Активный щуп на ОУ для осциллографа. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Измерительная техника

 Комментарии к статье

Широкополосные усилители с высоким входным сопротивлением, малой входной емкостью и низким выходным сопротивлением используются в различных устройствах. Одно из применений - входные щупы для осциллографов и другой измерительной аппаратуры. Как показано в этой статье, современные ОУ фирмы Analog Device позволяют решить эту задачу простыми средствами.

Осциллограф является одним из наиболее универсальных приборов, позволяющих измерять самые различные параметры электрического сигнала, а зачастую и значительно упрощать процедуру настройки электронных устройств. В некоторых случаях он просто незаменим. Однако многим знакома ситуация, когда подключение осциллографа к настраиваемому устройству приводит к нарушению его режимов. Виной тому в первую очередь служат вносимые в исследуемую цепь емкость и сопротивление входа осциллографа и его соединительного кабеля.

Большинство осциллографов, используемых радиолюбителями, имеют высокое входное сопротивление (1 МОм) и входную емкость 5...20 пФ. В сочетании с соединительным экранированным входным кабелем длиной около метра суммарная емкость возрастает до 100 пФ и более. Для устройств, работающих на частотах выше 100 кГц, такая емкость может оказать существенное влияние на результаты измерений.

Для устранения этого недостатка радиолюбители пользуются неэкранированным проводом (если уровень сигнала достаточно большой) или специальным активным щупом, в состав которого входит усилитель с высоким входным сопротивлением, выполненный, как правило, на полевых транзисторах [1-3]. Применение такого щупа значительно снижает величину вносимой в устройство емкости. Однако недостатками некоторых из них являются низкий коэффициент передачи или наличие на выходе сдвига уровня, затрудняющего измерение постоянного напряжения. Кроме того, они имеют узкий диапазон рабочих частот (до 5 МГц), что также ограничивает их применение и требует коротких соединительных кабелей. Несколько лучшие параметры имеет щуп, описанный в [2]. Следует отметить, что все эти щупы могут эффективно работать и с осциллографами, имеющими высокое входное сопротивление.

В настоящее время все большее распространение получают широкополосные осциллографы с диапазоном рабочих частот до 100 МГц и выше, имеющие низкое входное сопротивление - 50 Ом, поэтому их подключение к настраиваемому устройству зачастую становится практически невозможным. Не все из них комплектуются активными щупами, а применение резистивных делителей приводит к заметному снижению чувствительности.

Активный щуп, описание которого предлагается вниманию читателей, свободен от указанных недостатков. Он работает с различными осциллографами, входное сопротивление которых может быть низкоомным - 50 Ом или высокоомным - до 1 МОм, имеет диапазон рабочих частот 0...80 МГц и достаточно высокое входное сопротивление на низких частотах - 100 кОм. Его коэффициент передачи - 1 или 10, т.е. он не только не ослабляет, но и усиливает сигнал. К достоинствам щупа можно отнести и его небольшие габариты.

Таких параметров удалось достигнуть за счет применения современного быстродействующего ОУ фирмы Analog Devices. В частности, в данном щупе использован ОУ AD812AN, который имеет следующие основные характеристики:

Верхняя рабочая частота - не менее 100 МГц; входное сопротивление - 15 МОм при входной емкости 1,7 пФ; входное напряжение - до +13,5 В, а скорость нарастания выходного напряжения - 1600 В/мкс; выходной ток (при выходном сопротивлении 15 Ом) - до 50 мА; потребляемый ток в отсутствии входного сигнала - 6 мА.

Кроме того, ОУ имеет низкий уровень гармоник (-90 дБ на частоте 1 МГц и нагрузке 1 кОм) и малый уровень шума (3,5 нВ/^Гц), защиту от К3 (ток ограничен до 100 мА), рассеиваемая небольшим корпусом мощность достаточно велика - 1 Вт. К этому следует добавить, что цена микросхемы, содержащей два ОУ с такими параметрами, относительно невысока ($3...4).

Схема активного щупа приведена на рис. 1. В основном она соответствует стандартной схеме включения ОУ. Коэффициент передачи КU изменяется переключением SA1 элементов цепи обратной связи и имеет два значения: 1 и 10. Переключателем SA2 выбирают режим работы: с "закрытым" входом, когда на входе включен конденсатор С1 и постоянная составляющая напряжения на вход не проходит, или с "открытым" входом, когда она проходит.

АЧХ щупа при работе на нагрузку сопротивлением 50 Ом для разных коэффициентов передачи несколько различается. Для Кu=1 она имеет небольшой подъем (до 20...25 %) на частотах 20...45 МГц и снижается до уровня 0,7 на частотах 70...80 МГц и до уровня 0,3 на 100 МГц. Для Кu=10 АЧХ ровная до 20 МГц и плавно падает до 7 на частоте 40 МГц, а на частоте 100 МГц уменьшается до 3.

