Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Budowa różnicowej sondy oscyloskopowej 1MHz - schematy, opis, montaż

Ceny współczesnych oscyloskopów osiągnęły bardzo niski poziom. Niestety nie można tego powiedzieć o sondach różnicowych. W EdW 5/2019 opisano sondę o paśmie 20MHz. W niniejszym artykule dla mniej wymagających elektroników przedstawiam opis jeszcze tańszej sondy o paśmie 1MHz. Pasmo 1MHz nie jest wartością wygórowaną, ale w wielu zastosowaniach wystarczającą.
Article Image

Opisywana sonda może być tanią alternatywą dla sond profesjonalnych. Niezbyt szerokie pasmo pozwala z powodzeniem badać magistrale różnicowe, takie jak RS485, RS422, CAN, DMX oraz (oczywiście przy zachowaniu odpowiedniej ostrożności) badać przebiegi w sterowanych fazowo obwodach 230V. Uruchomienie sondy nie jest proste i wymaga trochę cierpliwości. Teoretycznie, według autora pierwowzoru („Elektor” 9/2010) pasmo sondy osiąga 1MHz. Czy jest ono osiągalne w praktyce? Na to pytanie można znaleźć odpowiedź w artykule, bez potrzeby budowania urządzenia.

Różnicowa sonda oscyloskopowa 1MHz - charakterystyka

Sonda może oddać nieocenione usługi podczas uruchamiania wszelkich różnicowych linii transmisyjnych, dzięki czemu wystarczy jeden kanał oscyloskopu, a nie dwa. Ponadto napięcie wspólne linii może być stosunkowo wysokie bez wpływu na jakość oglądanego przebiegu. Kolejnym zastosowaniem jest badanie obwodów 230V w regulatorach fazowych. Wydawać by się mogło, że do tego wystarczy sonda wysokonapięciowa, ale ze względu na to, że przewód PE oscyloskopu jest najczęściej połączony z masą, użycie sondy wysokonapięciowej może powodować przedostawania się zakłóceń, spowodowaną różnicą w poziomach napięć linii PE i N, a złe podłączenie doprowadzić do zwarcia.

Rys.1 Różnicowa sonda oscyloskopowa 1MHz - schemat ideowy

Opis układu - różnicowa sonda oscyloskopowa 1MHz

Schemat ideowy sondy pokazany jest na rysunku 1. Układ zasilany jest z zasilacza symetrycznego ±12...15V doprowadzonego do złącza J1. Diody D1 i D9 zabezpieczają układy scalone przed uszkodzeniem spowodowanym błędną polaryzacją napięcia zasilającego. C1, C2 filtrują napięcie zasilające podobnie jak C3 i C4. Napięcie zasilające U1 jest filtrowane z wykorzystaniem dolnoprzepustowego filtru RC zbudowanego z R6, C7 i R7, C8.

Rys.2 Różnicowa sonda oscyloskopowa 1MHz - płytka drukowana

Badany przebieg trafia na dzielnik napięciowy złożony z rezystora 10MΩ i 51kΩ. Rezystor 10MΩ (można użyć 5MΩ, ograniczając maksymalne napięcie wejściowe sondy) musi być rezystorem wysokonapięciowym, można go też złożyć z pięciu rezystorów 2MΩ połączonych szeregowo. Na płytce przewidziano obie opcje. Trymery C6, C12 pozwalają na kompensację sondy dla przebiegów przemiennych. D2, D4, D7, D8 zabezpieczają wejścia wzmacniaczy przed zbyt wysokim napięciem. Bufory wzmacniacza różnicowego, o dużej rezystancji wejściowej zbudowanej na U1, umożliwiają ograniczenie pasma sondy do 500kHz za pomocą przełącznika S1. Wzmocnienie pierwszego stopnia ustalają rezystory sprzężenia zwrotnego R8, R11 i R13, D12. Wzmocnienie drugiego stopnia może być zmieniane przełącznikiem S2. Potencjometry w obwodzie sprzężenia zwrotnego pozwalają na kalibrację układu. Sygnał z wyjścia wzmacniacza, dopasowany rezystorem R17 do typowej impedancji kabla ekranowanego, jest wyprowadzony na złącze BNC J3. Obwód z tranzystorem T1 oraz diodami Zenera D2, D6 i diodą świecącą sygnalizują obecność napięcia zasilającego.

Montaż i uruchomienie różnicowej sondy oscyloskopowej 1MHz

Układ można zmontować na płytce drukowanej, której projekt pokazany jest na rysunku 2. Standardowo montujemy układ, zaczynając od elementów najmniejszych, a kończąc na największych. Fotografia 1 pokazuje model.

