Не требует сетевого питания лишь вольтметр с пробником. Он рассчитан на измерение напряжения постоянного тока в пределах 10, 100 и 1000 В. При использовании вольтметра в качестве пробника в работу вступает автономный источник питания — аккумулятор.

Разберем устройство и работу всех узлов мини-лаборатории по ее принципиальной схеме (рис. 3).

(нажмите для увеличения)

Осциллограф (узел А1). Основа его — электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) VL1. Она имеет нить накала (выводы 1, 14), катод (2), управляющий электрод или модулятор (3), фокусирующий электрод или первый анод (4), второй анод (9) и две пары так называемых горизонтальных (10, 11) и вертикальных (7, 8) отклоняющих пластин, расположенных взаимно перпендикулярно по оси ЭЛТ.

Между катодом и вторым анодом приложено высокое напряжение, в нашем случае 600 В. Нагретый катод излучает электроны, которые под воздействием плюсового напряжения устремляются в сторону второго анода, проходя последовательно сквозь отверстия в модуляторе и фокусирующем электроде. Набрав скорость, они по инерции проходят через отверстие второго анода и, двигаясь между отклоняющими пластинами, попадают, наконец, на экран ЭЛТ, вызывая его свечение в виде яркого пятна. Отрицательно заряженные электроны стремятся оттолкнуться друг от друга, поэтому пятно не имеет четких границ.

Чтобы вместо расплывчатого пятна получить светящуюся точку, электронный поток должен быть сфокусирован. С этой целью на фокусирующий электрод подается постоянное напряжение с переменного резистора R8 — перемещением его движка добиваются нужной фокусировки.

Для регулировки яркости пятна (в дальнейшем изображения) используют модулятор, подавая на него с движка переменного резистора R9 минусовое напряжение. Чем оно больше, тем меньше электронов попадет на экран, тем меньше яркость точки.

Если на пластинах нет напряжения, точка расположится примерно в центре экрана. Но стоит подать напряжение, скажем, на горизонтальные пластины (переменным резистором R5), точка переместится по горизонтали в сторону пластины с плюсовым напряжением. Аналогично поведет себя точка при подаче напряжения на вертикальные пластины (переменным резистором R1) — она переместится вверх или вниз.

Когда на горизонтальные пластины подают переменное напряжение частотой 1 Гц, точка на экране перемещается каждую секунду из крайнего левого положения в крайнее правое и обратно. Увеличение частоты напряжения приведет к появлению на экране сплошной горизонтальной линии, длина которой зависит от амплитуды поданного напряжения. Подобную картину удастся наблюдать при подаче такого же сигнала на вертикальные отклоняющие пластины. Наличие двух пар пластин позволяет перемещать точку на экране в любом направлении, т. е. «рисовать» любые фигуры.

На практике горизонтальные пластины питают напряжением, напоминающим по форме зубья пилы (его называют «пилообразным»), а на вертикальные подают исследуемый сигнал, скажем, синусоидальной формы. При одинаковой частоте обоих сигналов на экране появится изображение одного периода синусоидального напряжения. При увеличении частоты исследуемого напряжения вдвое будут два периода, втрое — три и т. д. Чтобы можно было подобрать нужное число наблюдаемых периодов, перестраивают частоту пилообразного напряжения, делая ее кратной частоте исследуемого сигнала.

А теперь об одном уточнении. Хотя рассказ шел и будет идти о горизонтальных и вертикальных пластинах, на самом деле их умышленно поменяли местами относительно обычного положения, поскольку в реальной конструкции трубка повернута на 90°, чтобы обеспечить большее изображение исследуемого сигнала.

Источником пилообразного напряжения, часто называемого напряжением развертки, является генератор с регулируемой частотой, выполненный на транзисторе VT1. Работает он так. После включения питания напряжение на коллекторе транзистора равно нулю. Начинают заряжаться конденсаторы С4 и С5 (или С4 и С6 в зависимости от положения подвижного контакта переключателя SA2), транзистор закрыт. Скорость зарядки конденсаторов зависит от их суммарной емкости и сопротивления резисторов R12, R13. Как только напряжение на коллекторе достигнет определенного значения, транзистор лавинно откроется и конденсаторы разрядятся почти до нуля через участок коллекторэмиттер. Напряжение на коллекторе снизится практически до нуля, транзистор закроется, процесс повторится.

