Осциллограф на базе компьютера в автодиагностике.

Осциллограф на базе компьютера в автодиагностике.

В автодиагностике очень часто возникает потребность в наблюдении различных сигналов, т.к. фиксации простого наличия переменного напряжения недостаточно — важно удостовериться в правильности его характеристик: форма, амплитуда, временные интервалы и т.п. Вкупе с программой ведущей обмен с автомобильным контроллером по k-line осциллограф становится мощнейшим оружием диагноста инжекторных двигателей. Отмечу что осциллограф полезен и вне связки с диагностикой инжекторов, т.к. давно и успешно применяется для выявления неисправностей карбюраторных двигателей. Можно для этой цели использовать и обычный осциллограф, многие так и поступают. В моей же ситуации, мне показался более привлекательным путь программного осциллографа на базе звуковой карты с соответствующим программным обеспечением.

Мотивы следующие:
— низкие стоимостные затраты для достижения конечной цели, при условии что компьютер уже используется для диагностики. Звуковые карты продаются по бросовым ценам, а их возможностей вполне хватает. Достаточна звуковая карта с ТТХ: 16 бит, 48 кГц. Например Vibra128 на шине PCI, такая как на фото; наличие очень качественного (и при этом бесплатного) ПО осциллографа как в режиме реального времени, так и в режиме самописца. К примеру, программа Powergraph v2.1 дает такую возможность сохранения и анализа всего периода осциллографической съемки (тем более — получение обыкновенного стоп-кадра), которую вы найдете далеко не у каждого специализированного мотортестера. Воспроизведение «кинофильма» и неспешный анализ записанного является просто кладом для диагноста, потому что имеет преимущество перед осциллографом реального времени при отлавливании ускользающих (intermittent) дефектов;

— высокая помехозащищенность и скорость системной шины персонального компьютера (PCI), что позволяет получить чистый сигнал и отсутствие самовозбуждения даже при измерении вторичного напряжения системы зажигания, что труднодостижимо для осциллографов работающих через внешние порты (USB, COM, LPT), труднодостижимо за те же деньги.

— низкие системные требования к персональному компьютеру. Я лично наблюдал работу Powergraph со звуковой картой ISA на 486-м компьютере. Правда, тормозила программа при этом весьма заметно, но самописец работал — это факт. Для комфортной работы с осциллографом на звуковой карте с избытком хватает P2 (333МГц), в то время как для USB- осциллографа требуется, как минимум, P3 , и не просто — а старшей линейки (не менее 1ГГц);

— диагональ даже 14″ монитора все-таки поболее будет чем экран самого крутого осциллографа;

— простота использования: луч никуда не убегает, не надо его фокусировать и т.д.;

— не надо занимать рабочее пространство мастерской еще одним громоздким девайсом;

— все сигналы извергаемые автомобилем укладываются в диапазон звуковых частот (16 — 20000Гц) и незачем переплачивать за крутейшую мегагерцовую надпись на фронтоне осциллографа. Разрядности 16-битной карты тоже хватает, кому не хватит — купите 24-битную с дискретизацией 96кГц, т.к. бесплатный софт поддерживает и их.

Подключить стандартную звуковую карту к измеряемым сигналам можно по варианту А.Попова:

Однако, использование стандартной звуковой карты несет в себе некоторое ограничение связанное с её невозможностью измерять постоянное напряжение, что в некоторых случаях ущемляет возможности ремонтника, и во всех случаях является поводом для насмешек со стороны снобов. Этому досадному свойству звуковой карты была объявлена война, которая дала некоторые приобретения. Но есть потери:
1. Звуковую карту нужно доработать. Основным образом доработка заключается в закорачивании входных конденсаторов;
2. Доработанная по п.1 способом звуковая карта отказывается корректно работать со схемой на делителях приведенной выше, т.е. что-то она все-таки показывает, но не во всех измерениях и откалибровать по-прежнему невозможно. Для обхода этого недоразумения потребовалось существенно усложнить схему сопряжения с измеряемым сигналом. Идея подсмотрена здесь: Sound card based multimeter;
3. Некоторые звуковые карты не сдаются. Причем, чем она современнее и навороченнее, тем меньше шансов увидеть постоянку. Убедился в этом загубив несколько карт.

