Как рассчитать щуп осциллографа?

САМОДЕЛЬНЫЙ ЩУП ДЛЯ ОСЦИЛЛОГРАФА

Самодельные осциллографы перестают быть редкостью по мере развития микроконтроллеров. И естественным образом возникает потребность в щупе для него. Желательно со встроенным делителем. Некоторые из возможных конструкций рассмотрены в данной статье.

Щуп собран на отрезке фольгированного стеклотестолита и помещен в металлическую трубку, выполняющую роль экрана. Чтобы не вызывать аварийных ситуаций, когда и если щуп падает на включенное испытуемое устройство, трубка покрыта термоусадкой. Без покрытия заготовка выглядит вот так:

Щуп в разобранном виде:

Конструкции могут быть разными. Просто нужно учитывать некоторые вещи:

  • Если выполняете щуп без делителя, т.е. он не содержит в себе больших сопротивлений и переключателей, т.е. элементов подверженных электромагнитным наводкам, то целесообразно экранированный провод щупа протягивать до самой иглы. В этом случае дополнительная экранировка элементов вам не понадобится и щуп можно выполнять из любого диэлектрика. Например использовать один из щупов для тестера.
  • Если в щупе выполнен делитель, то когда вы берете его в руки, вы неизбежно будете увеличивать наводки и помехи. Т.е. потребуется экранировка элементов делителя.

В моем случае соединение трубки с экраном (точнее с обратной стороной стеклотестолита) выполнено припаиванием пружинки на тектолит, которая и создает контакт между экраном и платой щупа.

В качестве иглы использовал «Папу» от разъема типа ШР. Но ее можно выполнить и из любого другого подходящего стержня. Разъем от ШР удобен тем, что его «Маму» можно впаять в зажим, который можно будет при необходимости надевать на щуп.

Подбор провода

Отдельного упоминания заслуживает подбор провода. Правильный провод выглядит так:

Миниджек 3,5 мм расположен рядом для масштаба

Правильный провод представляет из себя более-менее обычный экранированный провод, с одним существенным отличием – центральная жила у него одна. Очень тонкая и выполнена из стальной проволоки, а то и проволоки с высоким удельным сопротивлением. Почему именно так поясню немного позже.

Такой провод не сильно распространен и найти его достаточно непросто. В принципе, если вы не работаете с высокими частотами порядка десятка мегагерц, особой разницы, использовав обычный экранированный провод, вы можете и не ощутить. Встречал мнение, что на частотах ниже 3-5 МГц выбор провода не критичен. Ни подтвердить, ни опровергнуть не могу – нет практики на частотах выше 1 МГц. В каких случаях это может сказываться тоже скажу позже.

Самодельные осциллографы нечасто имеют полосу пропускания в несколько мегагерц, поэтому используйте тот провод, который найдете. Просто стремитесь подобрать такой, у которого центральные жилы потоньше и их поменьше. Встречал мнение, что центральная жила должна быть потолще, но это явно из серии «вредных советов». Малое сопротивление проводу осциллографа без надобности. Там токи в наноамперах.

И важно понимать, чем ниже собственная емкость изготовленного щупа, тем лучше. Это связано с тем, что когда вы подключаете щуп к исследуемому устройству, вы тем самым подключаете дополнительную емкость.

Если подключаете напрямую на выход логического элемента либо в ИБП, т.е. к достаточно мощному источнику сигнала, имеющему достаточно малое собственное сопротивление, то все будет отображаться нормально. Но если в цепи есть значительные сопротивления, то емкость щупа будет сильно искажать форму сигнала, т.к. будет заряжаться через это сопротивление. А это означает, что вы уже не будете уверены в достоверности осциллограммы. Т.е. чем ниже собственная емкость щупа, тем шире диапазон возможных применений вашего осциллографа.

Принципиальные схемы щупов

Собственно схема щупа, которую я применил, предельно проста:

Это делитель на 10 для осциллографа с входным сопротивлением 1 мегом. Сопротивление лучше составить из нескольких, соединенных последовательно. Переключатель просто замыкает напрямую добавочное сопротивление. А подстроечный конденсатор позволяет согласовать щуп с конкретным прибором.

Читайте также:  Вольтметр с точностью 0,1 в

Пожалуй вот более правильная схема, которую стоило бы рекомендовать:

Она явно лучше по допустимому напряжению, так как пробивное напряжение резисторов и конденсаторов СМД обычно принимают за 100 вольт. Встречал утверждения, что они выдерживают и 200-250 вольт. Не проверял. Но если вы исследуете достаточно высоковольтные цепи, стоит применить именно такую схему.

