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:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Получена релятивистская струя с сильным магнитным полем 07.06.2019 Команда ученых Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) впервые создала особую форму струи плазмы, которая может углубить понимание гораздо более крупных струй, или джетов, вырывающихся из квазаров, центров молодых галактик и черных дыр. "В настоящее время мы создаем стабильные, сверхзвуковые и сильно намагниченные плазменные струи в лаборатории, которые могут позволить нам изучать астрофизические объекты, расположенные на расстоянии в несколько световых лет", - сказал астрофизик Эдисон Лиан (Edison Liang) из Университета Райса. Команда создала джет с помощью OMEGA Laser Facility в Лаборатории лазерной энергетики (LLE) Университета Рочестера. Исследователи направили 20 отдельных лазерных лучей OMEGA в кольцевую область на пластмассовой мишени. Каждый лазер создавал крошечный слой плазмы; по мере того как вспышки расширялись, они давили на внутреннюю область кольца, что в результате выдавило плазменную струю, достигающую более четырех миллиметров в длину, и создало магнитное поле, которое имело силу более 100 Тесла. Диагностические инструменты, разработанные командами из LLE и Массачусетского технологического института (MIT), измеряли плотность, температуру, длину струи, магнитное поле вокруг нее, а также определяли, насколько хорошо она сохраняла свою форму, когда росла в пространстве. Измерения помогают ученым сравнить лабораторные джеты со струями в космическом пространстве. Они также позволяют наблюдать, как плазма ведет себя в различных условиях. "Это новаторское исследование, потому что ни одна другая команда не запустила сверхзвуковую струю с узкими лучами, которая несет такое сильное магнитное поле, распространяющееся на значительные расстояния, - отметила Лян Гао (Lan Gao), руководитель исследования. - Это первый случай, когда ученые продемонстрировали, что магнитное поле не просто охватывает струю, но также распространяется параллельно ее оси".

Другие интересные новости:

▪ Лифт на солнечных батареях с накопителем энергии

▪ Сопереживание не дает мыслить скептически

▪ Производство литиево-ионных батарей вырастет на 390%

▪ Программируемый процессор на базе молекул ДНК

▪ Картофельная батарейка

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Афоризмы знаменитых людей. Подборка статей

▪ статья Глухим обедню дважды не служат. Крылатое выражение

▪ статья Почему изменяли фамилии космонавтов дружественных стран? Подробный ответ

▪ статья Лавровишня лекарственная. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Измеритель напряжения и тока. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Защита трансформатора от повышенного напряжения сети. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026