Come utilizzare un oscilloscopio per risolvere i problemi elettronici

Punti chiave

• Gli oscilloscopi sono strumenti essenziali per la risoluzione dei problemi relativi ai componenti elettronici rotti. Analizzano i segnali elettrici e possono aiutare a determinare cosa c'è che non va nei circuiti.
• Gli oscilloscopi sono disponibili in varie forme e prezzi. Per i principianti e gli hobbisti, un'opzione più economica come il DSO 138 può fornire risultati rispettabili. Sono disponibili anche opzioni di seconda mano.
• La calibrazione di un oscilloscopio è fondamentale per ottenere risultati accurati. È importante impostare la soglia e utilizzare sonde adeguate. Esaminando i segnali con un oscilloscopio, è possibile individuare e diagnosticare i guasti elettrici in modo efficace.

L'oscilloscopio è uno degli strumenti più potenti per aspiranti inventori, ingegneri o hobbisti elettrici. Se stai risolvendo i problemi dei circuiti che hai costruito, è essenziale. Ma esattamente come si risolve il problema dei componenti elettronici rotti utilizzando un oscilloscopio?

A cosa servono gli oscilloscopi e quanto è necessario spendere?

Hai un dispositivo elettrico che non funziona. Potrebbe essere un laptop malato, un sintetizzatore che hai preso da un mercatino delle pulci locale o un progetto breadboarding fai-da-te. Dal momento che non è possibile vedere l'elettricità, capire cosa sta andando storto richiederà un ragionamento deduttivo e gli strumenti giusti. Tra gli strumenti più essenziali c'è l'oscilloscopio.

Un oscilloscopio è un dispositivo per analizzare i segnali elettrici. La parola potrebbe evocare l'immagine di un grande blocco bianco appoggiato su una scrivania da laboratorio, ma la realtà è che gli oscilloscopi sono disponibili in molte forme. Per un oscilloscopio di fascia alta, puoi aspettarti di pagare migliaia di dollari. Poche centinaia di dollari possono offrirti risultati di tutto rispetto per hobbisti, studenti e startup, soprattutto se sei disposto a usare l'usato.

Tuttavia, puoi iniziare a buon mercato. Abbiamo raggiunto il popolare DSO 138 di JYE Tech. Questo è stato ampiamente clonato e sostituito dal DSO 138mini, ma rimane un'opzione di oscilloscopio ideale per i principianti e per coloro che cercano un'opzione portatile.

Una parola sulle tensioni dell'oscilloscopio

Il DSO 138 è progettato per misurare fino a 50 volt. Sebbene alcuni oscilloscopi siano in grado di gestire più di questo, ogni oscilloscopio ha i suoi limiti. Supera questi limiti e rischi di distruggere il dispositivo. Ma non tutto è perduto perché potete proteggere il cannocchiale con l'aiuto di una sonda attenuatrice. Una sonda x10 ridurrà la tensione in ingresso del 90%, permettendoci di lavorare con segnali di tensione più elevati.

Naturalmente, dovrai prendere tutte le precauzioni possibili quando hai a che fare con tensioni elevate. Per questo motivo limitiamoci al materiale a bassa tensione.

Iniziare

Il DSO 138 viene fornito con un paio di clip a coccodrillo. Se vuoi essere preciso nella tua indagine, investire in una vera sonda è probabilmente una buona idea, una che sia sufficientemente appuntita da fissarsi su un singolo punto su un circuito. Ciò ridurrà il rischio che si formi accidentalmente un corto.

Se stai esaminando i segnali audio, potresti cercare un adattatore per convertire un cavo TS (o TRS) in BNC (O SMA) presa sul telescopio. Per semplicità, utilizzeremo le clip a coccodrillo.

Calibrazione dell'oscilloscopio e impostazione della soglia

Ottenere risultati utili dal tuo oscilloscopio significa calibrarlo. Questo processo ci consentirà di compensare la resistenza e la capacità intrinseche delle sonde. Ciò è particolarmente importante se si verificano notevoli sbalzi di temperatura.

Collegare la sonda al segnale di riferimento, spesso presente sul pannello frontale. Nel caso del DSO 138 è in alto. Le sonde sono dotate di un condensatore regolabile che deve essere regolato per rendere l'onda di prova un quadrato perfetto. Questi possono spesso essere sintonizzati con l'aiuto di un piccolo cacciavite. Il DSO 138 fornisce controlli di sintonizzazione sul circuito stesso.

Se vuoi vedere una forma d'onda, avrai bisogno che il display si aggiorni ogni volta che un fronte di salita supera una certa soglia. Impostarlo a metà strada tra le tensioni di picco superiore e inferiore. Abbiamo impostato l'aggiornamento dell'oscilloscopio ogni volta che viene rilevato un fronte di salita. In questo modo eliminiamo l'ambiguità e otteniamo un'immagine chiara e stabile della forma d'onda.