А из-за чего, собственно, такие жертвы? Что такого дает нам возможность видеть постоянку? Например, при наблюдении сигналов зажигания разница некритична, т.к. основные параметры зажигания — длительность искры и остаточные колебания отображаются правдиво, и все это довольно хорошо видно и на стандартной звуковухе, что не удивляет, т.к. сигнал зажигания — быстрый. Обратимся к практике.

Управляющие импульсы на модуль зажигания и вторичка зажигания ВАЗ-2112. Норма.

Стандартная звуковая карта с делителем. По вертикальной шкале условные единицы. Доработанная звуковая карта через спецадаптер. По вертикальной шкале вольты верхнего канала. Вторичка при неисправности одной из катушек модуля зажигания (искра присутствует, но с потерей мощности).

Как видно, различия в столбцах слева и справа носят скорее эстетический характер — неисправный МЗ отлавливается на обоих типах карт по отсутствию затухающих колебаний.
Но, обратите внимание, что импульс управления в левом столбце имеет противный уплыв на горизонтальном участке обусловленный закрытостью входа стандартной звуковухи. Причем чем медленнее будет сигнал, тем сильнее будут искажения (в конце этого замедления — полный аллес, т.е. прямая линия). Сравните сигналы датчика распредвала полученные на картах обоих типов. Насколько это ограничивает возможности диагноста?

Сигнал датчика распредвала 406дв., холостой ход. Стандартная звуковая карта с делителем. По вертикальной шкале условные единицы. Доработанная звуковая карта через спецадаптер. По вертикальной шкале вольты (масштаб 1:10).

Казалось бы, что и тут стандартной звуковой карты вполне достаточно, т.к. она достоверно определяет временные интервалы. Опровергает эту надежду следующий пример: сигнал неисправного датчика распредвала не дотягивал двух вольт до нуля, и по этой причине ЭБУ отказывался учитывать его сигнал при управлении двигателем. На стандартной звуковой карте эту неисправность не отловить, просто пройдем мимо. Это уже серьезнее.

Доработанная звуковая карта через спецадаптер. По вертикальной шкале вольты.

Сигналы датчика распредвала дв. ВАЗ-2111. Справа сигнал неисправного датчика.

И, наконец, сигналы низкой частоты стандартной звуковухе попросту недоступны. А их немало, их даже большинство (кислородник, датчик положения дросселя, дрейф температурного датчика и др.). Из анализа выпадает немало тестов. Например форму скачка сигнала ДМРВ при включении зажигания (что является одной из достоверных характеристик его здоровья) на стандартной звуковухе не увидеть. Итоговое напряжение после завершения переходного процесса можно посмотреть и вольтметром, а сам переход только запоминающим осциллографом, и только тем что способен показывать постоянную составляющую сигнала, т.е. иметь открытый вход.

Сигнал ДМРВ Bosch при включении зажигания. Доработанная звуковая карта через спецадаптер. По вертикальной шкале вольты.

К тому же, возможность видеть постоянку позволяет откалибровать шкалу осциллографа в физических величинах — вольтах, миллиамперах, барах, сантиметрах и т.д. Все зависит от начиненности поста датчиками — преобразователями физических величин. Смотреть осциллограммы еще.

За радостью первых осциллограмм (неважно на каком оборудовании полученных) последует недоумение: «А как их толковать?», и здесь вполне уместна аналогия с медициной. По одной и той же кардиограмме работы сердца врачи с разным опытом сделают разные выводы. От менее опытного ускользнет то что более опытный посчитает важным. Т.е. чтобы лучше читать осциллограммы надо их много читать, и количество обязательно перейдет в качество.

На сегодняшний день трудно представить полноценную диагностику без осциллографа, или его старшего брата — мотортестера. Особенно остро он необходим при диагностировании автомобилей имеющих слаборазвитую самодиагностику зашитую в программу ЭБУ (если она вообще есть). Чем «глупее» ЭБУ, тем больший объем диагностических работ перекладывается на внешнее оборудование. Осциллограф — один из их числа. А если речь идет об иномарке, к ЭБУ которой вы не можете подступиться ввиду отсутствия трехкилобаксового сканера, то без осциллографа совсем плохо.
Распространенный случай на автомобилях даже с продвинутой самодиагностикой — ЭБУ зафиксировал множественные пропуски воспламенения в каком-то цилиндре и отключил его форсунку. Пропуски воспламенения могут быть вызваны массой причин, и необязательно пропусками в зажигании. Но даже и в последнем случае ЭБУ не укажет конкретную причину (свеча? провод? катушка?), а просто вырубит форсунку и все — разбирайтесь сами. А осциллограф укажет. Причем, осциллографом можно выявлять и неисправности не имеющие никакого отношения к системе управления, чем кстати и ограничивается в большинстве случаев родная ЭБУшная самодиагностика. Например, по сигналу ДМРВ работающего на холостом ходу двигателя можно обнаружить отклонение от нормы в ГРМ.

