Активный широкополосный щуп для осциллографа схема. Активные щупы с малой входной ёмкостью
Измерительная техникаПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕЖВИТКОВЫХ ЗАМЫКАНИЙ Простая приставка к авометру, схема которой изображена на рисунке, позволяет обнаруживать в трансформаторах, дросселях и других деталях с обмотками межвитковые замыкания до трех-четырех витков. Приставка представляет собой НЧ генератор, собранный по трехточечной схеме, с емкостной обратной связью через конденсаторы С1 и С2. Роль индуктивности контура генератора играет испытываемая катушка. Потенциометр R4 служит для поддержания постоянной величины тока, протекающего через транзистор Т1, при изменении внутреннего сопротивления батареи, питающей генератор. В гнезда Гн1 и Гн2 вставляют вилки авометра. Наконечники подключают к выводам испытываемой детали. Гнездо Гн1 одновременно является выключателем питания. Для этого оно разрезано вдоль по всей длине. Укв схема Половины гнезда замыкаются вставленной в него вилкой, питание включается. Однополюсные вилки, обозначенные внизу стрелками, включают в гнезда авометра для измерения переменного напряжения.Работа прибора основана на уменьшении амплитуды генерируемого напряжения при подключении детали с межвитковым замыканием, так как в этом случае добротность контура существенно понижается. Уменьшение напряжения отмечает подключенный к прибору авометр.Градуировку собранного прибора производят следующим образом. Подготовляют прибор к измерениям, подключив к нему авометр и щупы так, как описано выше. Затем присоединяют к щупам исправный унифицированный регулятор строк типа РРС-70 с введенным вовнутрь катушки сердечником. Регулируя потенциометр R4 добиваются, чтобы авометр показал величину переменного напряж...
Для схемы "Активный щуп для осциллографа"
Измерительная техникаАктивный щуп для осциллографаВходная емкость современных осциллографов составляет порядка 30...50 пФ. При измерениях к ней добавляется емкость соединительного кабеля, и суммарная входная емкость достигает 100...150 пФ. Это может привести к существенному искажению результатов измерений и неправильной настройке, например, фильтров-пробок выходных каскадов усилителей записи магнитофонов. Вот почему при проведении исследований в цепях, критичных к вносимой емкости измерительного прибора, нужно применять специальные согласующие устройства, имеющие большое входное сопротивление и небольшую емкость.Для большинства практических работ необходимы два основных вида устройств: для гармонических сигналов малой амплитуды (1...50 мВ) с коэффициентом передачи К>1 и для сигналов большой амплитуды (до 10...20 В), позволяющие передавать постоянную составляющую сигнала и имеющие коэффициент передачи К=0,2...0,5. Широкое распространение в последние годы быстродействующих аналоговых и цифровых микросхем, работающих при сравнительно больших напряжениях (ОУ широкого применения, микросхемы серии К561-до 15 В), выявило необходимость устройства, работающего в широком диапазоне напряжений с возможностью передачи постоянной составляющей сигнала. Puc.1Схема такого устройства в виде щупа приведена на рис.1. Он выполнен по классической схеме истокового повторителя с использованием транзистора МОП-структуры и содержит минимальное количество деталей. Диапазон рабочих частот составляет О...5 МГц. Питание осуществляется от любого источника тока напряжением 7...15 В, например, аккумуляторной батареи 7Д-0,115-У1.1 или гальванических батарей "Крона", "Корунд". Входная емкость щупа - не более 4 пФ, входное сопротивление - не менее 3 МОм. Выходное напряжение при Uвх=0 co-ставляет 2,5 В. Диапазон входных напряжений в области отрицательных значений (до отсечки) - 7 В, в области положительных значений (до начала о...
Для схемы "Широкополосный апериодический усилитель ВЧ"
Радиолюбителю-конструкторуШирокополосный апериодический усилитель ВЧПредлагаемый вниманию читателей высокочастотный усилитель может найти самое широкое применение. Это и антенный усилитель для радиоприемника, и усилительная приставка к осциллографу с низкой чувствительностью канала вертикального отклонения, и апериодический усилитель ПЧ, и измерительный усилитель. Вход и выход усилителя рассчитаны на включение в иинию с волновым сопротивлением 75 Ом. Полоса рабочих частот усилителя 35 кГц- 150 МГц при неравномерности на краях диапазона 3 дБ. Максимальное неискаженное выходное напряжение 1 В, коэффициент усиления (при нагрузке 75 Ом) - 43 дБ, коэффициент шума на частоте 100 МГц -4,7 дБ. Питается усилитель от источника напряжением 12,6 В, потребляемый ток 40 мА. Принципиальная схема усилителя приведена на рисунке. Он представляет собой две последовательно включенные усилительные ячейки, в каждой из которых резистивные усилительные каскады на транзисторах N1, Т3 нагружены на эмиттерные повторители на транзисторах Т2, Т4. Симистор тс112 и схемы на нем Для расширения динамического диапазона ток через последний эмиттерный повторитель выбран равным приблизительно 20 мА. Амплитудная и частотная характеристики усилителя сформированы элементами цепи час-тотнозависимой обратной связи R4C2, R10C5 и дросселями простой высокочастотной коррекции Др1 и Др2.Конструктивно усилитель выполнен на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита и помещен в латунный посеребренный корпус. Разъемами служат высокочастотные соединители СР-75-166 Ф. Высокочастотные дроссели Др1 и Др2 бескаркасные. Их обмотки содержат по 10 витков провода ПЭВ-1 0,25, диаметр обмоток 5 мм. Если усиление 43 дБ является чрезмерным, можно использовать только одну усилительную ячейку, причем в зависимости от целевого назначения либо на транзисторах T1. Т2 с напряжением питания + 5 В, либо на транзисторах Т3, Т4 с напряжением питания +12,6...
