Hur man använder ett oscilloskop för att felsöka elektronik

Viktiga takeaways

• Oscilloskop är viktiga verktyg för att felsöka trasig elektronik. De analyserar elektriska signaler och kan hjälpa till att avgöra vad som går fel i kretsar.
• Oscilloskop finns i olika former och priser. För nybörjare och hobbyister kan ett billigare alternativ som DSO 138 ge respektabla resultat. Andrahandsalternativ finns också.
• Kalibrering av ett oscilloskop är avgörande för att få exakta resultat. Att ställa in tröskeln och använda rätt prober är viktigt. Genom att undersöka signaler med ett oscilloskop kan du felsöka och diagnostisera elektriska fel effektivt.

Oscilloskopet är bland de mest kraftfulla verktygen för blivande uppfinnare, ingenjörer eller elektriska hobbyister. Om du felsöker kretsarna du har byggt är det viktigt. Men exakt hur felsöker man trasig elektronik med ett oscilloskop?

Vad används oscilloskop till och hur mycket behöver du spendera?

Du har en elektrisk apparat som inte fungerar. Det kan vara en sjuk bärbar dator, en synthesizer du har hämtat från en lokal loppmarknad eller ett DIY breadboarding-projekt. Eftersom du faktiskt inte kan se elektriciteten, kommer det att krävas några deduktiva resonemang – och rätt verktyg för att ta reda på vad som går fel. Bland de mer väsentliga av dessa verktyg är oscilloskopet.

Ett oscilloskop är en anordning för att analysera elektriska signaler. Ordet kan framkalla en bild av ett stort vitt block som sitter på ett laboratoriebord, men verkligheten är att oscilloskop finns i många former. För ett high-end oscilloskop kan du förvänta dig att betala tusentals dollar. Några hundra dollar kan ge dig mycket respektabla resultat för amatörer, studenter och nystartade företag, speciellt om du är villig att gå begagnad.

Däremot kan du börja billigt. Vi har nått det populära DSO 138 från JYE Tech. Detta har i stor utsträckning klonats och ersatts av DSO 138mini, men det är fortfarande ett alternativ för oscilloskop för nybörjare och de som letar efter ett bärbart alternativ.

Ett ord om oscilloskopspänningar

DSO 138 är klassad för att mäta upp till 50 volt. Medan vissa oscilloskop klarar mer än så, har varje oscilloskop sina gränser. Tryck på dessa gränser och du riskerar att förstöra enheten. Men allt är inte förlorat, eftersom du kan skydda kikarsikten med hjälp av en dämpande sond. En x10-sond kommer att sänka den inkommande spänningen med 90 %, vilket gör att vi kan arbeta med högre spänningssignaler.

Naturligtvis vill du ta alla möjliga försiktighetsåtgärder när du hanterar höga spänningar. Av denna anledning, låt oss begränsa oss till lågspänningsgrejer.

Komma igång

DSO 138 levereras med ett par krokodilklämmor. Om du vill vara exakt i din sondering är det förmodligen en bra idé att investera i en riktig sond – en som är spetsig nog att slå sig ner på en enda punkt på ett kretskort. Detta minskar risken för att en kortslutning oavsiktligt bildas.

Om du undersöker ljudsignaler kan du leta efter en adapter för att konvertera en TS (eller TRS) kabel till BNC (eller SMA) uttag på ditt kikarsikte. För enkelhetens skull håller vi oss till krokodilklämmor.

Kalibrera ditt oscilloskop och ställa in tröskeln

Att få användbara resultat från ditt oscilloskop innebär att du kalibrerar det. Denna process kommer att tillåta oss att kompensera för probernas inneboende motstånd och kapacitans. Detta är särskilt viktigt om du upplever stora temperaturförändringar.

Fäst sonden till referenssignalen, som ofta finns på frontpanelen. När det gäller DSO 138 är den överst. Prober kommer med en justerbar kondensator som bör trimmas för att göra testvågen till en perfekt fyrkant. Dessa kan ofta trimmas med hjälp av en liten skruvmejsel. DSO 138 tillhandahåller inställningskontroller på själva kretskortet.

Om du vill se en vågform behöver du att skärmen uppdateras varje gång en stigande kant passerar en viss tröskel. Ställ in detta någonstans mitt emellan topp- och bottenspänningarna. Vi har ställt in omfattningen så att den uppdateras när en stigande kant upptäcks. På så sätt eliminerar vi tvetydigheten och får en tydlig, stabil bild av vågformen.