При подключении щупа к осциллографу или частотомеру с большим входным сопротивлением (обычно Rвх = 1 МОм) через высокочастотный кабель длиной 1 м амплитуда максимального выходного напряжения ОУ достигает 12 В (при Uпит=+15 В) на частотах до 10...15 МГц и плавно уменьшается до 3 В на частотах 30...40 МГц. При нагрузке щупа на низкоомный вход (Rвх = 50 Ом) осциллографа максимальное выходное напряжение составляет 4 В на частотах до 1 МГц и снижается до 0,5 В на частотах 30...40 МГц. Следует особо отметить, что наличие режима усиления позволяет наблюдать на экране осциллографа с чувствительностью 10 мВ на деление входные сигналы с амплитудой 200...300 мкВ!

На входе усилителя установлено относительно небольшое сопротивление R3 (100 кОм). Сделано это потому, что входной ток ОУ составляет доли мкА и смещение уровня постоянного напряжения на выходе составляет в этом случае примерно 50 мВ при КU= 1 или 500 мВ при Кu= 10. Увеличение же этого сопротивления приведет к соответствующему увеличению смещения. Как показывает практика измерений широкополосных сигналов, вполне достаточно входного сопротивления щупа порядка 100 кОм. Его возможно увеличить и до 1 МОм, изменив соответственно R3, но это приведет к указанным выше последствиям. На высоких частотах входное сопротивление меньше и носит в основном емкостный характер, но это не сказывается на процедуре измерения, так как на высоких частотах высокоомные цепи встречаются редко.

О конструкции. Большинство деталей щупа размещено на печатной плате из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита, эскиз которой приведен на рис. 2. На одной ее стороне размещают ОУ и все резисторы, на второй - конденсаторы С2-С5. Соединения между сторонами монтажа выполняют проводниками через отверстия в плате. Переключатели устанавливают на корпусе щупа, а конденсатор С1 - непосредственно на SA1.

Корпус щупа (рис. 3) состоит из пластмассового тубуса 1 (от фломастера диаметром около 18 мм), который вставлен в металлический кожух 2. Внутри тубуса размещена плата 3, на нем укреплены переключатели SA1 и SA2 (4 и 5). Через дно тубуса выведены соединительный и питающие провода - 6. Общий провод платы соединен с кожухом, а через отверстие в нем выведен провод для металлического штыря Х1 - 7. Все внутренние соединения надо делать проводом минимальной длины, а внешние - цепи питания и сигнала - соответственно экранированным и ВЧ кабелем.

Так как в микросхеме один из двух ОУ не используется, его входы (выводы 5 и 6) соединены с общим проводом.

Налаживание устройства сводится к установке требуемого коэффициента усиления, который при работе щупа с осциллографом с высоким входным сопротивлением устанавливают равным 10 на частоте 10 МГц подбором резистора R1 (при замкнутом SA1). Если щуп используют с осциллографом с низкоомным входом, часть выходного сигнала гасится на согласующем резисторе R5. Поэтому в схему вводят резистор R6, и подбирая его сопротивление (при разомкнутом SA1), устанавливают коэффициент передачи равным 1. При замкнутом SA1 (режим повышенной чувствительности) установку коэффициента усиления, равного 10, производят подбором резистора R1.

В устройстве применимы резисторы МЛТ, С2-10, С2-33, Р1-12, конденсаторы С1-C3 серии КМ или другие малогабаритные (К10-17, К10-47), С4, С5 - группы К52 или аналогичные. Можно использовать широкополосные ОУ AD812AR или AD817AN, AD818AN той же фирмы, которые дешевле из-за меньшей полосы частот (50 МГц), но их применение приведет и к сокращению полосы рабочих частот.

Для питания щупа необходим двухполярный стабилизированный блок питания с выходным напряжением %12...15 В. Надо заметить, что потребляемый ток при отсутствии сигнала составляет 10...15 мА, при работе на низкоомную нагрузку при подаче сигнала ток может возрастать до 100 мА.

Литература

1. Гришин А. Активный щуп для осциллографа. - Радио, 1988, № 12, с. 45.
2. Иванов Б. Осциллограф - ваш помощник (активный щуп). - Радио, 1989, № 11, с. 80.
3. Турчинский Д. Активный щуп к осциллографу. - Радио, 1998, № 6, с 38.

