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.

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

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Осциллограф