Я ее никогда не делал, рекомендаций по настройке (подбору конденсаторов С2, С3, С4) дать не могу.

Немного обещанной теории

Емкость прямо пропорциональна площади проводников и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Там еще есть коэффициент, но для нас это не важно сейчас.

Имеем два проводника. Центральная жила и экран провода. Расстояние между ними определяется диаметром провода. Площадь экрана сильно снизить не получится. Да и не надо. Остается снижать ПЛОЩАДЬ ПОВЕРХНОСТИ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЖИЛЫ.

Т.е. снижать ее диаметр насколько это технически целесообразно без потери механической прочности.

Ну а чтобы повысить эту самую прочность при уменьшении диаметра надо выбрать материал попрочнее.

Провод можно представить так:

Распределенная емкость по длине провода. Ну а чем больше будет удельное сопротивление материала центральной жилы, тем меньшее влияние соседние участки (соседние емкости) будут оказывать друг на друга. Поэтому целесообразен провод с высоким удельным сопротивлением. По этой же самой причине нецелесообразно делать провод щупа слишком длинным.

Разъемы рассматривать не буду. Лишь скажу, что оптимальным для осциллографа считаю разъемы BNC. Они чаще всего и применяются. Миниджек, аудиоразъем я бы применять не рекомендовал (хотя сам применяю, в силу того, что не использую осциллограф в цепях со значительными напряжениями). Он опасен. Дернули провод при проведении исследований цепей с хорошим напряжением. Что происходит далее? А далее миниджек, скользя по гнезду, может вызвать замыкание. И даже если в силу разных причин ничего не произошло, на самом миниджеке будет присутствовать это напряжение. А если он упадет к вам на колени? А там открытый центральный контакт и земля рядом.

Лето, жарко, любите работать в трусах? Выбирайте BNC (не реклама). BNC тем и хорош. Его не выдернешь просто так. А даже если и случилось – он закрытый. Ничего опасного произойти не должно, то что в трусах, не пострадает))

Дополнительную информацию можно почерпнуть из цикла статей Входные узлы самодельных осциллографов. Так, теорией поутомлялись, теперь

Щуп № 2

Он хорош тем, что его можно вставить так:

Или вот так, ему безразлично, он свободно крутится.

Устроен он примерно так:

Единственное, что на нем еще будет сделано. Отверстие для выхода провода земли из щупа будет залито каплей термоклея, чтобы сложнее было вырвать его при случайном рывке и провод будет зафиксирован в рукоятке отрезком спички, заточенным под пологий клин.

Чтобы не оборвать и не открутить центральную жилу. Кстати это самый простой способ «лечить» дешевые китайские щупы для тестера, чтобы провод не отламывался от наконечника.

На что стоит обратить внимание: Экран доходит почти до самого наконечника. Не должно быть под пальцами значительного по площади открытого участка центральной жилы, иначе вы будете любоваться наводками с рук на дисплее ослика.

Специально для сайта Радиосхемы – Тришин А.О. Г. Комсомольск-на Амуре. Август 2018 г.

Обсудить статью САМОДЕЛЬНЫЙ ЩУП ДЛЯ ОСЦИЛЛОГРАФА

Как рассчитать щуп осциллографа?

Как вы знаете из предыдущего разговора, активный щуп необходим для значитель­ного уменьшения входной ем­кости осциллографа (а точнее, входного щупа при осциллографических измерениях) и повы­шения его входного сопротивле­ния. Активным же щупом он называется потому, что собран на активных элементах тран­зисторах.

Предлагаемый активный щуп (рис. 110), разработанный спе­циально для нашего цикла кур­ским радиолюбителем И. Не­чаевым, рассчитан на работу в диапазоне частот 0. I 5 МГц и обладает входным сопротивле­нием 6 МОм при входной ем­кости около 10 пФ. Если же к щупу подключают насадку-де­литель 1:10, входная емкость уменьшается до 2 пФ. Ампли­туда входного сигнала контро­лируемого с помощью активного щупа, не должна превышать 2 В, а с насадкой-делителем — 20 В. Если же щупом контролировать сигнал частотой ниже 5 МГц, предельная амплитуда может быть больше — до 8 В (с насад­кой-делителем— до 80 В).

