Nejrůznější softwarové balíčky umožňují využít stereofonní zvukové karty dnešních osobních počítačů (PC) na pozici zobrazovacího nástroje osciloskopického typu – jen přitom musíme počítat s tím, že použité A/D převodníky (ADC) s nízkou vzorkovací rychlostí a vysokým rozlišením a také střídavě navázané struktury front – endu budou optimalizovány pro využitelnou šířku pásma (audio oblast) 20 kHz nebo ještě méně. Pro opakující se průběhy však můžeme takto omezenou šířku pásma dále rozšířit a to vhodným předřazením vzorkovacího front – endu před vstupy zvukové karty. Tzv. subsampling vstupního signálu s vysokorychlostním zesilovačem typu SHA (sample-and-hold amplifier), následovaný dolnopropustným filtrem pro rekonstrukci a „vyhlazení“ průběhu, v podstatě protáhne časovou osu a umožní tak počítači vystupovat jako vysokorychlostní vzorkovací osciloskop. Tento článek proto dále popíše vhodný front – end spolu se sondou pro odpovídající adaptaci.

 

Na obr. 1 vidíme schéma zapojení přídavného modulu, se kterým lze ve spojení s typickými zvukovými kartami počítače realizovat vzorkovací funkci. Základem každého kanálu osciloskopu se zde stává jeden vysokorychlostní zesilovač typu SHA, AD783. Vzorkovací signál zesilovači dodává číslicový výstup bloku děličky hodinového signálu; jeden takový příklad bude ještě popsán níže. Vstup AD783 je oddělen FETem, takže lze využít jednoduchého navázání střídavého (AC) nebo stejnosměrného (DC) vstupu. Rezistory R1 a R3 o velikosti 1 MΩ, osazené na dvou zobrazených kanálech, zajišťují stejnosměrné pracovní poměry pro případ rozpojeného jumperu DC vazby, tj. střídavě navázaného vstupu. Výstup je pak dolnopropustně filtrován aktivní RC sítí se dvěma póly. Filtr nemusí být za každou cenu aktivní, nicméně takové řešení s výhodou nabídne oddělení (nízká impedance) při buzení vstupu zvukové karty počítače.

 

 

 

 

 

SHA AD783 nabízí využitelnou šířku pásma pro velké signály až do několika MHz. Efektivní rychlost přeběhu na vstupu pak přesahuje 100 V/µs. Vstupní / výstupní rozkmit při napájení ±5 V dosahuje přinejmenším ±3 V. Šířka pásma malých signálů pro pokles o 3 dB a rozkmity do 500 mVp-p je téměř 50 MHz.

 

Sejmutý průběh na obr. 2 dokládá 2 MHz sinusový průběh (single-cycle), opakující se na 1 MHz. Využili jsme přitom zapojení front – endu z obr. 1 a počítačovou zvukovou kartu se softwarem Visual Analyser [1]. Takt zde podporuje vzorkovací pulsy široké 250 ns se vzorkovací rychlostí 80,321 kHz. Dostáváme tak efektivní, horizontální časovou základnu 333 ns/dílek. Počítačová zvuková karta, zapojená v těchto příkladech, používá kodek SoundMax® od Analog Devices, vzorkující na 96 kSPS. Efektivní vzorkovací rychlost se v tomto příkladu pohybuje okolo 40 MSPS.

 

 

Další sejmutý průběh odráží sinusový puls (Gaussian), opakující se na 1 MHz – viz obr. 3. Opět zde máme co do činění se vzorkovací rychlostí (hodiny) na 80,321 kHz a šířkou pulsů 250 ns.

 

 

Zesilovač AD783 si žádá kladný, úzký vzorkovací puls o šířce mezi 150 a 250 ns. Takový puls navíc musí být velmi stabilní a s malým jitterem. Jedině tak totiž dosáhneme pevného zobrazení zkoumaného průběhu bez nežádoucích „přeskoků“. Zmíněné požadavky pak často vedou k omezení zdroje nezbytného taktu na skupinu krystalových oscilátorů. Další požadavek pak spočívá v nastavitelnosti či přeladitelnosti vzorkovací rychlosti v rámci rozsahu od něco málo méně než 100 kHz až do cca 500 kHz. Ladicí kroky mezi jednotlivými vzorkovacími kmitočty by měly být dostatečně jemné, aby tak signály při procesu downsamplingu „spadly“ někam do audio pásma zvukové karty, tj. do oblasti od 20 Hz až 20 kHz. Obvod děličky číslem N, třeba jako ten zachycený na obr. 4, spolu s krystalovým oscilátorem o kmitočtu mezi 10 MHz a 20 MHz (IC4) může zajistit až 200 nebo i více různých vzorkovacích rychlostí, a to od 80 kHz až do 350 kHz s krokem 300 Hz až 5 kHz. V našem příkladu využijeme dva 4bitové binární čítače vpřed / vzad s označením 74HC191, přičemž N bude jakékoli celé číslo (Integer) mezi 4 a 256. Případně lze využít i dekadických čítačů typu 74HC190 s identickým rozmístěním vývodů jako 74HC191 a možností N v rozsahu od 4 do 100. Dělicí poměr je nastaven dvěma hex spínači S1 a S2. Spínačem S3 definujeme směr čítání, tj. vpřed či vzad. Rezistor R1 (250 Ω) a kondenzátor C1 (68 pF) vnáší nepatrné zpoždění výstupu před asynchronním natažením spouštěcích hodnot. Čtyři hradla NAND obvodu 74HC00 slouží k realizaci funkce one shot, tj. vzorkovacímu pulsu v délce 200 ns, bude - li R12 rovno 2,7 kΩ a C2 pak 68 pF.

 

 

 

 

 

IC4 vystupuje jako krystalový oscilátor s pevným kmitočtem a v kovovém provedení pouzdra. Nesmíme pochopitelně zapomenout ani na invertory CMOS (74HC04) spolu s diskrétním krystalem X1, se kterým realizujeme celý oscilátor, přesně jak to vidíme na obr. 5. Takovým způsobem, zatímco použijeme o něco více součástek než jen kovový oscilátor typu „vše v jednom“, umožníme jemné doladění kmitočtu kondenzátorem C1.

 

 

Abychom předešli změnám, způsobeným mechanickými vlivy, osadíme zde speciální diodu D1 – varaktor s napěťově závislou velikostí kapacity (viz obr. 6).

 

 

Dokončení příště.