Да мало ли где может пригодиться осциллограф!? И не только в ремонте автомобилей, хотя бы и магнитолу чинить. Использование Powergraph может быть полезным еще и там где необходима длительная регистрация сигнала во времени, что собственно и является прямым назначением программы — самописец.
Не обойтись нам и без наблюдения сигналов в реальном времени. Достаточно щелчком мыши запустить другую программу (при неизменном железе) и самописец превращается в real-time осциллограф. Таким же образом можем получить спектроанализатор и генератор. В предлагаемом в этой статье осциллографе отсутствует какая-либо привязка к конкретному ПО, что делает вас независимым в выборе софта который найдете на просторах интернета в великом множестве.

Комплектация осциллографа изображенного на фотографии:

1. двухканальный адаптер в металлическом корпусе с возможностью калибрования каждого канала. Один из каналов разбит на три калиброванных поддиапазона (1:1, 1:10, 1:100), переключение производится одним тумблером на адаптере. Поддиапазон 1:1 позволяет получить качественный сигнал при просмотре низковольтных величин (кислородник, датчики на основе пьезоэлементов, ДМРВ, токовый датчик, микрофон и др.). Входное сопротивление адаптера не хуже 1мОм на каждый канал. Входные сигнальные гнезда адаптера могут быть выполнены в виде тюльпан-аудио, либо BNC (по желанию заказчика). Для исследователей низковольтных сигналов может быть полезен поддиапазон 2:1, в этом случае он вытесняет из адаптера поддиапазон 1:100 (опция);
2. доработанная звуковая карта (PCI);
3. датчики: емкостной — для отображения вторичного напряжения зажигания с кабелем длиной 3м. Универсальный щуп с кабелем длиной 3м.;
4. диск с несколькими вариантами ПО осциллографа, драйвером прилагаемой звуковой карты и мануалом по установке.

Как собрать осциллограф своими руками — 3 рабочие схемы, советы по монтажу, видео

1. Осциллограф на PIC18F2550
2. Цифровой осциллограф для ПК
3. На AVR — инструкция по сборке, характеристики
4. Видео

Рассмотрим 3 рабочие схемы осциллографов. Первый прибор собран на микроконтроллере PIC18F2550. Второй осциллограф — цифровой, в основе третьего — микроконтроллер AVR. Поговорим о каждом по порядку.

Осциллограф на PIC18F2550 своими руками — схема, инструкция по сборке

Осциллограф на PIC18F2550 измеряет среднее, максимальное, минимальное, пиковое напряжения и пересечение нулевого уровня. Осциллограф имеет встроенную функцию триггера, который может быть использован для остановки сигнала для его детального изучения. Масштаб времени для отображения может быть легко изменён функцией changeTimeDivision.

Осциллограф измеряет напряжение в пределах 0–5В, 0–2.5В и 0–1,25. Основным недостатком этого осциллографа является низкая частота дискретизации (

60 кГц), а также тот факт, что входы ограничены ограничениями АЦП микроконтроллера. Тем не менее, это очень хороший прибор и первым мы рассмотрим именно его схему.

Схема осциллографа на PIC18F2550

Исходники и прошивку можно будет скачать ниже. Теперь давайте детальнее остановимся на каждом блоке схемы.

Напряжение поступает с 9-вольтовой батареи на интегральный стабилизатор напряжения TC1262-5.0V для обеспечения стабильных 5В для питания микроконтроллера и дисплея. На выходе стоит 1мкФ конденсатор.

Графический ЖК дисплей AGM1264F с разрешением 128х64 пикселей оснащен встроенными контроллером KS0108. Он имеет светодиодную подсветку и генератор отрицательного напряжения для управления.

Вывод A0 настроен на аналоговый вход. Обратите внимание, что сопротивление источника сигнала влияет на напряжение смещения на аналоговом входе. Максимально рекомендованное сопротивление составляет 2.5 кОм.

Микроконтроллер PIC18F2550 работает на частоте 48 МГц от внутреннего генератора. R1 представляет собой нагрузочный резистор, необходимый для работы. C1 является стабилизирующим конденсатором. Компонент пометкой «RES» является 20 MHz резонатором.