Для схемы "Две схемы простых генераторов качающейся частоты"
Для схемы "ПРОСТОЙ ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ НЧ И ВЧ"
Измерительная техникаПРОСТОЙ ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ НЧ И ВЧПростой генератор сигналов низкой и высокой частоты предназначен для налаживания и проверки различных приборов и устройств, изготовляемых радиолюбителями.Генератор низкой частоты вырабатывает синусоидальный сигнал в диапазоне от 26 Гц до 400 кГц, который разделен на пять поддиапазонов (26...240, 200...1500 Гц: 1.3...10, 9...60, 56...400 кГц). Максимальная амплитуда выходного сигнала 2 В. Коэффициент гармоник во всем диапазоне частот не превышает 1,5%. Неравномерность частотной характеристики - не более 3 дБ. С помощью встроенного аттенюатора можно ослабить выходной сигнал на 20 и 40 дБ. Предусмотрена также плавная регулировка амплитуды выходного сигнала с контролем ее по измерительному прибору.Генератор высокой частоты вырабатывает синусоидальный сигнал в диапазоне от 140 кГц до 12 МГц (поддиапазоны 140...340, 330...1000 кГц, 1...2,8,2,7...12МГц).Высокочастотный сигнал может быть промодулирован по амплитуде сигналом как с внутреннего генератора НЧ. так и с внешнего.Максимальная амплитуда выходного напряжения 0,2 В. Блок питания на тиристорах схемы В генераторе предусмотрена плавная регулировка выходного напряжения с контролем амплитуды по измерительному прибору.Напряжение питания обоих генераторов 12 В.Принципиальная схема прибора показана на рис. 1.Генератор низкой частоты построен на основе хорошо известной схемы. Частоту генерируемого сигнала изменяют сдвоенным конденсатором переменной емкости С2. Применение блока конденсаторов переменной емкости для генерации невысоких (30...100 Гц) частот потребовало высокого входного сопротивления усилителя генератора. Поэтому сигнал с моста поступает на потоковый повторитель на полевом транзисторе V1, а далее на вход двухкаскадного усилителя с непосредственными связями (микросхема А1). С выхода микросхемы сигнал подается на выходной эмит-терный повторитель на транзисторе V3 и на вторую диагональ моста. С резистора R16 сигнал подается на выходной делитель напряжения (резисторы R18-R22) и на измерительный прибор PU1. по которому контрол...
Для схемы "МОДУЛЯТОР И ДЕМОДУЛЯТОР SSB"
Узлы радиолюбительской техникиМОДУЛЯТОР И ДЕМОДУЛЯТОР SSBВ литературе часто встречаются подобные схемы на ИМС К174УР1, на К174УРЗ они получаются проще и с мень-шим количеством навесных элементов (рис.1, 2). Схемы могут быть выполнены и с отдельным гетеродином. При этом сигнал (Uгет
Для схемы "ПРИСТАВКА-ГКЧ ДЛЯ ДИАПАЗОНОВ 300...900и 800... 1950 МГц"
Измерительная техникаПРИСТАВКА-ГКЧ ДЛЯ ДИАПАЗОНОВ 300...900и 800... 1950 МГц Регулировка радиоэлектронной аппаратуры с визуальным отображением амплитудно-частотных характеристик постоянно пользуется у радиолюбителей и специалистов повышенным интересом, так как позволяет оперативно видеть на экране измерительного прибора результаты воздействия при изменении какого-либо параметра или элемента настраиваемого изделия. Единственным недостатком данного метода контроля является сравнительно высокая цена(у) промышленных образцов измерителей частотных характеристик. Но радиолюбители и в этом месте нашли достойный выход - создание простых приставок к ставшему уже привычным осциллографу. При этом частотная характеристика самого осциллографа особой роли не играет. В журнале "Радио" 1994, № 1, с.26 приводилось описание такой приставки для регулировки телевизионной аппаратуры с указанием на возможности расширения ее функциональных возможностей. Сегодня мы приводим рекомендации по доработке данной приставки с поставленной задачей использования ее для регулировки устройств, работающих в диапазонах ДМВ и СВЧ (селекторы каналов ДМВ, тюнеры систем спутникового телевизионного вещания и др.). Схемы конвертера радиолюбителя Публикация в названном журнале описания приставки для измерения частотных характеристик и последующие отклики радиолюбителей заставили заняться разработкой рекомендаций для массового повторения устройства, работающего в диапазонах более высоких частот. Ниже приводятся описания двух вариантов доработок приставки с генераторами на 300...900 и 800...1950 МГц. При этом оказалось, что модификация приставки не требует полной ее переделки, довольно только изменить конструкцию высокочастотного генератора. Поэтому нумерация элементов на приводимых принципиальных схемах продолжает нумерацию основной схемы приставки. На рис.1 приведена схема ГКЧ, она одинакова для обоих высокочастотны...
Для схемы "Вечный блок питания"
Для работы телевизора, компьютера, радиоприемника обязательно требуется блок стабилизированного питания. Устройства, включенные в сеть круглосуточно, а также схемы, собранные начинающим радиолюбителем, требуют абсолютно надежного блока питания (БП), чтобы не было повреждения или возгорания блока питания. А теперь несколько "страшных" историй: у одного моего друга при пробое регулирующего транзистора "вылетело" много микросхем в самодельном компьютере; у другого после замыкания ножкой стула проводов, идущих к импортному радиотелефону, расплавился блок питания; у третьего то же с питанием "советского" промышленного ТА с АОН; у начинающего радиолюбителя после КЗ блок питания начал дарить на выход большое напряжение; на производстве КЗ линии измерительных приборов почти обязательно приводит к прекращению работы и необходимости срочного ремонта. Схемы импульсных блоков мы затрагивать не будем вследствие их сложности и невысокой надежности, а рассмотрим схему компенсационного последовательного стабилизатора питания (рис.1). ...
