Для повышения удобства пользования современными малогабаритными цифровыми осциллографами на основе микроконтроллера автор предлагает оснастить их активным высокоомным щупом, который оказывает меньшее влияние на измеряемые цепи.
Сегодня радиолюбители активно используют недорогие малогабаритные цифровые осциллографы на основе микроконтроллера и ЖКИ. Примером может служить осциллограф DSO138. Он выпускается уже сравнительно давно, и его можно приобрести относительно недорого и как готовое изделие, и как набор радиоэлементов (в том числе и с корпусом) для сборки. К слову, аналогичных осциллографов в продаже, наверное, не менее десятка.
В таких осциллографах обычно использован не самый производительный микроконтроллер, поэтому диапазон рабочих частот, как правило, не превышает нескольких сотен килогерц. Но подобные осциллографы смогут помочь в решении многих радиолюбительских задач. Например, они работают как измерители длительности импульсов, коэффициента заполнения, частотомеры и вольтметры. Повысить потребительские качества таких осциллографов поможет высокоомный щуп, который при проведении измерений оказывает существенно меньшее влияние на контролируемый узел, чем обычный измерительный щуп или щуп с резистивным пробником-делителем.
Для активного щупа был применен ОУ структуры Rail-to-Rail AD823AR, который имеет высокое входное сопротивление 1013 Ом (10 ТОм), весьма широкий диапазон частот (частота единичного усиления - 16 МГц), малые напряжение смещения, уровень собственных шумов и искажений, а также способность работать на ёмкостную нагрузку до 500 пФ. Последнее - это то, что как раз нужно при работе на коаксиальный кабель длиной 1...2 м и высокоомную нагрузку (входное сопротивление осциллографа - около 1 МОм). Потребляемый Оу ток - около 5 мА, что позволит запитать его непосредственно от платы осциллографа.
Схема устройства показана на рис. 1. Поскольку в корпусе микросхемы два ОУ, было решено использовать оба. Первый из них - DA1.1 - работает как повторитель напряжения, а второй - как неинвертирующий усилитель и компенсирует ослабление сигнала в резистивно-ёмкостном делителе R1R2R3R4C1. Но при желании можно использовать и один ОУ Когда контакты выключателя SA1 разомкнуты, на вход ОУ DA1.1 поступает только переменная составляю-постоянная. Щуп работает без искажений сигнала в интервале входных напряжений от -5 до +5 В.
Рис. 1. Схема устройства
Резистором R5 устанавливают общий коэффициент усиления щупа равным единице. Конденсатор С1 - компенсирующий, с его помощью выравнивают АЧХ щупа на верхних частотах. Конденсатор С2 - разделительный, С3 и С4 - блокировочные по питанию. За счёт большого входного сопротивления ОУ общее входное сопротивление щупа на постоянном токе близко к 30 МОм, на переменном оно немного меньше из-за шунтирования резисторов R1 и R2 конденсатором С1. Входная ёмкость щупа - несколько пикофарад.
Большинство элементов смонтированы на печатной плате из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Её чертёж и расположение элементов показаны на рис. 2. С помощью отрезков лужёного провода через отверстия в плате и пазы по её краям соединяют металлизированные площадки противоположных сторон.
Рис. 2. Чертёж печатной платы и расположение элементов на ней
В щупе применены постоянные резисторы R1-R3 - МЛТ, R4 - КВМ, КИМ, КЛМ, С2-33НВ, подстроечный - PVZ3A. Оксидные конденсаторы - танталовые для поверхностного монтажа типоразмера А или В, конденсатор С2 - для поверхностного монтажа типоразмера 1206, подстроечный конденсатор желательно применить керамический малогабаритный, например CTC-05RSM, у него меньше сопротивление утечки и, как правило, больше номинальное напряжение. Выключатель SA1-любой малогабаритный движковый или переключатель на два положения.
Плата размещена в пластмассовом корпусе от шариковой авторучки (рис. 3). Собственно щуп XP1 - это стальная швейная игла, припаянная к металлизированной площадке платы. Для движка выключателя (или переключателя) в корпусе сделано прямоугольное отверстие. Сигнальный коаксиальный ВЧ-кабель (любой тонкий гибкий) и два провода питания выведены через отверстие в корпусе со стороны, противоположной щупу. На плате осциллографа DSO138 рядом с входным разъёмом есть контрольные точки - отверстия, в которые можно впаять контакты для подключения проводов питания (рис. 4). Чтобы не перепутать полярность питающих напряжений, на плату осциллографа желательно установить одно гнездо и один штырь и снабдить провода питания ответными разъёмами соответственно.
Рис. 3. Пластмассовый корпус
Рис. 4. Сборка устройства
Следует отметить, что резисторы R1-R3 обеспечивают защиту входа ОУ от перегрузки по напряжению и току, поскольку в случае электрического обратимого пробоя полупроводниковых элементов в составе ОУ эти резисторы ограничивают ток до безопасного уровня. Для экспериментальной проверки на вход щупа подавалось напряжение амплитудой 30 В. Выходной сигнал, конечно же, искажался, но щуп не вышел из строя.
Налаживание сводится к установке коэффициента передачи, а также корректировке АЧХ на верхней частоте. Коэффициент передачи устанавливают на постоянном токе. Для этого на вход щупа подают постоянное напряжение в интервале 1...2 В. Измеряя постоянное напряжение на выходе щупа, резистором R5 уравнивают выходное и входное напряжения. Затем подают переменное напряжение частотой 1 кГц и амплитудой около 1 В. Увеличивают частоту до максимальной для этого осциллографа (амплитуда входного напряжения должна оставаться неизменной) и подстроечным конденсатором С1 добиваются равенства входного и выходного напряжений.
Входное сопротивление щупа можно увеличить в несколько раз. Для этого сопротивление резисторов R1-R4 необходимо пропорционально увеличить.
Чертёж печатной платы в формате Sprint-Layout имеется здесь.
Автор: И. Нечаев, г. Москва