Sondę po zbudowaniu należy skalibrować. W pierwszym kroku wszystkie potencjometry ustawiamy w środkowe położenia, dotyczy to zwłaszcza P5. Następnie, po podaniu wymaganego napięcia zasilającego i podłączeniu wyjścia sondy do oscyloskopu, na wejście J2 należy podać przebieg prostokątny 1...10kHz o amplitudzie 10...20V, J3 zewrzeć z masą. Badając przebieg na wyjściu sondy, trymerem C6, skompensować wejście. Dla uzyskania poprawnego przebiegu konieczne może być skorygowanie wartości C5.

Rys.3 Oscylogram poprawnie skompensowanej sondy

Rysunek 3 pokazuje oscylogram poprawnie skompensowanej sondy. Przebieg z rysunku 4 zobaczymy, gdy pojemność trymera jest zbyt mała, a z rysunku 5 – zbyt duża. Tę samą procedurę należy przeprowadzić dla wejścia J4.

Rys.4 Oscylogram gdy pojemność trymera jest zbyt mała
Rys.5 Oscylogram gdy pojemność trymera jest zbyt duża

W kolejnym kroku, ustawiając S2 w górnym (na schemacie) położeniu, regulujemy potencjometrem P1 sumaryczne wzmocnienie wzmacniaczy U1 i U2 na 50 (25 dla rezystorów wejściowych 5MΩ), co daje tłumienie sondy 200:1 (100:1 dla rezystorów wejściowych 5MΩ). Zmieniając położenie S2, potencjometrem P2 ustawiamy wzmocnienie 10 razy większe, co da tłumienie 10:1 (5:1). W kolejnym kroku, na oba wejścia sondy (J2 i J4) podajemy ten sam przebieg. Zależnie od położenia S1 potencjometrem P3 lub P4 doprowadzamy do jak najsilniejszego stłumienia przebiegu wejściowego. Ze względu na to, że regulacja tłumienia i wzmocnienia wzajemnie na siebie wpływają, regulację trzeba powtórzyć kilkakrotnie. Ze względu na pojemności układu i wpływ dłoni regulację najlepiej przeprowadzić po zamknięciu sondy w obudowie, przez otwory w niej wykonane, plastikowym wkrętakiem.

Rys.6
Rys.7
Rys.8
Rys.9
Rys.10
Rys.11
Rys.12
Rys.13

W prototypie nie udało się osiągnąć parametrów zadeklarowanych w „Elektorze” 9/2010. Na rysunkach 6...13 pokazano oscylogramy przebiegu sinusoidalnego i prostokątnego o wypełnieniu 70% dla 1, 10 i 100kHz. Wnioski pozostawiam do wyciągnięcia Czytelnikom. Można przyjąć, że sonda nadaje się do badania przebiegów do ok. 10kHz. Warto zaznaczyć, że dużym problemem było częste przesuwanie się poziomu zera, co wymagało korekty potencjometrem P5.

Fot.2 Obudowa KM-80 ekranowana grafitem
Fot.3 Masa sondy połączona z ekranem na obudowie

Płytka drukowana zaprojektowana jest do obudowy KM-80. Obudowę należy ekranować np. grafitem, jak pokazuje fotografia 2, lub samoprzylepną folią aluminiową. Trzeba zadbać o to, aby masa sondy była połączona z ekranem na obudowie, co widać na fotografii 3.

Wykaz elementów
R4, R18
10M* - THT patrz tekst
Rezystory 1206:
 
R1
47kΩ
R3
1,8kΩ
R8,R9,R13,R20
1kΩ 1%
R21,R22,R23,R24,R25,R26,R27,R28,R29 R30
2MΩ 1%
R10,R15
4,7kΩ
R6,R7
10Ω
R17
51Ω
R5,R19
41kΩ
R14,R16
470Ω
R11,R12
160Ω
P1,P3,P5
4,7kΩ - 3266W
P2,P4
470Ω - 3266W
C1,C2
100uF/25V CE6.3/2,5
C5,C11
47pF ceram. 1206
C3,C4,C7,C8
100nF ceram. 1206
C9,C10
330p ceram. 1206
C6,C12
25pF trymer 2...25pF
U1,U2
NE5532 SO-8
D3,D4,D7,D8
BAS85
T1
BC857
D1,D9
SM4007
D2,D6
C5V6
D5
dioda LED zielona THT
J1
NS25-G3
J2,J4
gniazdo bananowe 4mm
J3
gniazdo BNC kątowe do PCB
S1,S2
przełącznik 2 pozycje, dwie sekcje
Tematyka materiału: oscyloskop
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich styczeń 2020
Udostępnij
UK Logo