Зарядка конденсаторов происходит почти по линейному закону, разряжаются же они значительно быстрее. На коллекторе транзистора в итоге образуется пилообразное напряжение, частоту которого устанавливают скачкообразно переключателем SA2 и плавно — переменным резистором R13. Если включен конденсатор С5, частоту можно изменять от 600 до 6000 Гц, при включении конденсатора С6 ее удастся регулировать от 60 до 600 Гц.

Но амплитуды пилообразного напряжения еще недостаточно для подачи его на отклоняющие пластины. Поэтому оно поступает через разделительный конденсатор С7 и ограничительный резистор R14 на усилительный каскад, выполненный на транзисторе VT2. Через резистор R15 на базу транзистора подается напряжение с делителя R16, R17, определяющего вместе с резистором R18 режим работы транзистора.

С резистора нагрузки R19 пилообразное напряжение поступает на переключатель SA3. В левом по схеме положении подвижного контакта переключателя напряжение подается на горизонтальные пластины. В правом положении на пластины можно подавать внешний сигнал с гнезда Х5.

На вертикальные пластины исследуемый сигнал амплитудой более 10 В подают через гнездо Х2, переменный резистор R20 и переключатель SA1 (его подвижный контакт должен находиться в показанном на схеме положении). Часть сигнала снимается с движка переменного резистора R2 и поступает на базу транзистора генератора — это цепь синхронизации, позволяющая «остановить» изображение на экране ЭЛТ.

При исследовании сигналов значительно меньшей амплитуды их подают с движка переменного резистора через переключатель SA1 (его подвижные контакты теперь должны быть в нижнем по схеме положении) на вход усилителя, выполненного на транзисторах VT3, VT4. Для повышения входного сопротивления первого каскада усилителя введены резисторы R21, R24. Выходной каскад усилителя выполнен по такой же схеме, что и аналогичный каскад генератора развертки. С резистора нагрузки R31 усиленный сигнал поступает через конденсатор С10 на переключатель SA1. Конденсатор С15 предотвращает самовозбуждение усилителя.

Если сигнал велик, его подают на гнездо Х4, а размах изображения на экране регулируют переменным резистором R25. Таким вариантом пользуются, например, при измерении сопротивлений резисторов омметром (об этом — позже).

Блок питания (узел А2). Он содержит два выпрямителя, которые обеспечивают напряжение 600 В для питания ЭЛТ, стабилизированное напряжение 240 В для питания каскадов на транзисторах VT1, VT2, VT4, а также напряжение 15 В для питания каскада на транзисторе VT3, генераторов и внешних проверяемых конструкций, подключаемых к гнезду Х1 (и, конечно, к гнезду ХЗ либо Х16, Х17).

Трансформатор блока питания Т1 содержит четыре обмотки: сетевую I, повышающую II, накальную III и понижающую IV. Напряжение 600 В снимают с выпрямителя, выполненного по схеме удвоения на диодах VD3, VD4 и фильтрующих конденсаторах С16, СП. Половина напряжения этого выпрямителя подается на параметрический стабилизатор из резисторов R32, R33 и стабилитронов VD1, VD2. В итоге получается стабилизированное напряжение 240 В. С помощью диодного моста VD5 и фильтра C19R35C18 получают напряжение 15 В — только в случае показанного на схеме положения подвижных контактов переключателя SA5. Если же эти контакты установить в другое положение, переменное напряжение с обмотки IV будет подано на омметр. В этом варианте сигнальный светодиод HL1 гаснет.

Вольтметр с пробником (узел A3). Вольтметр выполнен по обычной схеме со стрелочным индикатором РА1 и добавочными резисторами поддиапазонов измерений. Чтобы упростить процесс калибровки вольтметра, каждый добавочный резистор составлен из двух последовательно соединенных — постоянного и подстроечного. Измеряемое напряжение подают на гнездо Х9 и одно из гнезд Х6-Х8 в зависимости от нужного поддиапазона.

При использовании вольтметра в качестве пробника, щупы включают в гнезда Х9 и Х10. Стрелку индикатора устанавливают на конечное деление шкалы — условный нуль отсчета — переменным резистором R36. Поскольку диапазон изменения сопротивления этого резистора велик, пробник способен работать при значительной разрядке аккумулятора G1.

