Простой самодельный любительский осциллограф
Осциллограф, в полном смысле слова, можно назвать глазами радиолюбителя. Он позволяет именно посмотреть и оценить зрительно все процессы, происходящие в электронном устройстве.
Но, так сложилось, что из доступных приборов промышленность (как отечественная, так и зарубежная) может предложить радиолюбителю (или самодеятельному радиомастеру) только широкий выбор цифровых мультиметров. В то время, как доступных осциллографов в продаже практически не бывает.
Это при том, что, даже в годы «развитого социализма”, когда любое электронное устройство было в «черном списке”диффицита, в продаже периодически появлялись относительно доступные осциллографы, такие как ОМЛ-2, Н-313, ЛО-70, «Школьник». Вот и приходится радиолюбителям приобретать либо очень старую списанную технику, либо «жить на ощупь». Но можно сделать осциллограф и самостоятельно. Однако, прежде всего нужно «достать» самый главный его элемент — электронно-лучевую трубку со статическим отклонением лучей.
В описываемом в данной статье осциллографе применяется трубка 5Л038И, эта трубка круглая, диаметр её экрана 50 мм. Но, в принципе, в данном приборе можно использовать и многие другие трубки, такие как 16ЛОЗИ, 7Л055И, 6Л014И, 7Л01М, 8Л029И.
Разница только в режимах работы трубки, — некоторым требуется подача дополнительного ускоряющего напряжения около +1500V на конус (как высоковольтное напряжение на конус кинескопа телевизора), другие требуют более высокого отрицательного напряжения на модуляторе (до -2000V). В принципе, все это разрешимо, -нужно по справочникам найти данные имеющейся трубки, сравнить их с 5Л038И и сделать необходимые доработки в схеме прибора.
Принципиальная схема
Принципиальная схема осциллографа показана на рисунке. Это низкочастотный импульсный осциллограф, который позволяет исследовать сигналы частотой от постоянного тока до 100 кГц. Его удобно использовать при налаживании цифровых схем и низкочастотных усилителей, генераторов, других устройств.
Усилители вертикального и горизонтального отклонения выполнены по дифференциальным схемам на высоковольтных транзисторах VT8-VT11. При помощи переменного резистора R22 можно регулировать балансировку каскада вертикального отклонения и, таким образом, перемещать нулевую линию по вертикали (например, при исследовании цифровых схем удобнее если нулевая линия внизу экрана, а на переменном токе — посредине, при исследовании отрицательных напряжений -вверху экрана).
Резистор R28 выполняет аналогичную функцию, но для каскада горизонтального отклонения. С его помощью можно пододвинуть осциллограмму по горизонтали так, чтобы она удобнее расположилась на масштабной сетке. К стати, о масштабной сетке — она имеет шесть клеток по вертикали и шесть по горизонтали.
Исследуемый сигнал подается на разъем Х1. При разомкнутом S1 прибор показывает только переменное напряжение, — без постоянных составляющих (сигнал поступает на вход усилителя А1 через разделительный конденсатор С1).
Если S1 замкнуть -прибор переходит в импульсный режим, -значит он может показывать постоянное напряжение и цифровые импульсы, а переменное напряжение будет видно с постоянной составляющей.
Входной сигнал поступает на нормирующий каскад на ОУ А1. На его прямой вход сигнал поступает через не калиброванный делитель R1-R5, а необходимый коэффициент передачи точно устанавливается в процессе налаживания прибора при помощи подстроечных резисторов R8-R11 работающих в цепи ООС А1 и определяющих его коэффициент усиления. Резистором R16 можно плавно регулировать уровень сигнала, поступающий на усилитель вертикального отклонения.
Положения переключателя S2 переключающего чувствительность осциллографа, обозначены в величинах напряжения на одно деление сетки экрана («V / дел.»). Число положений S2 можно увеличить, введя более чувствительные положения или более высоковольтные.
Генератор горизонтальной развертки вырабатывает линейно нарастающее напряжение. Он выполнен на транзисторах VT1-VT7 и цифровой микросхеме К155ЛАЗ Период развертки может быть установлен фиксировано десятью положениями от 10цS/дел. до 10 mS/дел.