Современные осциллографы обычно имеют несколько входов со стандартным коаксиальным (BNC) или специализированным разъемом, конструкция которого зависит, прежде всего, от полосы частот тракта вертикального отклонения . У широкополосных осциллографов входное сопротивление может выбираться равным 50 Ом для наблюдения сигналов в режиме согласования или быть большим (чаще всего, 1 МОм с параллельной емкостью в единицы-десятки пФ). При подаче сигнала непосредственно на 50-омный (или высокоомный) вход обычно реализуется стандартная чувствительность и полоса частот осциллографа. Однако, как правило, исследуемый объект располагается на некотором удалении от осциллографа и для подключения к нему последнего приходится использовать специальные согласующие устройства - пробники.
Со времен применения массовых аналоговых осциллографов с узкой полосой частот исследуемых сигналов (до десятков МГц) у большей части пользователей сохранилось этакое снисходительно-пренебрежительное отношение к применению осциллографических пробников. Нередко они используются без учета прямого назначения и ряда технических характеристик этих важных устройств. Часто при работе с одним осциллографом используются пробники от другого осциллографа. Даже примитивная коррекция пробников проводится нерегулярно.
К сожалению, такое отношение к пробникам является следствием примитивности лабораторного оборудования многих наших школ, ВУЗов и университетов. В них до сих пор можно встретить старые (порою, давно списанные) осциллографы времен СССР, метрологическое обеспечение которых давно уже не проводится. Пробники изнашиваются намного быстрее осциллографов и, по существу, являются заменяемыми в процессе эксплуатации устройствами. Неквалифицированный ремонт пробников не гарантирует сохранение их метрологических и частотновременных параметров.
В наше время такое отношение к применению осциллографов и пробников совершенно недопустимо и свидетельствует о низкой профессиональной подготовке тех, кто работает с осциллографами по старинке. И связано это с резким улучшением метрологических, частотно-временных и иных показателей современных осциллографов и совершенствованием пробников,которые превратились в специализированные, весьма тонкие и, порою - дорогие устройства. Так, стоимость некоторых типов пробников (к счастью, далеко не всех) может достигать нескольких тысяч долларов. От пробников часто в решающей мере зависит не только погрешность измерения параметров сигнала, но и просто корректность отображения формы наблюдаемых сигналов. Фактически пробники стали неотъемлемой частью осциллографа, вынесенной за пределы его корпуса.
Чаще всего дешевые пробники входят в комплект осциллографа и производятся той же фирмой, которая выпускает осциллографы.
Но и в этом случае поставляемые с современными многоканальными осциллографами пробники нередко составляют заметную часть стоимости этих приборов. Некоторые фирмы выпускают пробники, которые могут использоваться с различными (в основном, бюджетными) осциллографами. Ниже детально рассмотрены основные виды пробников, применяемых для работы с современными (в основном, цифровыми) осциллографами.
Обычно пробники используются для реализации следующих целей:
Удаленного подключения осциллографа к объекту исследования;
Уменьшения чувствительности каналов вертикального (иногда и горизонтального) отклонения и исследования сигналов повышенного уровня (пассивные пробники);
Развязки измерительных цепей от узлов осциллографа (оптические пробники);
Большого ослабления сигнала и исследования сигналов в высоковольтных цепях(высоковольтные пробники);
Увеличения входного сопротивления и уменьшения входной емкости (компенсированные делители и пробники-повторители);
Коррекции амплитудно-частотной характеристики системы "пробник-осциллограф";
Получения осциллограмм тока (токовые пробники);
Выделения противофазных сигналов и подавления синфазных сигналов (дифференциальные пробники);
Повышения чувствительности осциллографов (активные пробники);
Специальных целей (например, согласования выходов источников широкополосных сигналов с 50-омным входом осциллографа).
Простейшим и давно применяемым типом пробников являются пассивные пробники с компенсированным делителем напряжения (рис. 1). Делитель напряжения строится на резисторах R1 и R2, причем R2 может быть просто входным сопротивлением осциллографа.
Рис. 1. Схема компенсированного делителя
Параметры делителя на постоянном токе вычисляются по формулам:
R BX = R 1 + R 2 , и К д =R 2 /(R 1 + R 2).
Например, если R2 = 1 МОм и R1 = 9 МОм, то имеем R ВХ = 10 МОм и К Д = 1/10. Таким образом, входное сопротивление увеличено в 10 раз, но в 10 раз падает и уровень напряжения, поступающего на вход осциллографа.
В общем случае (на переменном токе) для коэффициента передачи делителя можно записать выражение:
где τ 1 = R 1 C 1 и τ 2 = C 2 R 2 .
Если τ 1 = τ 2 , то значение K Д определяется из (1) как:
Таким образом, при равенстве постоянных времени τ 1 и τ 2 коэффициент передачи делителя перестает зависеть от частоты и равен его значению на постоянном токе. Такой делитель называют компенсированным. Емкость C 2 - это общая емкость кабеля, монтажа и входная емкость осциллографа. Практически, для достижения условия компенсации емкость С (или C 2) нужно подстраивать, например с помощью подстроечного конденсатора переменной емкости - триммера (рис. 2.). Регулировка выполняется специальной пластиковой отверткой, входящей в комплект аксессуаров пробников. Комплектация пробника включает в себя разные наконечники, переходники, цветные наклейки и другие полезные "мелочи".
Рис. 2. Конструкция стандартного пассивного пробника HP-9250 на основе частотно-компенсированного делителя
При компенсации искажения прямоугольного импульса (меандра), обычно генерируемого встроенным в осциллограф калибратором, отсутствуют (рис. 3). При спаде вершины импульса наблюдается недокомпенсация, а при нарастании - перекомпенсация. Характер осциллограмм при этом также показан на рис. 3 (сняты осциллографом TDS2024 с пробником P2200 ). Рекомендуется проводить компенсацию при максимально большом изображении осциллограммы соответствующего канала.
