Kendin-yap Osiloskop

Bu yazımın konusu, daha önce bahsettiğim kendin yap (DIY) osiloskop kiti. Türkiye'de bulunuyor mu bilmiyorum, ben yurtdışından getirttim. Kitin bağlantısı şöyle:

http://www.dx.com/p/diy-dso138-digital-oscilloscope-kit-electronic-learning-kit-black-red-383995

Özellikleri kısaca:
- 12 bit ADC
- 200Khz'ye kadar bant genişliği
- 0.01/0.1/1V skala; 1x,2x,5x çarpan. Toplamda 10mV'tan 5V'a kadar
- Tek sinyal girişi
- AC/DC ve GND modları
- 2.4 inç TFT LCD (320 X 240 dotmatrix, 262K renk)

Cihazın ayrıntılı özellikleri sayfasında da var. Bu özellikler masaüstü modellerin yanından bile geçmese de yeni başlamak ve osiloskop çalışma prensiplerini kavramak için bence yeterli. Ve elbette masaüstü modellerin fiyatları da bu cihazın fiyatının yanından geçemez. Parantez arasında masaüstü modeller hala son kullanıcı için fiyat ve özellikleri bakımından lüks ama USB bağlantılı modeller bence osiloskopları son kullanıcı seviyesine indirdiler. USB osiloskoplarda yalnız sinyal toplama ve ADC katları bulunuyor. Geri kalan, sinyallerin depolanması ve en önemlisi ekranda gösterilmesi gibi işler bilgisayarla hallediliyor. Bu cihazların ekranı ve belleği olmadığından ucuzlar ama ADC'leri ve örnekleme hızları masaüstü cihazlara göre yavaş kalıyor.

Benim sözünü edeceğim kitin üreticisi JYE Tech adında bir Çin firması. Sayfasında hazır osiloskop modelleri ve başka kendin-yap kitler bulunuyor. Benim anlatacağım bu kitlerin en gelişmişi gibi görünen DSO-138 modeli olacak.

Paketin içeriği

Öncelikle gelen paketin içeriği sipariş ettiğim diğer paketlere göre bir hayli iyiydi. Parça sayısı çok ve çıkan belgeler hem zengin hem de anlaşılır. Fotoğraftaki kullanıcı kılavuzunda parçaların listesi ve yanında lehimledikçe işaretlemek için kutucuklar var. Bu belgelere http://www.jyetech.com/Products/LcdScope/UserManual_138.pdf adresinden  ulaşılabilir. Kullanım kılavuzunun son sayfasında tüm devre katlarının şeması verilmiş. Şema sayesinde lehimleme yada çalışma sırasında bir hata oluşmuşsa bunu bulmak ve onarmak kolay hale geliyor. Kiti ilk sipariş ettiğimde SMD elemanların olduğunu bilmiyordum. Daha doğrusu sitede yazmıyordu. İlk farkettiğimde gözüm korktu ama sonradan çok da korkutucu olmadığını farkettim. Bu kullanım kılavuzunun dışında bir tane de SMD elemanların bir listesi geliyor: http://www.jyetech.com/Products/LcdScope/DSO138_SMD_Assembly.pdf  Fotoğrafta baskı devreye lehimli tek bir eleman görünüyor, yukarıdaki SMD eleman listesinde de pre-soldered olarak geçiyor. Bu eleman Cortex-M3 ARM mikrodenetleyici (STM32F103C8). JYE Tech'in kendi deyimiyle osiloskobun kalbi. Osiloskobun firmware'i burada yüklü olarak geliyor. Kodu derlemeye veya yüklemeye gerek yok ama göz atmak isteyenler için osiloskobun kaynak kodu da ürünün JYE Tech'teki sayfasında var. SMD parça listesinin ayrı olmasının nedeni, aynı ürünün tüm SMD elemanları önceden lehimlenmiş olarak satıldığı başka bir modelinin daha olması.

SKU: 13803K -- One DSO138 kit with all SMD parts pre-soldered
SKU: 13804K -- One DSO138 kit with only the major IC chip (the MCU) pre-soldered

Benim bahsedeceğim ürün ikincisi.