Омметр (узел А4). Он выполнен по классической мостовой схеме, когда проверяемый резистор (или другую деталь, обладающую сопротивлением) включают в плечо диагонали моста (гнезда Х14, Х15), на одну диагональ (крайние выводы переменного резистора R46) подают напряжение, а с другой (движок резистора R46 и гнездо Х14 — общий провод) — снимают. Переменным резистором мост балансируют, и по его шкале отсчитывают значение сопротивления. Индикатором баланса служит осциллограф, гнездо Х4 которого соединяют с гнездом Х12 омметра. Когда мост окажется сбалансирован, изображение на экране превратится в точку.

Диапазон омметра устанавливают переключателем SA6, который включает в плечо моста либо резистор R44 (диапазон 500 Ом…400 кОм), либо R45 (50 ОМ…40 кОм).

Генератор ЗЧ (узел А5). Одного транзистора VT5 оказалось достаточно для постройки этого генератора, выдающего колебания синусоидальной формы одной фиксированной частоты. Генерация колебаний возникает благодаря обратной связи между коллектором и базой транзистора через цепочку из резисторов R47 — R49 и конденсаторов С20,С21,С23.

С резистора нагрузки генератора R52 синусоидальные колебания поступают через конденсатор С24 на переменный резистор R51 (регулятор амплитуды выходного сигнала), а с его движка — на гнездо X11. В это гнездо включают щуп, с помощью которого подают сигнал на проверяемую конструкцию. Конечно, общий провод генератора (скажем, гнездо Х16) соединяют с таким же проводом конструкции. Питание на генератор подают выключателем SA7.

Генератор импульсов (узел А6). Он собран по схеме симметричного мультивибратора на транзисторах VT6, VT7, поэтому на выходе генератора (на резисторе R56) будут наблюдаться импульсы с одинаковыми длительностью и паузой (так называемый «меандр»). С движка переменного резистора регулируемый выходной сигнал поступает на гнездо Х13. Как и в предыдущем генераторе, к гнезду подключают выносной щуп. Питание на генератор прямоугольных импульсов подают выключателем SA8.

Детали и конструкция. Сетевой трансформатор — самодельный, выполненный на магнитопроводе Ш 18×32. Обмотка I содержит 1670 витков провода ПЭВ-1 0,25, II — 1890 витков ПЭВ-1 0,15, III — 49 витков ПЭВ-1 0.75. IV — 100 витков ПЭВ-1 0.35.

Оксидные конденсаторы — К50-31 (C8. C14). К50-32 (C16, С17). К50-12 (С 18. С19). Конденсатор С9 — бумажный на напряжение не ниже 500 В. С20-С27 — любые на напряжение не менее 15 В, остальные конденсаторы — пленочные, металлопленочные или бумажные на напряжение более 200 В. Переменные резисторы R13, R46 — типа СП-1 соответственно мощностью 2 и 1 Вт. остальные переменные и подстроенные резисторы — СПО-0.5, постоянные резисторы — МЛТ не ниже указанной на схеме мощности.

Вместо МД217 допустимо применить МД218, КД105Г. КД209В и другие выпрямительные диоды с обратным напряжением не менее 800 В, а КД906А заменит любой диодный мост, рассчитанный на обратное напряжение более 50 В. Вместо 2С920А подойдут другие последовательно соединенные стабилитроны, сумммарное напряжение стабилизации которых составляет около 240 В при максимальном токе стабилизации 30…42 мА.

Транзистор ГТ320Б можно заменить другим из серий ГТ308, ГТ313, ГТ320, ГТ321, остальные — на аналогичные по параметрам.

Переключатели — галетные. движковые или тумблеры. Стрелочный индикатор РА1 — М4248 или другой малогабаритный с током полного отклонения стрелки 100 мкА. Источник питания G1 — аккумулятор либо гальванический элемент напряжением 1,5 В.

Каркас корпуса измерительной лаборатории размерами 240x200x150 мм изготовлен из алюминиевых уголков 15×15 мм. Лицевая панель укреплена на петлях и ее можно поворачивать на 90° (рис. 4).

На этой панели укреплены ЭЛТ со светозащитной рамкой, стрелочный индикатор, органы управления и гнезда. Часть деталей генератора развертки смонтирована на одной плате (рис. 5), усилителя — на другой (рис. 6), генераторов — на третьей (рис. 7), блока питания — на четвертой (рис. 8). Все платы вырезаны из текстолита, и на них расклепаны металлические стойки или монтажные лепестки.