Рис. 3. Осциллограммы импульсов калибратора осциллографа Tektronix TDS2024 при разной степени компенсации (сверху вниз): нормальной компенсации, перекомпенсации и недокомпенсации
Рекомендация 1 . При работе с многоканальным осциллографом применяйте пробники индивидуально для каждого канала. Для этого пометьте (если это уже не сделано на заводе) пробники наклейками разного цвета, обычно соответствующими цветам линий осциллограмм.
Для делителя 1:10 резистор R1 должен быть равен 9R 2 . Это означает, что емкость C 1 должна быть в 9 раз меньше входной емкости C 2 . Входная емкость делителя определяется последовательным соединением С 1 и C 2:
Приближенное значение справедливо при К Д >> 1 и С 1
При К Д = 10 входная емкость делителя почти в 10 раз меньше входной емкости осциллографа. Следует помнить, что в С 2 входит не только истинная входная емкость осциллографа, но и емкость С 1 увеличивается на величину емкости монтажа. Поэтому на самом деле уменьшение входной емкости делителя по сравнению с входной емкостью осциллографа будет не столь заметным.Тем не менее, именно это и объясняет заметное уменьшение искажений фронтов импульсов при работе с делителем.
Увеличение активной составляющей входного сопротивления делителя не всегда полезно, поскольку ведет к изменению нагрузки на испытуемое устройство и получению разных результатов при отсутствии делителя и при его применении. Поэтому делители часто проектируются так, чтобы входное сопротивление осциллографа оставалось неизменным как при работе без делителя, так и при работе с ним. В этом случае делитель не увеличивает входное сопротивление осциллографа, но все же уменьшает входную емкость.
Большинство пробников позволяет увеличить максимальное исследуемое напряжение на постоянном токе и низкой частоте с десятков вольт до 500...600 В. Однако на высоких частотах реактивная мощность (и активная, выделяемая на сопротивлении потерь конденсаторов пробника) резко растет и нужно снижать максимальное напряжение на входе пробника (рис. 4). Если не учитывать это обстоятельство, то можно просто вывести пробник из строя.
Рис. 4. Зависимость максимального напряжения на входе пробника от частоты
Разновидностью пассивных пробников являются высоковольтные пробники . Обычно они имеют коэффициент деления 1/100 или 1/1000 и входное сопротивление 10 МОм или 100 МОм. Маломощные резисторы делителя пробника обычно выдерживают без пробоя напряжения до 500...600 В. Поэтому в высоковольтных пробниках резистор R1 (и конденсатор C1) приходится выполнять с применением последовательно включенных компонентов. Это увеличивает размеры измерительной головки пробника.
Вид высоковольтного пробника Tektronix P6015A показан на рис. 5. Пробник имеет корпус с хорошей изоляцией с выступающим кольцом, предотвращающим соскальзывание пальцев к цепи, осциллограмма напряжения которой снимается. Пробник можно использовать при напряжении до 20 кВ (на постоянном токе) и до 40 кВ (при импульсах большой скважности). Частотный диапазон осциллографа с таким пробником ограничен 75 МГц, чего с избытком достаточно для измерений в высоковольтных цепях.
Рис. 5. Внешний вид высоковольтного пробника Tektronix P6015A
Рекомендация 4. При работе с высоковольтными пробниками соблюдайте максимально возможные меры предосторожности. Вначале подключите провод заземления, а лишь затем подключите иглу пробника к точке, осциллограмму напряжения на которой нужно получить. Рекомендуется закрепить пробник и вообще убрать руки от него при проведении измерений.
Высоковольтные пробники выпускаются как для цифровых, так и для аналоговых осциллографов. Например, для широкополосных аналоговых осциллографов серии ACK-7000 и АСК-8000 выпускается пробник HV-P30 с полосой частот до 50 МГц, коэффициентом деления 1/100, максимальным напряжением синусоиды (от пика до пика) 30 кВ и максимальным напряжением импульсного сигнала до 40 кВ. Входное сопротивление пробника составляет 100 МОм, входная емкость - 7 пФ, длина кабеля - 4 м, выходной разъем типа BNC. Другой пробник, HV-P60 с коэффициентом деления 1/2000, может применяться при максимальных напряжениях до 60 кВ для синусоидального и до 80 кВ - для импульсного сигналов. Входное сопротивление пробника равно 1000 МОм, входная емкость - 5 пФ. О качестве этих изделий красноречиво говорит их высокая цена.
Часто пассивные пробники используются для коррекции амплитудно-частотной характеристики осциллографов. Иногда это коррекция, рассчитанная на расширение полосы частот, но чаще решается обратная задача - сужение полосы частот для уменьшения влияния шума при наблюдении сигналов малого уровня и устранения быстрых выбросов на фронтах импульсных сигналов. Такими пробниками (P2200) комплектуются массовые осциллографы серий "Tektronix TDS1000B/2000B". Внешний вид пробника показан на рис. 6.
Рис. 6. Пассивный пробник P2200 с встроенным фильтром низких частот в положении переключателя деления напряжений 1/10
Основные параметры пробников приведены в табл. 1.
Таблица 1. Основные параметры пассивных пробников P2200
| К д | R вх , МОм | С вх , пФ | f макс , МГц | U вхмакс , В |
Из табл. 1 хорошо видно, что применение пробника с коэффициентом деления 1/1 целесообразно только при исследовании низкочастотных устройств, когда достаточно полосы частот до 6,5 МГц. Во всех других случаях целесообразно работать с пробником при коэффициенте деления 1/10. При этом входная емкость уменьшается со 110 пФ до примерно 15 пФ, а полоса частот расширяется с 6,5 МГц до 200 МГц. Осциллограммы меандра с частотой 10 МГц, показанные на рис. 7, получены с помощью осциллографа TDS2024В с пробниками P2200. Они хорошо иллюстрируют степень искажения осциллограмм при коэффициенте деления 1/10 и 1/1. В обоих случаях использовалось стандартное включение пробников с зацепляющейся насадкой и длинным проводом заземления (10 см) с "крокодилом". Меандр с временем нарастания 5 нс был получен от генератора Tektronix AFG3101.