Ürünün kullanım kılavuzunda gerekli aletler olarak 20W havya, lehim teli, multimetre, tornavida, yan keski ve cımbız sayılmış. Ben buna bir de lehim pompasını ekliyorum. Benim kullandığım cihazlar ve çalışma ortamı aşağıda:

Çalışma ortamı

Kullanım kılavuzundaki sırayı takip ederek öncelikli THT dirençleri lehimlemekle başladım. Bu arada fotoğrafta görüleceği gibi lehimlemek için boş bir kabın kenarını kullanıyorum. Mengene de vardı ama çok fazla parça yokken bu benim kolayıma geliyor.

Her ne kadar THT dirençleri lehimlemek kolay desem de ben yine arada bazı yerlerde soğuk lehim yapmış bulundum.

Baskı devre çift taraflı. Delikler baskı devrenin her iki yönüne pad'ler koyulup bırakılmamış; içleri de kaplanmış. Bu nedenle devre elemanlarını tek bir yüzden lehimlemek yeterli. Lehim bir yüzeyden delik boyunca diğer yüzeye akıyor. Hatta kullandıkları malzeme neyse çok kaliteli. Lehim yapmayı keyifli hale getiriyor. Ancak asıl sorun dirençlerin soğuk lehimlenmesi değildi. Yandaki fotoğraftan da gayet net görülebilir ki SMD elemanlar lehimlenirken adeta acı çektiler, adeta can çekiştiler. R23 ve R20 bir bacağında çok fazla lehim var, çünkü bunlarda 1.5mm'lik lehim telinden küçük bir parça kesmeye çalışıp kesemedim. Kesilen parça fazla geldi. Diğer bacakları soğuk lehim ve yamuk duruyorlar çünkü cımbızım da normal cımbızdı ve devre elemanları için ucu çok büyük kaldı. R17'nin durumu daha da içler acısı. Fotoğrafta belli değil ama lehim tutmadı diye tekrar tekrar söküp takarken yanlışlıkla bakır yolu plakadan kaldırdım. En son bir daha denemeyip olduğu biri bırakmaya karar verdim. Devre şemasından değerine ve direncin bağlantılı olduğu elemanlara baktım. Multimetre ile deneyip doğru direnç değerini okuyunca yeterince doğru olduğuna kanaat getirip olduğu gibi bıraktım.

Bu durum beni SMD lehimleme işinden soğuttu. O hafta sonu baskı devreyi olduğu gibi bırakıp çalışmaya ara verdim. Ertesi haftasonu Yazıcıoğlu'ndan kendime bu iş için yeni oyuncaklar aldım:

Sırayla; ince 0.5mm lehim teli, 0.6mm'lik lehim topu, flux, ince uçlu cımbız ve lehim sehpası. Kullanışlılık açısından, ince lehim telini almam yararlı oldu. SMD'lerin yanısıra bacakları birbirine çok yakın 20 pinli konnektörü lehimlerken işime yaradı. Flux'u yalnızca SMD entegre lehimlerken kullandım. Dirençleri lehimlerken olmasa da olabilir ama entegre için en azından benim için olmazsa olmaz. Cımbızın da olması iyi oldu. Olmasaydı işler çok daha zor olurdu. Bu fotoğraftaki en gereksiz birinci parça lehim sehpası ki aslında ben böyle birşeyi ne zamandır almak istiyordum. Hazır bu kadar parçayı almışken sehpayı da alayım dedim ama boş kap üzerinde de lehimlesem olurmuş. Benim açımdan fazla farkettirmedi. Lehim toplarıyla elbette BGA entegre lehimlemedim ama lehim telinden parça kesip lehim yapmaktansa bu toplardan iki tanesini pad'e koyup havyanın ucunu değdirdim. Sonuç çok iyi oldu.

Bunları aldıktan sonra devreyi kurmaya geri döndüm. Yukarıda da baskı devrenin oldukça kaliteli olduğunu söylemiştim. Aşağıdaki fotoğrafta yakın çekimden hem delikler ve deliklerin iç kaplaması hem de lehimler görünüyor. Lehimlerin bazılarının gerçekten kötü olduğunun farkındayım.

Lehim Yüzeyi

Devre elemanlarının bulunduğu yüzey

Yandaki fotoğrafta başta sözünü ettiğim, osiloskobun kalbini oluşturan ve baskı devreye lehimli olarak gelen ARM işlemcinin yakın çekim görüntüsü hem de lehimleme sırasında altta kalan tarafa (parçaların bulunduğu ön yüzeye) akan lehimin görüntüsü var. R28, R38, R40 ve L4 fena değil. SMD'lerden R29 ve R30 da fena değil. Yalnız maalesef görüntü biraz bulanık. Burada henüz yalnızca pasif elemanların lehimlemesini tamamladım. Buraya kadar zaten çok fazla sorun olmadı.

