Главная » Измерения
Призовой фонд
на январь 2017 г.
1. 1000 руб.
Radio-Sale
2. Регулируемый паяльник 60 Вт
Паяльник
3. 600 руб.
От пользователей
4. Тестер компонентов LCR-T4
Паяльник

Двухканальный дифференциальный пробник для осциллографа

При отладке и ремонте электронного оборудования иногда возникает потребность увидеть форму сигнала U(t) между двумя узлами схемы, ни один из которых не подключен к общему проводу. Это требуется при анализе кодовых последовательностей интерфейсов RS-485 и CAN, контроле сигналов на балансных входах и выходах звукоусилительной аппаратуры, оценке работы верхнего плеча силовых мостовых инверторов и т.п. Использовать в таких случаях обычный осциллограф затруднительно, т.к. один из выводов его входа должен быть подключен к общему проводу отлаживаемого устройства.

Решить описанную проблему позволяет дифференциальный пробник (ДП), представляющий собой инструментальный усилитель, выход которого подключается к входу осциллографа, а дифференциальные входы могут быть подключены к любым точкам отлаживаемого устройства. Работать с осциллографом, к входу которого подключен ДП, так же просто и удобно, как измерять напряжение вольтметром.

Особенно полезен ДП при работе с устройствами, имеющими непосредственную связь с электрической сетью 220/380 В. Корпус осциллографа по правилам электробезопасности должен быть заземлён. Это создаёт предпосылки для коротких замыканий, если по ошибке подключить к участку схемы, находящемуся под фазным напряжением, щуп осциллографа, связанный с его корпусом. Использование ДП полностью устраняет указанную опасность.

Большинство современных осциллографов – двухканальные. Использование двухканального ДП, подключенного к входам обеих каналов осциллографа, позволяет измерять временные соотношения и сдвиг фазы между двумя сигналами, не заботясь о задержке, вносимой ДП.

Многие фирмы, изготавливающие осциллографы, предлагают ДП в качестве опции, приобретаемой за дополнительную плату. Параметры этих ДП весьма высоки, но и цены зачастую превышают стоимость бюджетного ЦЗО.

Предлагается самодельный двухканальный ДП, отличающийся от «фирменных» более узкой полосой пропускания, составляющей 0 – 800 кГц. Стоимость комплектующих для двухканального варианта ДП не превышает 1000 руб, для одноканального – 700 руб, что примерно в 10 раз дешевле самых доступных ДП, имеющихся на рынке.

Внешний вид самодельного ДП представлен на фотографии.

Схема электрическая принципиальная ДП представлена на рисунке.

Схема двухканального дифференциального пробника для осциллографа

Каналы А и Б отличаются только нумерацией выводов используемых микросхем. Рассмотрим работу канала А.

Основным элементом, определяющим все параметры ДП, является инструментальный усилитель AD622AN. Он включен по стандартной схеме, рекомендованной изготовителем. Выключатель SA1 позволяет выбрать коэффициент усиления – 1 (SA1 разомкнут) или 10 (SA1 замкнут). Совместно с входным делителем на 100, собранным на резисторах R1…R4, R7, R9, это обеспечивает для ДП два коэффициента передачи 1:10 или 1:100. Конденсаторы С1…С6 обеспечивают частотную компенсацию делителя. Последовательное соединение резисторов и конденсаторов, образующих делитель, используется для повышения электрической прочности. Резисторы R5 и R6, совместно с защитными элементами, входящими в состав микросхемы DA1, повышают защищённость входа ДП при исследовании малых сигналов – когда делитель не используется. Подстроечный резистор R8 служит для балансировки входа ДП.

На микросхемах DA2.1, DA3.1, DA3.2 собрано устройство, сигнализирующее о возможном ограничении сигнала. Если напряжение на выходе DA1 окажется больше +10 В или меньше –10В, то компаратор DA3.1 или DA3.2 переключится и его выходной транзистор откроется. Чтобы светодиод HL2 светился и в том, и в другом случаях, выходы этих компараторов объединены в «монтажное ИЛИ». Амплитудные детекторы сигнализатора имеют соотношение T заряда / Т разряда примерно 1/400, по этому он корректно реагирует на импульсные сигналы с большой скважностью.

Источник питания ДП должен обеспечивать стабилизированное напряжение +/- 15В при токе 15 mA. Я использую простейший трансформаторный блок питания на микросхемах LM7815 и LM7915, схему которого не привожу в силу её банальности.

Конструкция и детали

ДП собран на макетной плате размером 87 х 56, которая помещена в стандартный металлический корпус G0473 фирмы «Gainta».

Возле выводов питания усилителей AD622AN следует расположить блокирующие конденсаторы. Провода, идущие к выключателям SA1 и SA2, не следует делать длинными – их полезно попарно перевить. В целом усилители AD622AN работают весьма устойчиво, склонности к генерации не обнаруживают, по этому никаких особых требований к расположению их «обвязки» нет.

Элементы входных делителей R1…R4, R20… R23, С1…С4, С9…С12 помещены в небольшие пластмассовые корпуса размером 45х30х12.