Детали вольтметра, пробника и омметра размещают на планке из изоляционного материала, прикрепляемой металлическим уголком к передней панели изнутри корпуса. Для установки аккумулятора используют простой держатель (рис. 9), изготовленный из пластмассового колпачка от обычного пузырька из-под лекарств.

Диаметр колпачка должен быть немного больше диаметра аккумулятора. Из тонкой жести вырезают две полоски длиной 35…40 и шириной 4…5 мм и припаивают к ним по отрезку многожильного монтажного провода в изоляции. Затем нагретой полоской прокалывают насквозь колпачок в его нижней части. После остывания полоска оказывается надежно закрепленной в колпачке. Далее кладут на полоску аккумулятор, прокалывают над ним колпачок второй разогретой полоской, прижимают ее с силой к аккумулятору и удерживают в таком положении до остывания полоски. Держатель приклеивают к плате.

Чтобы разместить детали прибора внутри сравнительно небольшого корпуса, используют два уровня — основание и полку (рис. 10). На основании размещают сетевой трансформатор, плату генераторов 3Ч и импульсного, а также плату блока питания — ее ставят на стойки высотой примерно 15 мм от основания.

К основанию снизу прикрепляют две деревянные планки сечением 15×15 мм и длиной по 140 мм — они заменяют ножки корпуса.

На полке размещают платы генератора развертки и усилителя.

Чтобы осциллографом было удобнее пользоваться, перед экраном ЭЛТ устанавливают прозрачную шкалу с масштабной сеткой. Ее изготавливают из органического стекла толщиной 1.5…2 мм по внутренним размерам рамки с таким расчетом, чтобы она вставлялась в рамку с определенным усилием. Заостренным предметом, например толстой иглой, на шкалу наносят 10 горизонтальных рисок на равном расстоянии друг от друга. Чтобы избежать параллакса, такие же риски наносят на противоположной стороне. В риски втирают пасту черного цвета от шариковой авторучки.

И еще одно самодельное приспособление — шкала омметра (рис. 11), изготовленная из плотной бумаги. Ее прижимают гайкой переменного резистора R46 к лицевой панели. На время градуировки омметра устанавливают такую же «черновую» шкалу, наносят на нее значения сопротивлений «эталонных» резисторов, а затем переносят их на основную шкалу.

Соединения между платами и деталями выполняют многожильным монтажным проводом в изоляции. Поскольку приобрести панельку для ЭЛТ сложно, вместо нее изготавливают из медной фольги 11 контактов. К каждому контакту припаивают тонкий монтажный провод соответствующей длины. Пока контакт нагрет, на него натягивают поливинилхлоридную трубку длиной около 25 мм. Контакт должен надеваться на ножку-вывод с усилием.

Прежде чем приступить к налаживанию, следует тщательно проверить монтаж и прочность всех соединений. Затем, не включая прибор в сеть, устанавливают подстроечными резисторами R41 — R43 пределы измерения вольтметра, подавая на его входные гнезда соответствующее предельное напряжение и контролируя его «образцовым» вольтметром. На пределе «1000 В» достаточно подать, скажем, 200 В и резистором R41 установить стрелку индикатора на соответствующее деление шкалы. Замкнув после этого гнезда Х9 и Х10. устанавливают переменным резистором R36 стрелку индикатора на конечное деление шкалы.

Теперь пробником можно проверить высоковольтные и низковольтные цепи питания — нет ли в них замыканий. Только после этого можно включить лабораторию в сеть и измерить напряжение между верхним по схеме выводом конденсатора С16 и общим проводом. Причем нужно соблюдать особую осторожность и требования техники безопасности, поскольку напряжение достигает нескольких сотен вольт! Проверяют также напряжение между анодом стабилитрона VD1 и общим проводом, и между плюсовым выводом конденсатора С18 и общим проводом. Если напряжения соответствуют указанным на схеме, приступают к проверке и налаживанию осциллографа.

Переключатель SA1 переводят в положение «Усилитель», SA3 — в положение «Разв.», движок резистора R13 устанавливают примерно в среднее положение, а резистора R20 — в нижнее по схеме. При повороте движков резисторов R9 «Яркость» и R8 «Фокус» на экране ЭЛТ должна появиться линия развертки. Проверяют действие регуляторов «Смещение X» (R5) и «Смещение У» (R1) — при повороте их движков линия должна перемещаться влево-вправо и вверх-вниз. Линия развертки должна сохраниться и при установке переключателя SA1 в положение «Пластины».