Yandaki fotoğrafta baskı devrenin tümü daha net bir şekilde görülebiliyor. Dikkatle bakılırsa baskı devrede üst sırada AV+, AV-, 3.3V, 5V pad'leri; alt sırada V1, V2, V3, TLVL, biraz yanında VBus, D+, D- vb. ve biraz daha sağda OSC gibi pad'ler var. Tahmin edileceği üzere bu pad'ler çalışma sırasında referans gerilim değerlerini okumak için. Kullanım kılavuzunda doğru çalışmada pinlerin üzerinde olması gereken gerilim değerleri ve bu pinlerden hangisinde sorun varsa hangi devre katının doğru çalışmadığını gösteren ufak bir akış şeması var. Bu da devrede bir sorun varsa ayrıca kolaylık sağlıyor. Bu fotoğrafta SMD elemanlara bakınca R32 ve R33'te lehim fazlam olmuş. Bir de bir uyarı yapmakta yarar var. Lehimlerken sıcaktan etkilenmesinler diye transistörerin (aslında iki TO-92 paketli transistör ile iki tane de TO-92 paketli regülatör. Halbuki bunların TO-220 paketlileri de var. Onlardan olsa karışmazdı.) bacaklarını elimden geldiğince uzun tutmaya çalıştım. Fakat LCD ekran son adımda bunların üzerine oturuyor. Transistörler uzun kalınca LCD baskı devresinin düzgün oturmasına engel oldu. Transistörleri biraz büküp iyi kötü oturttum ama bununla uğraşmamak için en baştan transistörlerin bacaklarını kısa tutmakta yarar var.

Transistör görünümlü regülatörler

Bu adımdan sonra zurnanın zırt dediği yere geldim. Daha önce başka bir devrede SMD transistör yaktığımdan dolayı entegreyi nasıl lehimlerin diye bir hayli düşünüyordum. En kötü olasılıkla aynı entegreden 4-5 tane daha alıp bozulmadan lehimlenene kadar denemeyi düşündüm. Bu adımda, izlediğim videolardan görüp anladığım kadarını uygulamaya karar verdim. Önce entegrenin birinci bacağını (aslında hangisi olduğunun bir önemi yok. Köşesindeki herhangi bir bacağını) flux'ladım ve çok az bir lehimle entegreyi yerine idareten sabitledim. Sonra entegrenin bir sıradaki geri kalan bacaklarını flux'ladım ve bacak başına 2-2.5 top düşecek kadar lehim topu koydum. Bunu yapmamdaki amaç bir elle havyayı tutarken diğer elimle cımbızı tutabilmek böylelikle lehimlerken telle uğraşmadan zamandan kazanmaktı. Bu arada fotoğrafı çektiğimde arka sırada kalan bacakları bu şekilde lehimlemiştim. Ön tarafı lehimlerken aynı tekniği kullandım. İlk sıra çok güzel ve sorunsuz lehimlendi. Tam ben bu işi yaparım derken ön sıradaki iki bacak arasında köprü oluştu. Havyayla aralarını ayırdımsa da düzelmedi. Havyanın ucunu temizleyip tekrar denedim yine olmadı. İkinci denemeden sonra entegreden zaten umudu kesmiştim. Aradaki fazla lehimi pompayla temizledim. Son defa çok az ince telle tekrar lehimledim. Sonuç aşağıda fotoğraftaki gibiydi.

Biraz lehim fazlası var ama fena değil.

Eğer en sonunda hiçbir şey çalışmazsa sorumlusu entegredir diyip lehimlemeye kaldığım parçadan devam ettim. Öte yandan entegre aslında tüm girişlere bağlı bir Op-Amp paketi ve eğer bozulursa dijital kısım doğru çalışır ama girişlerde sorun olduğundan giriş sinyali işlenemez (en azından bazı durumlar için. Örn. X5 için çalışmaz ama X2 için çalışır vb). Benzer şekilde flux sürüp topları üzerine yerleştirerek diğer entegreyi de (U3 - LM 1117) lehimledim.

