Осциллограф на двух радиолампах

ЦАП

C точ­ки зре­ния соот­ношения цена/быс­тро­дей­ствие луч­шее решение — R-2R ЦАП. Пер­воначаль­но я пла­ниро­вал исполь­зовать Blue Pill как источник сиг­нала, и в этом слу­чае мож­но задей­ство­вать целый порт сра­зу на 2 ЦАПа (каналы X и Y). Одна­ко, ори­енти­руясь на дан­ный про­ект, я решил при­менить сдви­говые регис­тры 74HC59. В пла­не быс­тро­дей­ствия мы ничего не теря­ем, так как GPIO в stm32f103 работа­ют с час­тотой око­ло 2 МГц, и то при пря­мой записи в регис­тры, через обер­тки получа­ется нес­коль­ко мед­леннее. А вот шина SPI недур­но работа­ет на час­тоте 32 МГц, и ито­ге для двух 8-бит­ных каналов получа­ем 2 мегасем­пла в секун­ду, при этом ЦАП мож­но исполь­зовать незави­симо с дру­гими источни­ками сиг­нала. А кро­ме того, ЦАП на 74HC595 выда­ет сиг­нал до 5 В, что, учи­тывая низ­кую чувс­тви­тель­ность труб­ки, нам толь­ко на руку.

Схе­ма ЦАПа

Сна­чала, конеч­но, схем­ка была поп­роще, в ней при­сутс­тво­вали толь­ко сдви­говые регис­тры. Мик­рокон­трол­лер писал в SPI два бай­та, а потом дер­гал нож­ку RCLK, и все было хорошо, все работа­ло. Потом мне захоте­лось выводить мас­сивы поболь­ше, которые не помеща­лись в память кон­трол­лера, и тут было два вари­анта: при­ладить к кон­трол­леру флеш­ку или под­клю­чить к ком­пу через USB/SPI. Я выб­рал вто­рой вари­ант, а в качес­тве USB/SPI исполь­зовал FT232H.

Это самый быс­трый USB/SPI из мне извес­тных, а кро­ме того, его мож­но при­обрести в виде готово­го модуля за тер­пимые день­ги (ну, некото­рое вре­мя назад так и было). Одна­ко у FT232H есть та же проб­лема, что и у кон­трол­лера SPI: порт работа­ет быс­тро, а GPIO мед­ленно, при­чем гораз­до мед­леннее, чем в кон­трол­лере, поэто­му дер­гать нож­ку регис­тра на каж­дые два бай­та неразум­но. Приш­лось малой кровью допилить недоSPI 74HC595 до «поч­ти SPI». Идея дос­таточ­но прос­та: надо счи­тать так­товые импуль­сы и каж­дый 16-й дер­гать RCLK. Для это­го соб­ран делитель на 16 на четырех D-триг­герах. А что­бы знать, отку­да счи­тать импуль­сы, по сиг­налу CS про­исхо­дит уста­нов­ка триг­геров, что сра­баты­вает как син­хро­низа­ция.

Ко­неч­но, делитель про­ще было соб­рать на 74HC4040, но это как‑нибудь в дру­гой раз. Так или ина­че, мы получи­ли ЦАП, спо­соб­ный выдавать до 2 мегасем­плов в секун­ду, при­чем его ско­ростью мож­но управлять, меняя ско­рость шины SPI. О резис­торах мож­но ска­зать, что исполь­зовать резис­торы одно­го номина­ла удоб­но: получа­ешь пра­виль­ное соот­ношение соп­ротив­лений 1/2. В прин­ципе, мож­но сэконо­мить и исполь­зовать резис­торы 5К1 и 10К. Нем­ного пос­тра­дает линей­ность, что на глаз поч­ти незамет­но, впро­чем, эко­номия копе­ечная и того не сто­ит.

Внеш­ний вид соб­ранно­го DAC 

Электронно-лучевая трубка

Элек­трон­но‑лучевые труб­ки, пожалуй, самые слож­ные ради­олам­пы в пла­не устрой­ства и управле­ния. Пред­назна­чены они, как нес­ложно догадать­ся, для вывода изоб­ражения. Здесь и далее мы будем говорить толь­ко об осциллог­рафичес­ких труб­ках с элек­трос­татичес­кой фокуси­ров­кой и элек­трос­татичес­ким откло­нени­ем.

Элек­трон­но‑лучевая труб­ка

Как все‑таки работа­ет такая лам­па? Элек­тро­ны испуска­ются катодом, пос­ле чего про­ходят через сис­тему фокуси­ров­ки, которая в прос­тей­шем слу­чае сос­тоит из трех элек­тро­дов, как на рисун­ке выше. Пер­вый элек­трод управля­ет яркостью, вто­рой фокуси­ров­кой, а тре­тий, уско­ряющий, отве­чает за астигма­тизм. Пос­ле это­го пучок про­лета­ет через две пары откло­няющих элек­тро­дов, отве­чающих за горизон­таль­ное и вер­тикаль­ное откло­нение.