Может случиться, что вместо линии на экране будет точка. Тогда повторно проверяют монтаж генератора развертки. Если неполадки не обнаружены, проверяют каскад на транзисторе VT1. Для этого отсоединяют от генератора левый по схеме вывод конденсатора С7 и подключают вместо него проводник, соединенный с гнездом Х5, а переключатель SA3 переводят в положение «Вх. X». Конечно, на период всех перепаек и подключений устройство выключают из сети.

Перемещением движка резистора R13 из одного крайнего положения в другое пытаются получить на экране линию развертки. Если при любых положениях движка резистора и переключателя SA2 на экране остается точка либо линия развертки (она должна быть длиной 5… 10 мм) появляется только при крайнем правом по схеме положении движка, заменяют транзистор VT1.

Когда каскад начнет работать, восстанавливают соединение конденсатора С7 и устанавливают переключатель SA3 в положение «Разв.». При отсутствии линии развертки проверяют монтаж и исправность деталей каскада на транзисторе VT2.

Проверить усилитель вертикального отклонения несложно с помощью генератора 3Ч (он, как правило, начинает работать сразу). Гнездо Х2 соединяют коротким проводником с гнездом Х11, подают питание на генератор выключателем SA7, движок резистора R51 переводят в верхнее по схеме положение, переключатель SA1 переводят в положение «Усилитель», резистором R20 устанавливают такое усиление, чтобы изображение «картинки» из хаотически перемещающихся линий заняло весь экран. Затем регуляторами «Частота плавно» и «Синхронизация» добиваются неподвижного изображения нескольких синусоидальных колебаний при обоих положениях переключателя SA2.

На нижнечастотном диапазоне генератора (подвижный контакт переключателя SA2 в правом по схеме положении) могут наблюдаться более сжатые синусоиды в левой части изображения по сравнению с правой — результат нелинейности развертки. Конечно, немного уменьшить нелинейность можно более точным подбором резисторов R14. R16 — R18, но в большинстве случаев делать это не обязательно.

Действие регулятора «Усил. У2″ проверяют так. Соединяют коротким проводником гнезда Х4 и XI2, переводят переключатель SA3 в положение «Вх. X», а переключатель SA5 — «Ом». На экране должна появиться вертикальная линия, длину которой можно изменять переменными резисторами R25 и R46. Налаживание и проверку осциллографа на этом заканчивают.

Теперь с помощью осциллографа можно проверить форму сигнала генератора 3Ч, соединив гнезда Х4 и Х11. Более правильную форму синусоиды удастся получить подбором резистора R50.

Аналогично проверяют форму прямоугольных колебаний генератора импульсов, соединив гнезда Х4 и Х13. Если пожелаете, симметрию «меандра» можно уточнить подбором резисторов R53 — R55.

Заключительный этап налаживания лаборатории — градуировка омметра. Соединяют проводником гнезда Х4 и XI2. переключатель SA1 устанавливают в положение «Усилитель», SA3 — «Вх. X». SA5 — «Ом», SA6 — в нижнее по схеме. На лицевую панель крепят «черновую» шкалу, на выступающий вал резистора надевают ручку-»клювик» с тонкой риской. В гнезда X14, X15 вставляют вилки, соединенные монтажными проводами с зажимами «крокодил». Подбирают резисторы с точным или возможно близким сопротивлением 50,100,200 и т. д. до 40000 Ом. Подключая «крокодилы» поочередно к каждому резистору, добиваются резистором R46 баланса моста — по наименьшей длине вертикальной линии на экране ЭЛТ. На шкале против риски «клювика» отмечают значение сопротивления. Аналогично градуируют омметр на втором поддиапазоне (SA6 — в верхнем по схеме положении), запасаясь резисторами соответствующих сопротивлений, после чего переносят градуировку на «чистовую» шкалу.

И последнее. При работе осциллографа ЭЛТ разогревается. Чтобы ее тепло не влияло на режим транзисторов близлежащих узлов, на трубку желательно надеть цилиндр, изготовленный из картона.

Автор: А.Пилтакян, г.Москва