Автор: И.Нечаев, г.Курск

Смотрите другие статьи раздела Измерительная техника.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Кислотность океана разрушает зубы акул 03.10.2025

Мировые океаны выполняют важнейшую функцию - они поглощают около трети углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу. Это помогает замедлять темпы глобального потепления, но имеет и обратную сторону. Растворяясь в воде, CO2 образует угольную кислоту, которая повышает концентрацию водородных ионов и приводит к снижению pH. Вода становится более кислой, а последствия этого процесса уже заметны для морских экосистем. Средний показатель кислотности океана сейчас равен примерно 8,1, тогда как еще недавно за условную норму брали значение 8,2. По прогнозам, к 2300 году уровень может упасть до 7,3 - это сделает океан почти в десять раз кислее нынешнего состояния. Для обитателей морей подобные изменения означают не просто сдвиг химического равновесия, а реальную угрозу физиологическим процессам, начиная от формирования раковин у моллюсков и заканчивая охотничьим поведением акул. Чтобы выяснить, как именно кислотная среда отражается на зубах акул, группа немецких исследователей провела эксп ...>>

Почтовый космический корабль Arc 03.10.2025

Космические технологии становятся частью инфраструктуры, способной повлиять на логистику, медицину и даже военную сферу. Идея использовать орбиту как глобальный склад для срочных поставок звучала еще недавно как научная фантастика, но стартап Inversion пытается превратить ее в практическое решение. Компания Inversion появилась в начале 2021 года благодаря Джастину Фиаскетти и Остину Бриггсу, которые на тот момент были студентами Бостонского университета. Их замысел состоял в том, чтобы сделать возможной доставку грузов не только через спутниковые сети данных, но и в буквальном смысле - физических предметов. В основе лежит простая мысль: если космос обеспечивает доступ к любой точке Земли, то и грузы должны перемещаться тем же маршрутом. Уже за три года работы команда из 25 специалистов успела построить демонстрационный аппарат "Ray". Его запуск состоялся в рамках миссии SpaceX Transporter-12. Устройство весом 90 килограммов проверяло ключевые технологии Inversion, включая двухком ...>>

Лазерное обогащение урана 02.10.2025

Ядерная энергия остается одним из ключевых источников стабильного электричества, особенно для стран с растущими потребностями в энергоснабжении. Однако обеспечение бесперебойных поставок топлива для атомных станций требует современных технологий обогащения урана, которые одновременно эффективны и безопасны. Американская компания Global Laser Enrichment (GLE) делает значительный шаг в этом направлении, завершив масштабное тестирование лазерной технологии обогащения урана. Демонстрационная программа была проведена на объекте в Уилмингтоне, Северная Каролина. Тестирование технологии SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation), разработанной австралийской Silex Systems, стартовало в мае 2025 года и продлится до конца года. В ходе экспериментов компания планирует получить сотни фунтов низкообогащенного урана (LEU), который может быть использован в качестве топлива для атомных электростанций. GLE была создана в 2007 году для коммерциализации лазерных методов обогащения урана в С ...>>

Случайная новость из Архива 8-ядерный процессор Kirin 920 с поддержкой VoLTE и QHD-экранов 15.06.2014 Китайская компания Huawei официальной представила восьмиядерный процессор Kirin 920 для мобильных устройств. Первым продуктом на базе этой платформы, вероятно, станет смартфон под кодовым обозначением Mulan. Анонсированная платформа, построенная на архитектуре big.LITTLE GTS (Global Task Scheduling) с использованием 28-нм техпроцесса, включает четыре вычислительных ядра ARM Cortex A-15 с тактовой частотой от 1,7 до 2,0 ГГц и четыре ARM Cortex-A7 c частотой 1,3-1,6 ГГц. В состав чипсета вошел встроенный модем Category 6 LTE, способный обеспечить передачу данных на скорости до 300 Мбит/с. Также заявлена поддержка технологии VoLTE. За графическую составляющую в системе-на-чипе отвечает GPU Mali-T628 MP4, обеспечивающий поддержку QHD-экранов (2560х1600 пикселей) в мобильных устройствах. В конфигурации однокристальной системы также заявлены аудиопроцессор Tensilica HiFi 3, поддержка кодека H.265 и функция декодирования медиафайлов в формате Ultra HD. Во время презентации Kirin 920 были представлены сравнительные результаты испытания процессоров в бенчмарке AnTuTu. По словам Huawei, ее новинка немного производительнее SoC Qualcomm Snapdragon 805 и гораздо быстрее платформы MediaTek MT6592. Китайский производитель не назвал сроки, в течение которых Kirin 920 появится в потребительской электронике. При этом разработчики обещают выход 64-разрядной версии процессора до конца 2015 года.

Другие интересные новости:

▪ Наноалмазы для светодиодов и полупроводников

▪ Сушилки для рук распространяют бактерии

▪ 4K-клиент HP T730

▪ Революция в геологоразведке

▪ Норвегия прощается с FM-радио

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Защита электроаппаратуры. Подборка статей

▪ статья У граций в отпуску и у любви в отставке. Крылатое выражение

▪ статья Почему первый компьютер было не поставить дома? Подробный ответ

▪ статья Заместитель директора по производству. Должностная инструкция

▪ статья RC-генератор с емкостной настройкой. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Карта-хамелеон (два способа). Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025