Рис. 7. Осциллограммы импульсов (меандра) с частотой 10 МГц при коэффициенте деления 1/10 (верхняя осциллограмма) и 1/1 (нижняя осциллограмма)
Нетрудно заметить, что в обоих случаях осциллограммы наблюдаемого сигнала (а он у генераторов AFG3101 на частоте 10 МГц близок к идеальному и имеет гладкие вершины без намека на "звон") сильно искажены. Однако характер искажения разный. При положении делителя 1/10 форма сигнала близка к меандру и имеет фронты малой длительности, но искажена затухающими колебаниями, возникающими из-за индуктивности длинного заземляющего провода (рис. 8). А в положении делителя 1/1 затухающие колебания пропали, но явно заметно значительное возрастание постоянной времени системы "пробник-осциллограф". В результате вместо меандра наблюдаются пилообразные импульсы с экспоненциальными нарастанием и спадом.
Рис. 8. Схема включения пробника к нагрузке RL
Приведем типовые данные схемы (рис. 8): внутреннее сопротивление источника сигнала R I = 50 Ом, сопротивление нагрузки R L >>R I , входное сопротивление пробника R P = 10 МОм, входная емкость пробника C P = 15 пФ. При таких параметрах элементов схемы она вырождается в последовательный колебательный контур, содержащий сопротивление R ≈ R I , индуктивность земляного провода L ≈ L G (порядка 100-120 нГ) и емкость C ≈ C P .
Если на вход такого контура подать идеальный перепад напряжения E, то временная зависимость напряжения на C (и входе осциллографа) будет иметь вид:
где α = R/2L, и δ= √ (1/LC - R 2 /4L 2).
Расчеты показывают, что эта зависимость может иметь значительный выброс при больших L и малых R, что и наблюдается на верхней осциллограмме рис. 7. При α/δ = 1 этот выброс составляет не более 4 % от амплитуды перепада, что является вполне удовлетворительным показателем. Для этого величину L = L G надо выбирать равной:
Например, если C =15 пФ и R = 50 Ом, то L = 19 нГ Для уменьшения L до такой величины (с типовой порядка 100-120 нГ для земляного провода длиной 10 см) надо укоротить земляной (возможно и сигнальный) провод до длины менее 2 см. Для этого следует снять насадку с головки пробника и отказаться от использования стандартного земляного провода. Начало пробника в этом случае будет представлено контактной иглой и цилиндрическим земляной полоской (рис. 9) с малой индуктивностью.
Рис. 9. Головка пробника со снятым наконечником (слева) и переходник к коаксиальному разъему (справа)
Эффективность применяемых для борьбы со "звоном" мер иллюстрирует рис. 10. На нем показаны осциллограммы 10 МГц меандра при обычном включении пробника и включении со снятой насадкой и без длинного провода земли. Хорошо видно практически полное устранение явных затухающих колебательных процессов на нижней осциллограмме. Небольшие колебания на вершине связаны с волновыми процессами в соединительном коаксиальном кабеле, который в таких пробниках работает без согласования на выходе, что порождает отражения сигнала.
Рис. 10. Осциллограммы 10 МГц меандра при обычном включении пробника (верхняя осциллограмма) и включении со снятой насадкой и без длинного провода земли (нижняя осциллограмма)
Рекомендация 6 . Для получения осциллограмм с предельно малыми временами нарастания и "звоном" необходимо принять меры по предельному уменьшению индуктивности измеряемой цепи: удаляют насадку пробника и подключают пробник с помощью иглы и цилиндрической заземляющей вставки. Принимают все возможные меры по уменьшению индуктивности цепи, сигнал в которой наблюдается.
Важными параметрами системы "пробник-осциллограф" является время нарастания системы (на уровнях 0,1 и 0,9) и полоса частот или максимальная частота (на уровне спада чувствительности на 3 дБ). Если воспользоваться известным значением резонансной частоты контура
f 0 = 1/(2π√(LC))
то можно выразить значение R через резонансную частоту контура, определяющую предельную частоту тракта отклоняющей системы:
Нетрудно доказать, что время достижения напряжением u(t) значения E амплитуды перепада будет равно:
t p = 2,2RC. (7)
Это значение обычно и принимают за время установления пробника с оптимальной переходной характеристикой. Общее время нарастания осциллографа с пробником можно оценить как:
t 0 = √(t 2 осц + t 2 р) , (8)
где t осц - время нарастания осциллографа (при подаче сигнала прямо на вход соответствующего канала). Верхняя граничная частота f макс (она же и полоса частот) определяется как
f макс = 0,35/t 0 . (9)
К примеру, осциллограф, имеющий t 0 = 1 нс, имеет f макс = 350 МГц. Иногда множитель 0,35 увеличивают до 0,4...0,45, поскольку АЧХ многих современных осциллографов с f макс > 1 ГГц отличается от гауссовской, для которой характерен множитель 0,35.
Не стоит забывать о еще одном важном параметре пробников - времени задержки сигнала t з. Это время определяется, прежде всего, погонным временем задержки (на 1 м длины кабеля) и длиной кабеля. Оно обычно составляет от единиц до десятков наносекунд.
К нужным точкам исследуемых устройств пробник может подключаться с помощью различных наконечников, насадок, зацепок и "микро-крокодилов" которые часто входят в комплект аксессуаров пробника. Однако, для наиболее точных измерений, пробник необходимо подключать с помощью первичной иглы или двух игл (см. рис. 11). При разработке высокочастотных и импульсных устройств на печатной плате для этого предусматриваются специальные контактные площадки или металлизированные отверстия.