Выводы USART должны быть подсоединены к RS-232 конвертеру для подключения к ПК для обновления прошивки. После этого он может быть отключен.

Необходимые детали для сборки осциллографа на PIC18F2550 и прошивка

• МК PIC 8-бит (IC1) — PIC18F2550
• Линейный регулятор (IC2) — TC1264, 5 Вольт.
• Конденсатор (С1) — 0.22 мкФ.
• Электролитический конденсатор (С2) — 1 мкФ.
• 2 резистора (R1, R3) — 3.3 кОм и 5 Ом соответственно.
• Подстроечный резистор (R2) — 10 кОм.
• Кварцевый резонатор (RES) — 20 МГц.
• LCD-дисплей — AGM1264F.
• Батарея питания (G1) — 9 В
• 3 разъёма — JP1 для подключения дисплея, JP2 для обновления прошивки (RS-232) и JP3 для входа аналогового сигнала.

Микроконтроллер должен быть прошит файлом «SAC_tinybld18F2550usb _20MHz_115200_48MHz». Его можно скачать ниже.

Видео, как работает осциллограф на PIC18F2550:

Цифровой осциллограф RS232 для ПК

Рассмотрим простое решение для создания цифрового компьютерного осциллографа. Устройство построено на базе восьмиразрядного процессора PIC12F675.

Схема цифрового осциллографа для компьютера

Ниже представлена структурная схема осциллографа:

Процессор работает на частоте 20 МГц. Микроконтроллер непрерывно измеряет входное напряжение, преобразовывает его и отправляет цифровое значение на последовательный порт компьютера. Скорость передачи данных последовательного порта — 115кБит и, как показано на следующем рисунке, данные сканируются и отправляются с частотой около 7,5 кГц (134 мкс).

Вот принципиальная схема самого цифрового осциллографа:

Основа схемы — микроконтроллер PIC12F675 (микросхема U2), который работает с тактовой частотой 20 МГц кристалла Y1. J1 — стандартный разъем для подключения питания в 9–12 В, которое затем стабилизируется на U1 до 5 В для питания процессора.

• Узнайте, как сделать щуп для осциллографа своими руками

После U2 в схему добавляется простой преобразователь TTL уровня с последовательным портом RS232 персонального компьютера. Он построен на базе транзистора BC337 (Q1) и резисторов R1 и R3. Вход 5 микроконтроллера ведет к переключателю S1. В своей основной позиции (1–2) прибор переключается в режим осциллографа постоянного тока (DC измерений), который способен отображать входной сигнал 0–5В. Во второй позиции — в режим осциллографа переменного тока. В этом положении максимальное напряжение — от -2,5 до +2,5 В. Конденсатор С6 подойдет керамический 22000nF, чтобы наблюдать низкие частоты без особых искажений.

При необходимости можно добавить дополнительные входной аттенюатор (сплиттер), или ОУ.

Необходимые радиоэлементы

• Линейный регулятор (U1) — LM78L05.
• МК PIC 8-бит (U2) — PIC12F675 (675-I/P).
• Биполярный транзистор (Q1) — BC337.
• 6 конденсаторов — С1, С2, С5 (3х0.1 мкФ); С3, С4 (2х22 пФ); С6 (22 мкФ)
• 4 резистора — R1, R3 (2х1 кОм) и R2, R4 (2х270 кОм).
• Кварцевый резонатор (Y1) — 20 МГц.
• Переключатель (S1)
• 3 разъема — J1 питания, J2 RS232, J3 входа сигнала.

Программное обеспечение

Для управления на Windows доступна простая программа на Visual Basic. Её можно скачать в архиве ниже.

Программа запускается сразу и ожидает появления данных на последовательном порте COM1. Слева — четыре ползунка, используемые для измерения периода и напряжения сигнала. Затем идут вкл/выкл синхронизации, поля для масштабирования или изменения значений размера выборки.

Монтаж

При сборке можно не делать печатную плату, а смонтировать все в небольшой пластиковой коробке навесным монтажом. Корпус должен иметь отверстия для разъема RS232 переключателя, входного гнезда и гнезда питания.

Прошивку для процессора можно скачать в конце статьи. Биты конфигурации (fuse) в процессе программирования должны быть установлены следующим образом:

Вот фото готового прототипа цифрового осциллографа:

Ниже вы можете скачать исходник, прошивку и ПО для Windows.