Каждый канал ДП настраивается под свой делитель, по этому следует нанести на них маркировку «Канал А» и «Канал Б». Кабель длиной 50 см, соединяющий делители с разъёмами XS1 и XS2, представляет собой витую пару из проводов МГТФ 0,2, которую следует поместить в термоусадочную трубку или в тонкий кембрик, а затем в экранирующую оплётку, поверх которой также следует одеть кембрик или трубку из силикона. Лучше всего, конечно, использовать готовый 2-х жильный микрофонный кабель, если таковой имеется. Входные клипсы подключены к делителям с помощью отрезков провода МГТФ 0,2 длиной по 30 см. Экспериментально проверено, что ни переменное напряжение 600 В 50 Гц ни постоянное напряжение 1000 В не вызывает пробоя изоляции щупов, а также других элементов делителей.

Резисторы R1…R4, R7, R9, R10, R20… R23, R26, R28 и R29 следует использовать однопроцентные – С2-23, MF-25 и т.п. Подстроечные резисторы R8 и R27 – многооборотные – СП5-3, СП5-14 или 3266 BOWRNS.

Если ДП будет изготавливаться в одноканальном варианте, то в качестве DA2 и DA3 следует использовать микросхемы TL081 и LM393 соответственно.

Налаживание

К входам ДП следует подключить штатные входные делители. Выходы ДП подключить к входам каналов «Y» осциллографа с помощью 2-х кабелей BNC - BNC. Установить в обеих каналах ДП коэффициент передачи 1:10. Заземлить все входные клипсы ДП, кроме входа «+» канала А, т.е. подключить их к общему проводу (корпусу) ДП. Подать на вход «+» канала А прямоугольные импульсы частотой 1 кГц с выхода калибратора осциллографа.

Подстраивая конденсаторы C1 и С2 добиться неискажённой передачи фронтов прямоугольных импульсов. При этом следует стремиться к тому, чтобы ёмкость C1 и C2 были примерно равными. Затем следует заземлить вход «+» канала А и подать тот же сигнал на вход «-» канала А - настроить частотную компенсацию его делителя. Ту же процедуру следует проделать с входами канала Б.

Для балансировки входов ДП требуется звуковой генератор, способный выдать синусоидальный сигнал амплитудой в несколько десятков вольт. При его отсутствии вполне можно использовать сетевое напряжение 220В. Предполагается, что сделанные Вами делители выдерживают такое напряжение и Вы в этом уже убедились.

Устанавливаем коэффициент передачи в обеих каналах ДП 1:100. Подключаем оба входа канала А (вход «+» и вход «-») к фазному проводу 220В, а общий провод ДП (корпус) к нулевому проводу – не перепутайте!!! Вращая ось подстроечного резистора R8 добиваемся минимально возможной амплитуды сигнала на экране осциллографа. У меня получилось от пика до пика меньше 1 mВ. Проделываем аналогичные процедуры с каналом Б. На этом наладка ДП закончена.

Опыт использования ДП

Как только самодельный ДП заработал мне, конечно, захотелось поставить какой-нибудь эффектный опыт с его участием. Я собрал мультивибратор на КМОП микросхеме 561-й серии и «подвесил» его к фазному проводу сети 220 вольт. Получилась вот такая схема.

Мультивибратор вырабатывает «полезный сигнал», который благодаря делителю R2, R3 имеет амплитуду около 1 В. С помощью ДП попытаемся разглядеть этот сигнал на фоне синфазной помехи с напряжением питающей сети (двойной размах более 600 В). Задача усложняется тем, что источником помехи является реальная городская электросеть, напряжение в которой сильно отличается от синусоидального и содержит вполне ощутимые высокочастотные составляющие. Вот, что я увидел на экране осциллографа.

По моим оценкам сигнал довольно чистый, т.е. ДП успешно справился со своей задачей.

Эксплуатация ДП показала, что он работает вполне надёжно, но перед проведением ответственных измерений всё же следует проверять и, при необходимости, корректировать балансировку. Видимо это связано с невысокой временной стабильностью резисторов, использованных в делителях.

В заключении хочу посоветовать всем, кто захочет повторить эту конструкцию, прочитать фирменные руководящие материалы по применению микросхемы AD622. В них содержатся полезные сведения о допустимых уровнях синфазной и дифференциальной составляющей входного сигнала, зависимости коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС или CMR) и максимального размаха выходного сигнала от частоты и т.д. Незнание этих «тонкостей» может привести к серьёзным погрешностям в оценке результатов измерения или даже к повреждению ДП.