Рис. 11. Подключение пробника к контактным площадкам печатной платы исследуемого устройства
Особенно актуально стало сейчас подключение пробников к контактным площадкам миниатюрных печатных плат, гибридных и монолитных интегральных микросхем . Держать в руках пробники в этом случае неудобно, а соскальзывание иглы с контактной площадки может вызвать замыкание или даже механическое повреждение устройства. Специальные наконечники позволяют подключать пробники к выводам микросхем и контактным выводам печатных плат даже при их малых размерах (рис. 12).
Рис. 12. Специальные наконечники пробников для подключения к микросхемам и контактным выводам печатных плат
Рекомендация 8. Необходимо продумать способ подключения пробника к контрольным точкам исследуемого устройства (схемы) и фиксацию измерительной головки пробника. Непродуманное применение пробника может не только сильно исказить осциллограмму в контрольной точке, но и повредить испытуемое устройство, например, микросхему.
Конструкции пассивных пробников и приспособлений к ним (аксессуаров) постоянно совершенствуются. На рис. 13 показано начало эволюции пробников ведущей в разработке и производстве осциллографов корпорации Tektronix . Пока описанные выше пробники относились к их первому поколению - на основе стандартного 50-омного коаксиального разъема BNC (рис. 13а).
Рис. 13. Интерфейсы пробников XX века корпорации Tektronix
С ростом полосы частот пробника приходится применять улучшенные изолирующие и проводящие материалы, а также специальные цепи коррекции переходной и частотной характеристик. Кроме того, возникла необходимость передачи осциллографу данных о типе применяемых пробников о меняющихся в ходе работы коэффициентах деления.
Некоторые осциллографы, например, Tektronix TDS1000B/2000B,способны распознавать коэффициенты деления обычных пробников. Есть пробники, например, пассивные Tektronix P6105A, P6106, P6158, конструкция разъема которых предусматривает выдачу сигнала (Readout) о коэффициенте деления пробника (рис. 13б). На рис. 14 показан внешний вид одного из таких пассивных пробников P6109.
Рис. 14. Внешний вид пассивного пробника P-6109 c выводом Readout
Однако более мощные осциллографы могут работать с большим набором пробников, поэтому задача их распознавания, а также их коэффициентов деления приобрела актуальный характер. В связи с этим компанией Tektronix была создана специальная архитектура и конструкция пробников, обеспечивающая двухсторонний обмен информацией между осциллографом и пробником,необходимый не только для точной передачи преобразованных пробником сигналов и данных о пробнике на вход осциллографа, но и передачу данных от осциллографа к пробнику при дистанционном управлении устройствами.
Выпускаются пассивные, активные, дифференциальные и оптические пробники этого типа. Широкое применение нашли и пробники с интерфейсом TekProbe, созданные в 1986 г. (рис. 13в). Для съема данных об установленном коэффициенте деления используются пружинящие штыри-пины с остриями, контактирующие с контактными площадками входного разъема каналов осциллографа. Аналогичные по назначению пробники выпускаются и другими производителями осциллографов.
Особым видом пробников являются "оптические пробники". Есть два вида таких пробников: для приема оптического излучения (например, от лазерных импульсных источников излучения)и пробники, использующие оптроны (комбинацию светодиода и фотодиода) для гальванической развязки от "земли" осциллографа. Часто этого достаточно для снятия осциллограммы напряжения между двумя любыми точками устройства (схемы). На рис. 15 показан внешний вид оптических пробников Tektronix P6701B.
Рис. 15. Внешний вид оптических пробников Tektronix P6701B
Рекомендация 9 . Для измерений напряжений между двумя контрольными точками устройства (схемы) можно использовать пробники с гальванической(оптической) развязкой от земли осциллографа. Необходимо учесть, что есть альтернативный вариант таких измерений с помощью дифференциальных пробников (см. ниже). Однако они применяются при исследовании низковольтных устройств.
Часто возникает необходимость в осциллографировании не напряжений, а токов. Для этого используется включение в разрыв цепи низкоомного шунта и преобразование тока в напряжение в соответствии с формулой U = RI. Например, если чувствительность осциллографа равна 5 мВ/дел, то при сопротивлении шунта R = 1 Ом получаем чувствительность по току 5 мА/дел. Этот метод имеет целый ряд недостатков:
Шунт включается в разрыв цепи, что требует отключения устройства и проведения монтажных работ;
Прецизионный шунт является дорогим и редким изделием;
При измерении больших токов шунт надо делать очень низкоомным;
Возможен разогрев шунта;
Даже малая индуктивность шунта создает большую постоянную времени L/R, что удлиняет фронты наблюдаемых импульсов тока и ограничивает полосу наблюдаемых частот.
В связи с этим были созданы бесконтактные токовые пробники, принцип действия которых основан на регистрации магнитного поля, появляющегося вокруг проводника при пропускании через него тока (рис. 16). Для повышения чувствительности головка пробника выполняется в виде токового трансформатора, принцип действия которого хорошо известен.
Рис. 16. Принцип контроля тока в проводнике по его магнитному полю
На рис.17 показан внешний вид токового пробника TCP202 с интерфейсом TekProbe с максимальным измеряемым током (постоянным и переменным) до 15 А. Измерительная головка пробника построена по аналогии с токовыми клещами, давно применяемыми в мультиметрах с бесконтактным измерением тока с помощью токового трансформатора. Но она более миниатюрна и предназначена для измерения малых токов.
Рис. 17. Токовый пробник Tektronix TCP202 с интерфейсом TekProbe
С помощью отжима "токовых клещей" их можно разомкнуть и вставить в отверстие провод, ток в котором измеряется и наблюдается. Для увеличения чувствительности и измерения малых токов можно создать обмотку из провода, содержащую несколько витков (рис. 18). Для измерения суммарных и разностных токов возможна вставка в отверстие измерительной головки двух проводников. Значения чувствительности для того или иного способа измерений можно найти в описании пробника. При использовании специального калибратора тока погрешность измерения тока после калибровки составляет ±1% для токов от 0,05 до 5 А и ±2% для токов от 5 до 15 А.