Читайте также:  Виды клемм для соединения проводов

На транзисторах VT 1 — VT 3 собран повторитель сигнала, обеспечивающий большое вход­ное сопротивление щупа и пере­дачу сигнала по коаксиальному кабелю ко входу осциллографа.

Питается активный щ уп от дву х полярного источника напря­жением по 12 В и потребляет 15 мА. Питание подается через разъем ХРЗ. Благодаря такому питанию выходное напряжение щупа при отсутствии входного сигнала равно нулю. Этого до­биваются подстроечным рези­стором R 2. А нужный коэф­фициент передачи щупа (он должен быть точно 1) устана­вливают подбором резистора R 4.

Входная вилка ХР1 исполь­зуется для подключения насадок (их две), а ХР2 представляет собой зажим «крокодил», соеди­няемый с щупом гибким мон­тажным проводом,— его под­ключают во время измерений к общему проводу конструкции.

Одна из насадок (1 : 1) самый обыкновенный переход­ник (рис. 111), соединяемый с помощью гн езда XS 2 с вилкой ХР1 щупа. Вилкой же ХР5 ка­саются контролируемых точек конструкции. Вторая насадка (1:10) — компенсированный делитель входного сигнала. При работе с ней гнездо XS 3 соеди­няют с вилкой ХР1, вилку X Р7 — с общим проводом, а вилкой ХР 6 касаются исследуе­мых цепей.

Для питания щупа можно ис­пользовать батареи (правда, это менее удобно) или небольшой блок, собранный, например, по приведенной на рис. 112 схеме.

Он состоит из понижающего трансформатора с переменным напряжением на вторичной об­мотке 10. 11 В и двух одно- полупериодных выпрямителей со стабилизаторами напряже­ния. Один выпрямитель (на диоде VD 1) рассчитан на полу­чение плюсового напряжения , другой — минусового (на диоде VD 2). Через розетку XS 4 пита­ние поступает на разъем ХРЗ щупа.

В щупе можно использовать, кроме указанных на схеме, тран­зисторы КПЗОЗА ( VT 1), KT 36 IA — КТ361Д ( VT 2), КТ315А— КТ315И, КТ312А КТ312В ( VT 3). Конденсато­ры — КД, КЛС, КМ; постоян­ные резисторы — МЛТ-0.125, или МЛТ-0,25, подстроечный R 2 – СП5-16 или другой мало – габаритны й. В блоке питания диоды могут быть любые выпря­мительные с обратным напря­жением не менее 35 В; тран­зисторы — любые другие мало­мощные соответствующей структуры , оксидные конденса­торы — любые малогабаритные, на номинальное напряжение не ниже указанного на схеме. Вместо стабилитронов Д814Д подойдут Д813.

Детали щупа, кроме выключателя SA 1 и конденсатора С1, монтируют на печатной плате (рис. 113) из двустороннего фол ьг ирова н ного стеклотексто­лита.

Затем плату (1 на рис. 114) устанавливают в ме­таллическом цилиндрическом корпусе 2 подходящих размеров, например в стаканчике из-под валидола. В Т-образный вырез платы впаивают латунный винт 3 (М2, М2,5). В дне стаканчика сверлят отверстие и выводят через него жгут 4 из проводни­ков питания и экранирован­ного провода выхода щупа. Дли­на жгута — 1. 1,5 м. Сбоку на стаканчике крепят малогабарит­ный выключатель, к контактам которого припаивают конденса­тор С1. Общий провод соединяют со стаканчиком, а через отверстие в боковой стенке ста­канчика выводят гибкий мон­тажный провод и припаивают его к зажиму «крокодил».

Первая насадка (1:1) выпол­нена на базе пластмассовой крышки 5 от флакона. В крышку вставляют стальную иглу 6 (это вилка ХР5), к которой при­паивают втулку 7 (гнездо XS 2) с такой же резьбой, что и на винте 3. Иглу с втулкой фик­сируют в крышке эпоксидным клеем или шпаклевкой 8.

Аналогично выполнена и вто­рая насадка (1:10), только на краю крышки 5 наклеивают фольгу 9, которая имитирует вилку ХР7 и при в винчивании насадки в щуп касается его ме­таллического стаканчика, т. е. общего провода устройства. Но, конечно, монтируют насадку и заливают ее клеем (или шпа­клевкой) только после подбора помеченных на схеме деталей при налаживании щупа. Правда, после заливки емкость монтажа несколько изменится, но ошиб­ка в коэффициенте деления будет незначительная.