За­тем элек­тро­ны долета­ют до слоя люмино­фора и зас­тавля­ют его све­тить­ся. Если фокуси­ров­ка нас­тро­ена, то на экра­не горит точ­ка, положе­ние которой опре­деля­ется нап­ряжени­ем на откло­няющих элек­тро­дах. Изме­няя это нап­ряжение, мы можем выводить изоб­ражение. Но это все общие сло­ва, теперь перей­дем к кон­кре­тике, о которой обыч­но не пишут, раз­ве что на темати­чес­ких форумах.

Питание и обвязка трубки

Пе­ред тем как изоб­ретать свой велоси­пед, неп­лохо бы озна­комить­ся с уже изоб­ретен­ными вари­анта­ми. По уму, конеч­но, сто­ило бы соб­рать для анод­ного нап­ряжения импуль­сник со ста­били­заци­ей. Но пос­коль­ку для накала нуж­но 6,3 В, а в осциллог­рафичес­ких труб­ках боль­шая часть высоко­го нап­ряжения пода­ется на катод, то есть потен­циал катода око­ло –900 В, источник питания накала дол­жен быть надеж­но изо­лиро­ван от мас­сы. Про­ще все­го про­вер­нуть этот финт, исполь­зуя накаль­ную обмотку.

А раз уж нуж­на накаль­ная обмотка, зна­чит, тран­сфор­матор будет содер­жать и анод­ную обмотку, поэто­му высокое нап­ряжение мож­но получить умно­жите­лем. Как говорит­ся, 1000 В — это все­го лишь три раза по 330 В. Поэто­му, вдох­новив­шись про­ектом прос­того осциллог­рафа на 6ЛО1И, я раз­работал свою схе­му, в которой от исходной остался толь­ко кон­цепт.

warning

Раз­ность потен­циалов меж­ду положи­тель­ным и отри­цатель­ным пле­чами источни­ка питания пре­выша­ет 1000 В! Удар таким нап­ряжени­ем смер­тель­но опа­сен, а кро­ме того, это очень боль­но. Поэто­му будь край­не вни­мате­лен и осто­рожен! А если нет опы­та в работе с высоким нап­ряжени­ем, воз­можно, луч­ше и не свя­зывать­ся с этим бло­ком питания. Я пре­дуп­редил.

Схе­ма бло­ка питания и обвязки 6ЛО1И

Ос­новой бло­ка питания слу­жит 30-ват­тный торо­идаль­ный тран­сфор­матор с дву­мя обмотка­ми, накаль­ной и анод­ной. Анод­ная обмотка выда­ет 235 В, которые пос­тупа­ют на вып­рямитель и ум­ножитель. Вып­рямитель при­менен одно­полу­пери­одный, так как он хорошо сочета­ется с умно­жите­лем, а токи пот­ребле­ния схе­мы око­ло 0,5 мА. На выходе вып­рямите­ля получа­ем око­ло +330 В. На выходе умно­жите­ля име­ем, соот­ветс­твен­но, око­ло –660 В, что в сум­ме дает нам 1000 В — впол­не дос­таточ­ное нап­ряжение для работы труб­ки.

Об­рати вни­мание на резис­торы, шун­тиру­ющие кон­денса­торы вып­рямите­ля и умно­жите­ля: они могут сущес­твен­но прод­лить твою жизнь, пос­коль­ку кон­денса­торы — шту­ка ковар­ная (см. пре­дуп­режде­ние). Вооб­ще говоря, нес­мотря на пас­пор­тное анод­ное нап­ряжение 1200 В, 6ЛО1И работа­ет и от 1000 В, и даже от 500 В. При этом повыша­ется чувс­тви­тель­ность откло­няющей сис­темы и сни­жает­ся яркость све­чения.

При 1000 В яркость впол­не при­лич­ная. Обвязка самой 6ЛО1И впол­не стан­дар­тная, как и в упо­мяну­том выше про­екте. Сто­ит так­же обра­тить вни­мание, что к обще­му про­воду под­клю­чен не выход вып­рямите­ля, а сред­няя точ­ка делите­ля на резис­торах R5/R6. Это нуж­но, что­бы при­под­нять нап­ряжение на откло­няющих элек­тро­дах при исполь­зовании окон­чатель­ного вари­анта виде­оуси­лите­ля.

Де­ло в том, что нап­ряжение на вто­ром ано­де (астигма­тизм) дол­жно быть чуть ниже, чем на откло­няющих элек­тро­дах. Если нап­ряжение на них низ­ковато, то и на вто­ром ано­де его при­дет­ся занижать, в резуль­тате пада­ет яркость, исполь­зование же делите­ля поз­воля­ет обой­ти эту проб­лему. Да, нас­трой­ки яркости, фокуса и астигма­тиз­ма вли­яют друг на дру­га. Если вклю­чить устрой­ство на этом эта­пе, пос­ле прог­рева на экра­не появит­ся точ­ка, которую мож­но сфо­куси­ровать. Сиг­нал пода­ется на откло­няющие плас­тины, выводы 10, 11 опре­деля­ют откло­нение по оси Y, выводы 7, 8 — откло­нение по оси X. Теперь перей­дем к виде­оуси­лите­лю.

6ЛО1И с бло­ком питания и обвязкой