Рис. 18. Измерительная головка пробника Tektronix TCP202
При отказе от измерения постоянного тока можно существенно расширить диапазон измеряемых токов. Tektronix, к примеру, выпускает токовые пробники A621 с диапазоном токов от 0,1 до 2000 А в диапазоне частот от 5 Гц до 50 кГц с диаметром токовых клещей 54 мм. Такие пробники используются для контроля токов в мощных энергетических установках, например подстанциях и силовых трансформаторах.
Рекомендация 10. При измерениях средних и больших токов (от единиц мА до тысяч А) разумно применять специальные бесконтактные токовые пробники на основе датчиков магнитного поля, возникающего вокруг проводника с током. Повышение чувствительности достигается созданием обмотки датчика из одного или нескольких витков. Необходимо обратить внимание на такие важные параметры токовых датчиков, как диапазон измеряемых токов, погрешность измерений и частотный диапазон (он обычно уже, чем у пробников напряжения).
Владимир Дьяконов (г. Смоленск)
Добрый день Вам. А нельзя ли воочию увидеть Вашу схемку дифференциального щупа?
Искал активный щуп, думаю попробовать им обмануть свой древний осцилограф ЛО-70, в нём нет открытого входа, наткнулся на Вашу разработку, думаю если "покажется" схемка, сейчас она выглядит в виде "закрытой" картинки, то изготовлю, в жизни пригодится.
С ув. Дмитрий.
Доступ открыл к картинке.
Только только обмануть ЛО-70 вам таким способом не удастся: там между каскадами постоянное напряжение отсекают конденсаторами. Надо всю схему вертикальной развертки менять.
Этот щуп нужен для тестирования блоков питания и электроприводов, когда надо смотреть напряжение в двух гальванически развязанных схемах сразу.
Как в реальности выглядит.
Диф. каскад вставляемый в осциллограф.
Схему вертикальной развертки осциллографа по моей схеме не сделать, так как там выход нужен +-100В. Микросхему ОУ на напряжение питания 200В сложно найти.
В интернете есть готовая схема модернизации.
Ей даже внешний источник напряжения не нужен, достаточно выпрямителя с сглаживающими конденсаторами на обмотку накаливания ламп добавить, что бы получить +-6.3В.
http://www.irls.narod.ru/izm/osc/oscpr01.htm
Спасибо Вам что отвечаете!
Я не так силен в схемотехнике осцилографов, хотя приходил к мысли используя трубку ЛО247 этого осцилографа, переделать под транзисторную схему, но в данный момент этот осцилограф мне нужен на работе, у нас несколько сварочных полуавтоматов типа ВДУ 506 и 1201 и там без осцилографа никак. В скором времени думаю запаять плату радиоконструктора-осцилографа DSO-138, при его успешном запуске возможно возьмусь за реконструкцию ЛО-70, но с элементной базой совсем туго, некоторые радиодетали используемые в схемах переделки попросту не приобрести у нас.
Вы все же применили Аналог Девайс, почему не оставили 318 ? и нужна ли кориектировка схемы под данную МС?
Еще раз спасибо Вам.
Edited at 2016-08-14 17:28 (UTC)
Я же написал, что она быстрее, только стоит очень дорого. Для корректирования надо только убрать конденсаторы по 10пФ, все остальное остается так же. По ногам они совпадают.
На lm318 я для работы делал, она тоже работает.
Для DSO-138 я не вижу смысла в использовании такого щупа, так как у него только один вход.
Тогда прошу прошения - возможно я недопонял, диф.щуп ведь подключается к однолучевому осцилогафу или к двухлучевому? По схеме мне кажется в вывода 6 МС LM318 идет выход подпертый на массу резистором 2к4, возможно надо делать два устройства. Извините.
С ув. Дмитр.
Диф. щуп можно к любому осциллографу подключать, он отличается от обычного только высоким сопротивлением "заземленного" вывода, который обычно с крокодилом.
Суть такая, если использовать два обычных щупа и крокодилы обоих щупов зацепить к точкам с разным напряжением, то то сквозь эти крокодилы пойдет большой ток, так как внутри осциллографа они объединены вместе.
Что бы этого не произошло, надо один из щупов заменить на дифференциальный, у которого оба вывода обладают высоким сопротивлением.
Еще он может пригодиться если осциллограф заземлен и от заземления избавиться невозможно, то тогда, в случае тестирования другой заземленной установки, даже с одним щупом может ток через "крокодил" пойти. Но это уже экзотика, так как от заземления можно легко куском изоленты избавиться.
Твой dso от батарейки и имеет один вход, поэтому использовать диф. щуп смысла нет в любом случае.
Как изготовить кабель-щуп для низкочастотного виртуального осциллографа?
О том, как изготовить простой низкочастотный кабель-щуп для осциллографа. https://сайт/
Подобный кабель целесообразно изготовить, даже имея набор профессиональных кабелей. Благодаря тонкому, гибкому проводу и небольшим габаритам, он может стать хорошей альтернативой громоздким и неудобным промышленным кабелям. Конечно, область применения ограничивается ремонтом аудиотехники, но если использовать виртуальный осциллограф на основе аудиокарты, то более серьёзный кабель может никогда и не понадобится.
Самые интересные ролики на Youtube
 |
 |
 |
 |
Близкие темы.
Конструкция и детали.
В качестве корпуса для щупа подойдёт оболочка от фломастера или маркера. Экранированный провод тоже сгодится любой, хотя лучше выбрать более эластичный.
На чертеже изображён щуп в разрезе. https://сайт/
- Остриё – цыганская игла.
- Защитная трубка – кембрик.
- Втулка – сталь или латунь.