Читайте также:  Кабель для света в квартире

Детали блока питания разме­щают в подходящем пластмас­совом корпусе (рис. 115), на верхней крышке которого кре­пят разъем XS 4, а через от­верстие в боковой стенке выво­дят сетевой шнур с вилкой X Р8 на конце. Под разъем XS 4 подбирают ответную часть разъем ХРЗ и подпаивают к его выводам проводники питания щупа. Оплетку экранированного провода соединяют с вилкой X Р4, а жилу провода — с гнез­дом XS 1. При работе с активным щупом в гнездо вставляют вход­ной щуп осциллографа, а с вил­кой соединяют «земляной» щуп.

Налаживание активного щупа начинают с того, что к его выходу подключают милли­вольтметр постоянного тока или осциллограф, работающий в ре­жиме открытого входа. Подав на щуп питание, добиваются пе­ремещением движка подстроен­ного резистора R 2 нулевого напряжения на выходе.

Затем на вход щупа подают (при замкнутых контактах вы­ключателя SA 1, соответствую­щих режиму открытого входа) постоянное напряжение 2. 3 В. Подбором резистора R 4 добива­ются такого же напряжения и на выходе щупа, что будет со­ответствовать единичному коэф­фициенту передачи устройства. Нелишне будет после этого про­верить сохранность нулево г о уровня выходного напряжения и при необходимости скорректи­ровать его подстроечным рези­стором.

Далее к щупу подключают насадку-делитель и подают на ее вход (конечно, относительно зажима ХР2) сигнал частотой 50 Гц с г енератора импульсов, описанного в предыдущей статье цикла. Контролируя выходное напряжение щупа, подбирают резистор R 7 такого сопротивле­ния, чтобы коэффициент деле­ния насадки был равен ровно 10.

После этого на вход насадки подают импульсный сигнал ча­стотой 2 кГц и подбором кон денсатора С5 добиваются пра­вильно й формы импульсов — такой, как и на входе делителя. Вот теперь делитель станет ком­пенсированным и его детали можно з акреплять эпоксидным клеем (или шпаклевкой) в крышке.

Активный щуп готов к работе. Но предварительно вы, конечно, захотите убедиться в его высо­ких параметрах, о которых было сказано выше. Это несложно сделать даже с помощью лишь одного осциллографа — ведь у него есть выход пилообразного напряжения, которое вы уже на­учились использовать в качестве контрольного. Вот и подклю­чите к гнезда на задней стенке осциллографа переменный ре­зистор (рис. 116, а), а к нему — входной щуп. Установите чув­ствительность осциллографа 1 В/дел., а длительность раз­вертки, скажем, 1 мс/дел. Уста­новите движок переменного ре­зистора в нижнее по схеме положение. Ручками длины и смещения развертки установите начало развертки в нижнем левом углу масштабной сетки, а ширину развертки — равной длине масштабной сетки. Из­мерьте высоту изображения (рис. 117, а) предположим, она будет равна четырем деле­ниям.

Плавно поворачивая ручку пе­ременного резистора, уменьшите высоту изображения вдвое. Те­перь можно сказать, что входное сопротивление осциллографа равно задействованной части сопротивления переменного ре­зистора.

Не изменяя положения движ­ка резистора, подключите актив­ный щуп (рис. 116, б) с первой насадкой (1:1). Вы убедитесь, что высота изображения оста­лась почти равной прежним четырем делениям. Такой ре­зультат свидетельствует о вы­соком входном сопротивлении активного щупа. Если захотите точно измерить его, включите последовательно с переменным резистором постоянный, сопро­тивлением 4. 5 МОм, и добей­тесь уменьшения высоты изо­бражения вдвое, а затем из­мерьте получившееся сопротив ление , оно и будет равно входному сопротивлению щупа.

Входную ёмкость щупа тоже не сложно определить. Для этого нужно заменить переменный резистор конденсатором переменой ёмкости , или подстроечным с максимальной ёмкостью 20-50пф, ипроделать такую же операцию, что и в предыдущем случае — подбором емкости конденсатора добиться умень­шения высоты изображения вдвое, а затем измерить полу­чившуюся емкость. Но в этом варианте следует значительно уменьшить длительность раз­вертки, установив ее равной, например, 1 мкс/дел.

Для сравнения измерьте вход­ную емкость активного щупа со второй насадкой (1:10) —она будет значительно ниже.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...
Adblock
detector