Осциллограф своими руками на AVR — инструкция по сборке, характеристики

Характеристики осциллографа на AVR:

1. Частота измерения: 10 Гц–7.7 кГц.
2. Макс. входное напряжение: 24В AC/30В DC.
3. Напряжение питания: 12В DC.
4. Разрешение экрана: 128×64 пикселей.
5. Область экрана осциллограммы: 100×64 пикселей.
6. Информационная область экрана: 28×64 пикселей.
7. Режим триггера: автоматический.

Рассмотрим проект осциллографа с использованием МК PIC18F2550 и графического LCD с контроллером KS0108. В качестве среды разработки здесь использована WinAVR, которая основывается на open source AVR-GNU компиляторе и прекрасно работает с AVR Studio 4. Графическую библиотека разработана специально для данного проекта.

При измерении прямоугольного сигнала, максимальная частота, при которой можно увидеть хорошую осциллограмму составляет около 5 кГц. Для других форм сигналов (синусоида или треугольный сигнал) максимальная частота составляет около 1 кГц.

Схема осциллографа на AVR

Принципиальная схема AVR-осциллографа приведена ниже:

Напряжение питания схемы составляет 12 вольт постоянного тока. Из этого напряжения, в дальнейшем получается еще 2 напряжения: +8.2В для IC1 и +5В — для IC2, IC3.

• Схема светодиодного осциллографического пробника

Устройство может измерять входное напряжение от +2.5В до -2.5В или от 0 до +5В, зависящее от позиции переключателя S1 (выбор типа входного тока: постоянный или переменный). При использовании пробника 1:10, входное напряжение соответственно может быть увеличено в 10 раз. Кроме того, переключателем S2 можно установить дополнительно деление напряжения на 2.

Необходимые радиоэлементы

• Операционный усилитель (IC1) — LM358.
• LCD-дисплей (IC2) — DEM128064A (128×64, контроллер KS0108).
• МК AVR 8-бит (IC3) — ATmega32.
• Линейный регулятор (IC4) — LM7805.
• Стабилитрон (D1) — 1N4738A, 8.2В.
• Выпрямительный диод (D2) — 1N4007.
• 7 конденсаторов — C1 (470 нФ); C2 (27 пФ); C4, C7, C9 (3х100 нФ); C5, C6 (2х22 пФ).
• 2 электролитических конденсатора — C3 (22 мкФ 16 В) и C8 (100 мкФ 25 В).
• 7 резисторов — R1, R2, R4 (3х1 МОм); R3, R5 (2х390 кОм); R6 (56 Ом); R7 (220 Ом).
• 2 подстроечных резистора (P1, P2) — 10 кОм и 22 кОм соответственно.
• Кварц (X1) — 16 МГц.
• 3 переключателя (S1, S2, S5).
• 5 кнопок (S3, S4, S6–S8) — замыкающие.
• 2 разъёма (K1, K2) — 2 контакта вход сигнала, 2 контакта питание.

Прошивка ATmega32 и настройка

Файл прошивки: AVR_oscilloscope.hex, можно будет скачать ниже. При выборе фьюзов необходимо указать использование внешнего кварца. После этого необходимо обязательно отключить JTAG интерфейс. Если этого не сделать, то на осциллографе будет отображаться экран инициализации, а после он будет уходить в перезагрузку.

Для настройки прибора нужно выполнить всего 2 вещи: настроить контрастность LCD при помощи подстроечного резистора Р2 и выставить центр осциллограммы при помощи подстроечного резистора Р1.

Использование

Вы можете перемещать луч осциллограммы вверх или вниз путем нажатия кнопок S8 и S4. Один квадрат на экране, соответствует 1В.

При помощи кнопок S7 и S3 можно увеличивать или уменьшать частоту измерений. Минимальная частота формы сигнала, которая может быть отображена на LCD составляет 460 Гц. Если необходимо посмотреть сигнал с более низкой частотой, например, 30 Гц, то необходимо нажать S7 для сжатия осциллограммы или S3 — для растяжения.

В осциллографе используется автоматический режим триггера. Это означает, что если входной сигнал повторяющийся (к примеру треугольник) то триггер работает хорошо. Но если форма сигнала постоянно меняется (к примеру какая-то последовательность данных), то для фиксации изображения необходимо нажать кнопку S6. Повторное нажатие S6 возвращает в нормальный режим.

Фото готового AVR осциллографа:

Видео работы осциллографа на AVR: