Budowa różnicowej sondy oscyloskopowej 20MHz - opis, schematy, montaż

Biorąc pod uwagę, że w niektórych przypadkach takich sond potrzeba kilka, okazują się one zupełnie nieosiągalne dla amatorów czy nawet małych firm. Jest jednak dobra wiadomość: jeżeli pasmo sondy 20MHz będzie wystarczające, można ją wykonać samodzielnie za 100...150zł. Ten projekt jest tego dowodem.

Opisywana sonda umożliwia badanie sygnałów różnicowych do ±450V wartości szczytowej, tłumi sygnał w stosunku 100:1 lub 10:1, zależnie od ustawienia przełącznika wzmocnienia. Sondy różnicowe są bardzo wygodne, a czasem wręcz niezbędne przy pracach z urządzeniami zasilanymi napięciem sieci energetycznej, tym bardziej że w większości oscyloskopów przewód uziemiający PE jest połączony z masą oscyloskopu. Przydatne są także do kontrolowania magistrali różnicowej takiej jak na przykład RS485/422.

Różnicowa sonda oscyloskopowa 20MHz

Opis układu - różnicowa sonda oscyloskopowa 20MHz

Sonda została zbudowana na podstawie znalezionych w Internecie skanów artykułu, sądząc ze sposobu narysowania schematu prawdopodobnie z „Elektora”. Ten oryginalny schemat jest pokazany na rysunku 1a.

Rys.1a Oryginalny schemat - różnicowa sonda oscyloskopowa 20MHz

Zmodyfikowany został układ zasilania oraz projekt płytki drukowanej, która została dostosowana do obudowy KM-80. Schemat zmodyfikowanej konstrukcji widoczny jest na rysunku 1b. Najważniejszym elementem sondy jest szerokopasmowy wzmacniacz operacyjny U2. Wzmacniacz ten zawiera dwa wzmacniacze operacyjne i bufor.

Rezystory R15, R16 ustalają wzmocnienie 2V/V. P1 wraz z R8 i R14 umożliwiają kompensację napięcia niezrównoważenia wzmacniacza. Rezystancja R14 jest w przybliżeniu równa rezystancji równolegle połączonych R15, R16, co niweluje napięcie niezrównoważenia wzmacniacza. Wartości R15, R16 nie są krytyczne, ale mają wpływ na pasmo przenoszenia, pobór prądu i wzmocnienie, dlatego nie należy zanadto ich zmieniać wartości.

Rys.1b Różnicowa sonda oscyloskopowa 20MHz (modyfikowany układ zasilania oraz projekt płytki drukowanej)

Ze względu na wymaganą precyzję zaleca się rezystory 0,1%. Godząc się na mniejszą dokładność, można zastosować rezystory 1%. W żadnym wypadku nie powinny to być popularne 5% ze względu na ich słabą stabilność temperaturową, co może spowodować niemożność skalibrowania sondy lub szybkie jej rozkalibrowanie.

Badany sygnał jest tłumiony w dzielniku złożonym z R5, R6, R7, R11 oraz R10, R11, R13, P2 wnoszącym tłumienie 201:1. Jeśli tłumienie miałoby być równe dokładnie 200, należałoby zastosować inne wartości rezystorów. Przy aktualnych wartościach sumaryczne tłumienie odbiega od założonego o 0,5% i niecelowe wydaje się dążenie do doskonałości.

Dlaczego R5, R6 i odpowiadające im R10, R11 są połączone szeregowo? Można byłoby zastosować jeden rezystor 1MΩ i nieznacznie zwiększyć R7 i R13. Można, ale zostałaby przekroczone napięcie przebicia standardowego rezystora. Należałby zastosować rezystor wysokonapięciowy, który jest drogi i byłyby kłopoty z zakupem takiego rezystora o tolerancji 0,1% czy nawet 1%. Połączenie rezystorów w szereg pozwala rozwiązać ten problem stosunkowo tanimi rezystorami precyzyjnymi.

Kondensatory włączone równolegle do rezystorów dzielnika zapewniają kompensację częstotliwościową sondy. Dokładne skompensowanie umożliwiają trymery C6 i C12, natomiast P2 umożliwia zrównoważenie sondy. Wszystkie rezystory w obwodach tłumików i rezystorach sprzężenia zwrotnego wzmacniaczy operacyjnych powinny mieć tolerancję 0,1%, ostatecznie 1%, aby parametry sondy nie zmieniały się w czasie np. pod wpływem temperatury.

Przed chwilą napisano, że tłumienie dzielnika wynosi około 200:1, a we wstępie artykułu, że sonda tłumi sygnał 100:1 i 10:1. Nie trzeba się niepokoić, nigdzie nie ma błędu, ponieważ wzmocnie U2 ustawione jest na 2V/V, co sumarycznie daje tłumienie 100:1. Sygnał z U2 jest buforowany w U3, którego wzmocnienie może przyjąć dwie wartości 1 lub 10. To daje, razem z tłumieniem dzielników wejściowych i wzmocnieniem U2, sumaryczne tłumienie 100:1 i 10:1.

Można się zastanowić, czy przy pracy z podziałem 10:1 nie lepiej byłoby zmniejszyć stopień podziału tłumików na wejściu U2, zamiast wzmacniać tłumiony sygnał w U3? Praca z większym napięciem roboczym to mniejsze szumy. Niestety, mógłby wtedy zadziałać wewnętrzny układ ograniczający w U2 i pogorszyć tłumienie sygnałów wspólnych. Innym problemem byłaby kompensacja częstotliwościowa, którą należałoby przeprowadzić osobno dla każdego zakresu tłumienia.

Drobną niedogodnością wynikającą ze stosowania U3 jest odwracanie przebiegu wejściowego. Problem rozwiązuje możliwość zanegowania sygnału w oscyloskopie. Można też zamienić między sobą oznaczenia zacisków wejściowych sondy.

Różnicowa sonda oscyloskopowa 20MHz (bez obudowy)

R20 dopasowuje impedancję wyjściową wzmacniacza do impedancji przewodu koncentrycznego. Można byłoby zamiast jednego rezystora zastosować dwa 100Ω połączone równolegle, ale nie ma to większego sensu, ponieważ standardowe o tolerancji 5% mogłyby przyjąć wartości z zakresu 47,5...52,5R. Jeśli z jakichś powodów rezystancja ta ma być bardzo bliska 50Ω, to lepiej zastosować 1% rezystor 49,9R z szeregu E96.

Sonda jest zasilana napięciem ±15V uzyskanym z asymetrycznego napięcia 30V. Podział napięcia zapewnia układ U1A, którego wyjście jest masą pozorną układu. Dioda D1 chroni sondę przed uszkodzeniem w przypadku zamiany biegunowości zasilania. R4, D2, T3, D3, D4 tworzą obwód wskaźnika napięcia zasilającego.

Uwagi dodatkowe: 0,1-procentowa dokładność R5, R6, R7, R11 i R10, R11, R13 oraz 1-procentowa dokładność R15, R16 pozwalają uzyskać wypadkową dokładność sondy około 4%. Zastosowanie R15, R16 o tolerancji 0,1% pozwoli uzyskać dokładność całkowitą 0,6% przy tłumieniu 100/:1 i 1,6% przy 10:1. Rezystory o tolerancji 1% w obwodzie tłumika znacząco zmniejszą dokładność i tłumienie sygnałów wspólnych!

Montaż i uruchomienie - różnicowa sonda oscyloskopowa 20MHz

Montaż układu na płytce, pokazanej na rysunku 2, należy rozpocząć od elementów R, C oraz U1 i pozostałych elementów, jak złącza. Na tym wstępnym etapie NIE należy montować kluczowych układów scalonych U2 i U3. Po zamontowaniu wymienionych na początku elementów należy podłączyć zasilanie ok. 30V i zweryfikować obecność napięć ±15V na wyprowadzeniach U2 i U3. Dopiero jeśli napięcia są poprawne, można wlutować U2, oczywiście przy wyłączonym napięciu zasilającym.

Następnie należy podać na wejście sondy sygnał z generatora o częstotliwości kilku kHz o amplitudzie 10V. Na wyjściu wyprowadzeniu 7 U2 powinien pojawić się przebieg o amplitudzie 100mV. Jeśli wzmacniacz pracuje poprawnie, można zamontować U3 i ponowić test. Przy rozwartym S1 amplituda sygnału na J4 wynosi 100mV, po zwarciu S1: 1V.

Rys.2 Projekt płytki - różnicowa sonda oscyloskopowa 20MHz

Po wstępnym teście sondę należy skalibrować. Kalibrację należy przeprowadzić po około 15-minutowym wygrzaniu sondy. Najpierw zwieramy wejścia sondy do masy. Przypominam, że masą „użytkową” jest masa sondy, a nie ujemny biegun zasilacza. Przy ustawionym tłumieniu 10:1 potencjometrem P1 należy ustawić zerowe napięcie stałe na wyjściu sondy. Regulacja przy ustawionym tłumieniu 10:1 (praca ze wzmocnieniem 10 U3) jest konieczna, ponieważ napięcie niezrównoważenia U3 jest wtedy bardziej widoczne niż przy wzmocnieniu 1 U3 (tłumienie 100:1).

Rys.3 Poprawnie skompensowana sonda

Następnie należy podać stałe lub wolno zmieniające się (0,1..1Hz) napięcie 10...20V na oba wejścia sondy. Regulując P2, należy doprowadzić do minimalnego napięcia na wyjściu sondy. Na koniec, na jedno z wejść należy podać sygnał prostokątny ok. 1kHz 10...20V. W tym czasie drugie wejście należy zewrzeć z masą. Trymerem należy skompensować tłumik tak, aby uzyskać jak najdokładniejszy wygląd przebiegu prostokątnego na ekranie oscyloskopu.

Rysunek 3 pokazuje poprawnie skompensowaną sondę. Rysunek 4 za małą pojemność trymera, a rysunek 5 – za dużą. Ze względu na to, że pojemność dłoni może wpływać na kompensację, regulację powinno się przeprowadzić po zmontowaniu płytki w obudowie przez otwory w niej. Do regulacji należy użyć plastikowego wkrętaka. Ten sam zabieg należy przeprowadzić dla drugiego wejścia.

Rys.4 Za mała pojemność trymera

Rys.5 Za duża pojemność trymera

Na płytce, pokazanej na rysunku 6 (oraz na wcześniejszym rysunku 2) przewidziano otwory umożliwiające zamontowanie blaszek ekranujących. Jednak ze względu na montaż SMD ekranowanie takie nie jest bezwzględnie konieczne.

Rys.6 Różnicowa sonda oscyloskopowa 20MHz - rysunek płytki 

Gdy uruchomienie przebiegło prawidłowo i gdy sonda pracuje prawidłowo, zaleca się pokrycie jej lakierem izolacyjnym.

Płytka pasuje do obudowy KM-80, w której należy wyciąć otwory pod złącza, LED, przełącznik. Obudowa sondy powinna być ekranowana. Wystarczające ekranowanie można zrealizować grafitem w sprayu lub ostatecznie samoprzylepną folią aluminiową.

Otwór montażowy w pobliżu złącza BNC jest połączony z masą, dlatego należy zadbać, aby grafit czy taśma aluminiowa znalazła się na kołkach montażowych w obudowie. Obwód ekranu musi być połączony z masą, w przeciwnym wypadku ekranowanie nie będzie skuteczne.

Rys.7 Sygnał prostokątny 1MHz

Rys.8 Przebieg 2,5MHz

Działanie sondy sprawdzono z kilkoma sygnałami. Rysunek 7 przedstawia sygnał prostokątny 1MHz, tłumienie sondy ustawione było na 1:10. Rysunek 8 pokazuje przebieg 2,5MHz. Rysunek 9 przedstawia sygnał sinusoidalny 15MHz. Rysunek 10 – prostokąt 10MHz. Niebieski przebieg pochodzi z generatora, fioletowy na wyjściu sondy. Ze względu na bardzo słabą jakość sygnału prostokątnego z generatora, zbadanie z jego pomocą wyglądu przebiegów prostokątnych ponad 2,5MHz mija się z celem, co widać na ostatnim oscylogramie. Potrzebny byłby lepszej jakości generator przebiegu prostokątnego.

Rys.9 Sygnał sinusoidalny 15MHz

Rys.10 Prostokąt 10MHz

Uwaga1! Trzeba pamiętać, że punktem odniesienia jest masa sondy (np. obudowa złącza BNC), a nie masa zasilacza!

Uwaga2! W przypadku trudności z zakupem U3 można zastosować inny wzmacniacz, np. AD8021 lub AD8014, pamiętając o zmniejszeniu zapięcia zasilającego do 24 dla AD8021 lub 12V dla AD8014.

Zmieniając napięcie zasilające na 12V, należy zmodyfikować także układ sygnalizujący obecność zasilania (zmienić diody Zenera na 3,3V).