Hur man undersöker signaler med ditt oscilloskop

Låt oss undersöka några signaler. Att använda din telefon och en mini-jack-till-jack-kabel är det enklaste och snabbaste sättet. Fäst krokodilklämmorna i den andra änden av jackpluggen. Den stora remsan runt botten är marken, och de andra två är vänster och höger. Så du kan fästa klippen så här:

Nu behöver vi en vågform. YouTube är packat med lämpliga testklipp. Välj en, spela den och observera displayen. Här tittar vi på en sinusvåg.

Du kan behöva flytta runt saker lite för att få vågformen centrerad. Bekanta dig med kontrollerna genom att leka med dem. Zooma in på vågformen, ändra triggernivån och justera timingen. Det finns ingen ersättning för att vara praktisk!

Praktisk felsökning med ett oscilloskop

Så nu när du är bekväm med oscilloskopet är det dags att göra lite felsökning.

Vi har tittat på tidigare skapa en PWM-signal med en Raspberry Pi, och det här är ett bra ställe att börja. Låt oss ta en titt på vad RPi faktiskt matar ut.

PWM

Anslut jordklämman till marken och sök där du förväntar dig en signal. I det här fallet är det PWM-stiftet. Nu kan vi köra lite kod. PWM-signalen bör visas på skopet. Vi kan mäta arbetscykeln och se till att den motsvarar våra förväntningar. Programvaran PWM är inte särskilt stabil, särskilt om enheten kör andra uppgifter samtidigt. Vår användning av hårdvaru-PWM här ger konsekventa, tydliga resultat:

Detta betyder naturligtvis inte att hårdvaru-PWM är en nödvändighet. Ofta kan du förbättra dina resultat genom att helt enkelt minska arbetsbelastningen på enheten som kör programmet. Om du inte ser någon vågform kan det tyda på att arbetscykeln är inställd på 0 % eller 100 %. Kontrollera den möjligheten innan du går vidare!

Dataöverföring

Moderna kretsar förlitar sig ofta på signaler som inte är periodiska utan enstaka. En enhet skickar ett kommando till en annan men upprepar sig inte. Flytta musen så skickar du en rad kommandon till din dator som anger hur mycket du har flyttat musen med.

För att fånga dessa signaler måste vi använda engångsfunktionen i vårt scope. Här kommer vågformen att pausa på plats när tröskelnivån passeras. Så vi kommer att kunna se exakt vilken form de bitarna har och om de kommer att vara begripliga för den mottagande enheten.

I det här fallet har vi samplade en inkommande MIDI-signal från en AKAI-trumkontroller:

I det här exemplet kan MIDI-enheter förstå även brusiga signaler. Men eftersom kablarna här är obalanserade, kan du få problem om de går längre än en viss längd. Så om du till exempel drar kabeln över en hel byggnad kommer du att råka ut för problem. Eller så kan själva kabeln vara defekt efter att ha blivit överkörd en för många gånger med en kontorsstol.

Det är här deduktiv felsökning kommer in! Nollställ problemet genom att först kontrollera en annan kabel och sedan en annan MIDI-enhet.

Två signaler?

En av DSO 138:s begränsningar är att den bara tillåter en ingång.

Mer avancerade oscilloskop kan tillåta oss att undersöka två signaler samtidigt. Så du kan lägga över data som skickas över SPI (eller I2C) med motsvarande klocksignal. Om du gör det kan det avslöja att de två signalerna är felinriktade eller förvrängda. Detta kommer att producera förvrängd data. Pikar, buller, rundade kanter – alla dessa kan orsaka problem.

I många fall kan dessa problem åtgärdas genom att lägga till ett pull-up (eller pull-down) motstånd här eller där. Eller så kanske vi behöver en kondensator eller två för att jämna ut matningsspänningarna. Du kan också behöva justera din kod för att kompensera för tidsproblem.

Oavsett lösning kommer du inte att kunna komma igång förrän du faktiskt tar en titt på de två vågformerna sida vid sida – perfekt för ditt oscilloskop.

Oscilloskop är utmärkta för att diagnostisera elektriska fel

När du väl börjar bygga, modifiera eller reparera komplexa kretsar kommer du oundvikligen att stöta på problem som bara ett oscilloskop kan diagnostisera. Efter att ha fått en tydlig bild av de signaler du vill forma, kommer du att kunna felsöka mycket mer effektivt.