Come esaminare i segnali con l'oscilloscopio

Esaminiamo alcuni segnali. Usare il telefono e un cavo mini jack-jack è il modo più semplice e veloce. Attaccare le clip a coccodrillo all'altra estremità della presa jack. La grande striscia attorno al fondo è il terreno, e le altre due sono sinistra e destra. Quindi, puoi allegare le clip in questo modo:

Ora abbiamo bisogno di una forma d'onda. YouTube è ricco di clip di prova appropriate. Scegline uno, riproducilo e osserva il display. Qui, stiamo guardando un'onda sinusoidale.

Potrebbe essere necessario spostare leggermente le cose per centrare la forma d'onda. Acquisisci familiarità con i controlli giocando con essi. Ingrandisci la forma d'onda, modifica il livello di trigger e regola la temporizzazione. Non c'è niente che possa sostituire l'esperienza pratica!

Risoluzione dei problemi pratici con un oscilloscopio

Quindi, ora che hai dimestichezza con l'oscilloscopio, è il momento di risolvere alcuni problemi.

Abbiamo già guardato creando un segnale PWM con un Raspberry Pie questo è un buon punto di partenza. Diamo un'occhiata a ciò che RPi sta effettivamente emettendo.

PWM

Collega la clip di terra al suolo e sonda il punto in cui ti aspetti che appaia il segnale. In questo caso, è il pin PWM. Ora possiamo eseguire del codice. Il segnale PWM dovrebbe apparire sull'oscilloscopio. Possiamo misurare il ciclo di lavoro e garantire che corrisponda alle nostre aspettative. Il PWM del software non è particolarmente stabile, soprattutto se il dispositivo esegue altre attività contemporaneamente. Il nostro utilizzo del PWM hardware qui produce risultati coerenti e chiari:

Naturalmente, ciò non significa che il PWM hardware sia una necessità. Spesso potresti migliorare i tuoi risultati semplicemente diminuendo il carico di lavoro sul dispositivo che esegue il programma. Se non vedi alcuna forma d'onda, ciò potrebbe indicare che il ciclo di lavoro è impostato su 0% o 100%. Controlla questa possibilità prima di andare oltre!

Trasmissione dati

I circuiti moderni spesso si basano su segnali che non sono periodici ma una tantum. Un dispositivo invia un comando a un altro ma non si ripete. Muovi il mouse e invierai al tuo computer una serie di comandi che indicano di quanto hai spostato il mouse.

Per acquisire questi segnali, dovremo utilizzare la funzionalità una tantum del nostro ambito. Qui, la forma d'onda si fermerà sul posto quando viene superato il livello di soglia. Quindi, saremo in grado di vedere esattamente in che forma sono questi bit e se saranno comprensibili al dispositivo ricevente.

In questo caso, abbiamo campionato un segnale MIDI in ingresso da un controller per batteria AKAI:

In questo esempio, i dispositivi MIDI possono dare un senso anche ai segnali rumorosi. Ma da allora i cavi qui sono sbilanciati, potresti avere problemi se superano una certa lunghezza. Quindi, ad esempio, se fai passare il cavo attraverso un intero edificio, ti troverai nei guai. Oppure il cavo stesso potrebbe essere difettoso dopo essere stato investito troppe volte con una sedia da ufficio.

È qui che entra in gioco la risoluzione deduttiva dei problemi! Individua il problema controllando prima un cavo diverso e poi un dispositivo MIDI diverso.

Due segnali?

Uno dei limiti del DSO 138 è che consente un solo ingresso.

Oscilloscopi più avanzati potrebbero permetterci di esaminare due segnali contemporaneamente. Pertanto, potresti sovrapporre i dati inviati tramite SPI (o I2C) con il segnale di clock corrispondente. Ciò potrebbe rivelare che i due segnali sono disallineati o distorti. Ciò produrrà dati confusi. Picchi, rumore, bordi arrotondati: tutto questo può causare problemi.

In molti casi, questi problemi potrebbero essere corretti aggiungendo un resistore pull-up (o pull-down) qua o là. Oppure potremmo aver bisogno di uno o due condensatori per livellare le tensioni di alimentazione. Potrebbe anche essere necessario modificare il codice per compensare i problemi di temporizzazione.

Qualunque sia la soluzione, non sarai in grado di iniziare finché non dai un'occhiata alle due forme d'onda affiancate, perfette per il tuo oscilloscopio.

Gli oscilloscopi sono eccellenti per la diagnosi di guasti elettrici

Una volta che inizi a costruire, modificare o riparare circuiti complessi, incontrerai inevitabilmente problemi che solo un oscilloscopio può diagnosticare. Avendo ottenuto un quadro chiaro dei segnali che desideri modellare, sarai in grado di risolvere i problemi in modo molto più efficace.