Aşağıda soldaki fotoğraf bütün lehimlemeler bitip sıra LCD ekranı takmaya geldiğinde baskı devreyi gösteriyor. Transistörlerden dolayı LCD ekran tam oturmasa da en azından sinyalleri alacak kadar oturdu. Fakat kullanım kılavuzunun ikinci bölümünde ikinci madde gözümden kaçmış: "If voltage at TP22 is good disconnect power. Short JP4 with solder permanently". İlk başta LCD'de görüntü gelmediğinde kendi hatama bağlamıştım ama durum farklıymış. Herneyse JP4'ü kısa devre yaptım.

LCD ekran takılmaya hazır

Bunu yaptıktan sonra ekran görüntüsü yine gelmedi. Kullanım kılavuzundaki akış diyagramında herşey doğruydu. En sondaki "Check LCD board" adımına kadar geldim. Devre kartının oturmasında sorun yoktu. Bu arada sol taraftaki ikili iki konektör yalnız LCD ekranı sabitlemek için. Bu nedenle onlardan çıkması pahasına sağ tarafını konektöre daha iyi oturttumsa da sonuç alamadım. Devre şemasından tek tek konektörün hangi pini nereye bağlı takip ederek bağlantıların hangisine sinyal gelmediğini anlamaya çalıştım ama hiç hata bulamadım. Sonunda bütün konektör pinlerinin lehimlerini soğuk lehim olasılığına karşı tekrar lehimledim. Bir yandan da sorunu gidermek için internette araştırırken JYE Tech'in kullanıcı forumu olduğunu farkettim. http://www.jyetech.com/forum

Booting...

Forumdan arattığım kadarıyla da sorunun LCD'nin sinyallemesinde olduğu yazıyordu. Lehimleri yeniledikten sonra bir şekilde çalıştı ve "Booting..." yazan ekran geldi. Bu ekrandan kısa bir zaman sonra da osiloskobun alışıldık ekranı geldi.

Bu arada araştırırken veya denerken öğrendiğim bir kaç şey oldu. Bunlardan biri, yeşil LED sanıyorum osiloskobun tetikleme mekanizması bağlı. Kare dalga vb. bağlandığı zaman frekansla uyumlu olarak yanıp sönmeye başlıyor. Elle tutulunca da benzer davranışlar sergiliyor. İkincisi, forumda firmware güncellemesi yapılabileceğinden bahsediliyor. Yalnız, baskı devrenin alt kenarındaki USB konektörden hareketle bilgisayara bağlanarak yapılıyor gibi görünse de dökümanda konektörün hemen sağındaki seri port pinlerinin kullanılmasından bahsediliyor. Buna ek olarak forumda USB portla ilgili şu açıklama var: "USB port şu anda çalışmamaktadır. Gelecekteki firmware güncellemeleriyle kullanılması düşünülmekte yada kullanıcıların kendi amaçları doğrultusunda kullanmaları için eklenmiştir.". Uzun lafın kısası cihaz henüz ekran görüntüsünü bilgisayara vermekten uzak. Elbette ki kaynak kodları açık olduğundan yapılamaz değil. Zamanım olsa kendi uğraşmak isterdim.

Kurulumu tamamladıktan sonra osiloskopla bir kaç deneme yapmak istedim. Birinci olarak aletin kendi 1 Khz kalibrasyon osilatörünü girişe bağlayıp ekran için uygun ayarlamayı seçtiğimde herşeyin gayet iyi çalıştığını gördüm. Sinyalin üst ve alt uçlarındaki titreşimler fazlaysa bunları kırpmak için soldaki trimmerleri kullanın diyor ama ben uygun tornavida bulamadığım için o anda ayarlayamadım. Bir de başka bir sinyal üretici olarak flip-flop tabanlı bir yürüyen ışık devresini kullandım. Bu devrede de sayacı (counter) tetikleyen flip-flop katındaki dolma/boşalma fazları osiloskobun ekranından kolayca izlenebiliyor. Sinyal giriş katında sorun olmaması yani SMD entegrenin lehimlerken yanmamış olması entegrenin sıcaklığa çok hassas olmamasından kaynaklandığını düşündürüyor ama bundan çok da emin değilim.

Böylelikle osiloskop çalışabilir duruma geldi.

Bu cihazı internette bulmadan önce kendime, kurduğum radyo devrelerini denemek için alabileceğim bir USB osiloskop bakmaktaydım. Bu cihaz elbette radyo devrelerini incelemek için yetersiz kalıyor ancak en başta belirttiğim gibi ilk öğrenme ve kurcalama amaçlı olarak çok pahalı değil ve bunun yanında işlevsel bir cihaz.