- Стопорный винт – М3, сталь.
- Корпус – оболочка маркера.
- Кабель – провод экранированный.
- Отверстие в корпусе – Ø3мм.
- Втулка – М3, латунь.
- Общий провод.
- Скоба – узел крепления общего провода, латунь.
- Шайба – М3, сталь.
- Зажим – латунь.
- Стопорный винт – М3, сталь.
- Отверстие в заглушке – Ø3мм.
- Заглушка – оболочка маркера.
- Защитная трубка – кембрик.
Втулка поз.3 вклеена в отверстие оболочки маркера. Диаметр отверстие во втулке поз.3 чуть больше диаметра иглы.
Стопорный винт поз.4 фиксирует иглу во втулке поз.3.
Экранирующая оплётка кабеля припаяна к втулке поз.12, а центральный провод к игле поз.1.
Стопорный винт поз.13 фиксирует кабель во втулке поз.12.
Втулка поз.8 вкручивается в зажим поз.12, предварительно пройдя через отверстия поз.7, поз.14 и отверстие в шайбе поз.11. Таким образом, втулка поз.8 обеспечивает соединение всех элементов конструкции.
На этой картинке можно увидеть, как выглядят внутренности щупа в реальности.
Вот, что получилось.
Входная емкость современных осциллографов составляет порядка 30...50 пФ. При измерениях к ней добавляется емкость соединительного кабеля, и суммарная входная емкость достигает 100...150 пФ. Это может привести к существенному искажению результатов измерений и неправильной настройке, например, фильтров-пробок выходных каскадов усилителей записи магнитофонов. Вот почему при проведении исследований в цепях, критичных к вносимой емкости измерительного прибора, необходимо применять специальные согласующие устройства, имеющие большое входное сопротивление и небольшую емкость.
Для большинства практических работ необходимы два основных вида устройств: для гармонических сигналов малой амплитуды (1...50 мВ) с коэффициентом передачи К>1 и для сигналов большой амплитуды (до 10...20 В), позволяющие передавать постоянную составляющую сигнала и имеющие коэффициент передачи К=0,2...0,5.
Широкое распространение в последние годы быстродействующих аналоговых и цифровых микросхем, работающих при сравнительно больших напряжениях (ОУ широкого применения, микросхемы серии К561-до 15 В), выявило необходимость устройства, работающего в широком диапазоне напряжений с возможностью передачи постоянной составляющей сигнала.
Схема такого устройства в виде щупа приведена на рис. 1. Он выполнен по классической схеме истокового повторителя с использованием транзистора МОП-структуры и содержит минимальное количество деталей. Диапазон рабочих частот составляет О...5 МГц. Питание осуществляется от любого источника тока напряжением 7...15 В, например, аккумуляторной батареи 7Д-0,115-У1.1 или гальванических батарей "Крона", "Корунд". Входная емкость щупа - не более 4 пФ, входное сопротивление - не менее 3 МОм. Выходное напряжение при Uвх=0 co-ставляет 2,5 В. Диапазон входных напряжений в области отрицательных значений (до отсечки) - 7 В, в области положительных значений (до начала ограничения) составляет 13 В при Uпит=9В и 26В при Uпит=15В.
Коэффициент передачи в указанном диапазоне частот составляет 0,4.
Резисторы R1 и R2 образуют входной делитель напряжения, конденсатор С1 служит для частотной компенсации.
Ввиду значительного разброса параметров конкретных экземпляров транзисторов характеристики конструкций щупов также могут отличаться в основном по напряжению отсечки и коэффициенту передачи. Для получения максимального рабочего диапазона в области отрицательных значений входных напряжений необходимо применять транзисторы с максимальным (по абсолютной величине) напряжением отсечки. Автором был применен транзистор с Uзи oтc=4,2 В. Большинство транзисторов КП305И имеют меньшее значение Uзи отс, поэтому при необходимости напряжение отсечки щупа может быть увеличено путем уменьшения коэффициента передачи входного делителя, например, увеличив сопротивление резистора R1. Впрочем, для многих измерений, где требуется настройка по максимуму или минимуму напряжения, значение напряжения отсечки щупа не является существенным, поскольку настройку можно проводить по положительной полуволне сигнала.
Щуп собран в корпусе от фломастера. Монтаж объемный, без применения дополнительных конструктивных элементов. Выводы радиоэлементов соединены непосредственно между собой. Щуп подключают к осциллографу экранированным кабелем длиной не более 30 см.
Монтируя щуп, следует принимать меры по предупреждению пробоя полевого транзистора статическим электричеством и наводками от сети.
Настройка устройства заключается в калибровке для получения требуемого коэффициента передачи и подборе емкости конденсатора С1. Проведение калибровки потребует применения регулируемого источника постоянного тока и вольтметра. Подбором сопротивления резистора R1 устанавливают коэффициент передачи К=0,4 (или 0,5), при этом учитывают начальное напряжение смещения на выходе.
При подборе емкости конденсатора С1 необходим генератор прямоугольных импульсов с амплитудой сигнала на выходе 2...10 В и частотой следования 1...10 кГц. Для обеспечения крутых фронтов можно использовать триггерный делитель частоты, например, на микросхемах серий К155, К176, К561. Изменением емкости конденсатора С1 частотной компенсации добиваются получения на экране осциллографа прямоугольных импульсов без завала фронтов, амплитуда выбросов на фронтах должна быть не более 10 % от амплитуды импульсов. Слишком большая емкость вызывает значительные выбросы по фронтам, недостаточная - их затягивание.
На корпус изготовленной конструкции необходимо нанести надписи параметров устройства - входной емкости, сопротивления и коэффициента передачи.
При проведении измерений с отсчетом постоянной составляющей осциллограф необходимо скорректировать по уровню отсчета. Для этого следует замкнуть вход щупа и луч осциллографа установить на нулевую отметку.