Список радиоэлементов

Обозначение Тип Номинал Количество ПримечаниеМагазинМой блокнот
DA1, DA4 Инструментальный усилительAD622AN2 Поиск в FivelВ блокнот
DA2 Операционный усилитель
TL082
1 Поиск в FivelВ блокнот
DA3 Компаратор
LM339
1 Поиск в FivelВ блокнот
VD1-VD4 Диод
КД522Б
4 Поиск в FivelВ блокнот
С1-С4, С9-С12 Подстроечный конденсатор4-20 пФ8 Поиск в FivelВ блокнот
С5, С6, С13, С14 Конденсатор200 пФ4 Поиск в FivelВ блокнот
С7, С8, С15, С16 Электролитический конденсатор10 мкФ 25 В4 Поиск в FivelВ блокнот
С17, С20 Электролитический конденсатор220 мкФ 25 В2 Поиск в FivelВ блокнот
С18, С19, С21, С22 Конденсатор0.1 мкФ4 Поиск в FivelВ блокнот
R1-R4, R20-R23 Резистор
1 МОм
8 Поиск в FivelВ блокнот
R5, R6, R14, R24, R25, R33 Резистор
1 кОм
6 Поиск в FivelВ блокнот
R7, R9, R26, R28 Резистор
20 кОм
4 Поиск в FivelВ блокнот
R8, R27 Переменный резистор330 Ом2 Поиск в FivelВ блокнот
R10, R29 Резистор
5.6 кОм
2 Поиск в FivelВ блокнот
R11, R30 Резистор
50 Ом
2 Поиск в FivelВ блокнот
R12, R13, R31, R32 Резистор
10 кОм
4 Поиск в FivelВ блокнот
R15, R18, R34, R37 Резистор
330 кОм
4 Поиск в FivelВ блокнот
R16, R17, R35, R36 Резистор
100 кОм
4 Поиск в FivelВ блокнот
R19, R38-R40 Резистор
4.7 кОм
4 Поиск в FivelВ блокнот
HL1, HL2 СветодиодКИПД21Г-К2 Поиск в FivelВ блокнот
HL3, HL4 СветодиодКИПД21Г-Л2 Поиск в FivelВ блокнот
XS1, XS3, XS5 РазъемDIN415243 Поиск в FivelВ блокнот
XS2, XS4 РазъемBNC502 Поиск в FivelВ блокнот
SA1, SA2 Выключатель2 Поиск в FivelВ блокнот
Mультивибратор на КМОП 561-й серии
D1 Логическая ИСК561ЛЕ51 Поиск в FivelВ блокнот
С1 Конденсатор10 нФ1 Поиск в FivelВ блокнот
R1 Резистор
62 кОм
1 Поиск в FivelВ блокнот
R2 Резистор
8.2 кОм
1 Поиск в FivelВ блокнот
R3 Резистор
1 кОм
1 Поиск в FivelВ блокнот
Батарея9 В1 Поиск в FivelВ блокнот
DP 8001 Поиск в FivelВ блокнот
ЦЗО1 Поиск в FivelВ блокнот
Добавить все

Скачать список элементов (PDF)

Прикрепленные файлы:

Теги:

Опубликована: 0 0
Я собрал 0 2
x

Оценить статью

  • Техническая грамотность
  • Актуальность материала
  • Изложение материала
  • Полезность устройства
  • Повторяемость устройства
  • Орфография
0

Средний балл статьи: 5 Проголосовало: 2 чел.

Комментарии (6) | Я собрал (0) | Подписаться

0
hasl #
Про RS-485 пример неудачный. К тому же общий провод осцила не обязательно должен быть привязан к земле измерительного объекта.
Отредактирован 29.09.2014 19:00
Ответить
0
hax #
Полезно для цифровых осциллографов, в которых разница между каналами вычисляется математически. Если размах сигналов большой, приходится переключать на большие В/дел, а на этих пределах малые отклонения не видны из-за 8-бит АЦП.
Ответить
0

[Автор]
Starik #
Уважаемый hasl, спасибо за интерес, проявленный к публикации, а также за Ваши критические замечания.
Уважаемый hax, Вы попали в самую точку. Вычитание каналов даёт совсем не тот эффект, как ДП. Кроме того при вычитании каналов можно смотреть только один сигнал, а часто нужно два.
Ответить
0
Владимир #
На сколько я понимаю предложенная схема не является схемой высоковольтного дифференциального пробника. Что сделать если нужно измерить сигнал относительно уровня, смещенного относительно земли на 300...500 В, да это смещение еще изменятся.
Ответить
0

[Автор]
Starik #
Уважаемый Владимр, Вы правы - данный диф. пробник не является высоковольтным. Несколько упрощая картину можно сказать, что он позволяет исследовать сигналы, напряжение которых не превышает 1000В относительно земли. В Вашем случае, когда смещение составляет 300-500 вольт, сам сигнал не должен превышать 500 вольт. Если этого мало - просто пересчитайте входной делитель и (что сложнее) найдите высоковольтные резисторы и конденсаторы.
Ответить
0
Владимир #
Спасибо, глубокоуважаемый Starik. Как Вы считаете для передачи хотя бы характера сигнала можно попробовать(для пробы) использовать более простой операционный усилитель LM358 вместо AD622? Металлический корпус Вами выбран случайно или преднамеренно?
Ответить
Добавить комментарий
Имя:
E-mail:
не публикуется
Текст:
Защита от спама:
В чем измеряется напряжение?
Файлы:
 
Для выбора нескольких файлов использйте CTRL

Мультиметр Mastech MS8239C
Мультиметр Mastech MS8239C
USB-реле (2 канала) Конструктор регулируемого преобразователя напряжения LM317
вверх