Рис. 1. Принципиальная схема самодельного любительского осциллографа.
Всего делений по горизонтали, как уже отмечалось, шесть. Возможна плавная подстройка периода развертки при помощи переменных резисторов R13 и R15.
Период развертки (при максимальном положении сопротивлений R13 и R15) устанавливается пятью позициями при помощи переключателя S4. Переключателем S3 можно период увеличить в 10 раз (х10). Линейно нарастающее напряжение (ЛНН) формируется RС-цепью состоящей из сопротивления R12-R15 и емкости С6-С10. Высокая линейность обеспечивается тем, что конденсаторы заряжаются от генератора тока на транзисторе VT1.
Величина этого тока определяется резисторами R12-R15. Полученное ЛНН через буферный каскад на транзисторах VT2 и VTЗ поступает на усилитель горизонтального отклонения на VT10 и VT11. Амплитуда ЛНН примерно равна 4V, при необходимости (если горизонтальная линия не разворачивается на всю ширину экрана) его можно увеличить подбором сопротивлений резисторов R32, R31, R36, R38.
ЛНН поступает, так же, на одновибратор, выполненный на транзисторе VT5 и RS-триггере на элементах D1.
1 и D1.2. Порог срабатывания одновибратора (величина амплитуды ЛНН) зависит от соотношения сопротивлений резисторов R36 и R38, а также, от R32 и R31. Как только ЛНН достигает этого порога одновибратор вырабатывает импульс, поступающий на базы транзисторных ключей на VT4 и VT12.
Открывание транзистора VT4 приводит к разрядке конденсатора (С6-С10), что приводит к началу новой зарядки и формирования нового периода ЛНН. Открывание VT12 приводит к формированию цепью R54-С20 импульса гашения обратного хода луча.
Синхронизация развертки осуществляется входным сигналом, для этого служит каскад на транзисторе VT6, на базу которого поступает сигнал с выхода нормирующего усилителя А1. Триггер Шмитта на элементах D1.3 и D1.4 создает четкий прямоугольный импульс из входного сигнала произвольной формы. Эти импульсы поступают на выпрямитель на VD2 и VDЗ и на С18 возникает напряжение, открывающее транзистор VT7. На вывод 4 D1.2 поступает уровень логической единицы.
При работе в автоколебательном режиме (когда нет переменного входного сигнала) продолжительность импульса, формируемого одновибратором на VT5 и D1.
1-D1.2 определяется емкостью конденсатора С11-С15 (и сопротивлением R35). В режиме синхронизации запуск каждого периода развертки происходит по спаду импульса на выходе триггера Шмитта D1.3-D1.4, при помощи короткого отрицательного импульса, сформированного цепью С17-R44, сбрасывающего RS-триггер D1.1-D1.2 и запускающего развертку.
Такая схема синхронизации отличается повышенной стабильностью, поэтому в данном осциллографе нет привычной ручки “уровень синхронизации», при помощи которой на многих других осциллографах нужно “ловить» эпюру. Если необходимо, можно внутреннюю синхронизацию отключить выключателем S6. Тогда эпюру нужно будет «ловить» одним из переменных резисторов (415 или R13 (в зависимости от положения S3).
Переменный резистор R48 служит для фокусировки изображения (так чтобы линия была наиболее тонкой), а R49 для регулировки яркости изображения.
Для обеспечения нормальной яркости свечения трубки 5ЛО38И необходимо чтобы напряжение между её первой сеткой (вывод 7) и катодом было около 400-450 V.
Для получения этого напряжения служит делитель на резисторах R46-R47. В процессе налаживания осциллографа нужно выбрать сопротивление R47, при котором будет хорошая яркость и фокусировка. Можно R47, с этой целью, заменить последовательно включенными постоянным резистором на 1 М и переменным на 3 М.
Питается осциллограф от сети 220У через самодельный трансформатор Т1. Обмотка 4 вырабатывает переменное напряжение 6,3V для питания нити накала электроннолучевой трубки.
Обмотка 5 выполнена с отводом, — она служит для формирования двуполярного напряжения ±15V, которое стабилизировано параметрическими стабилизаторами на VT13 и VT4 и однополярного напряжения +5/, стабилизированного интегральным стабилизатором А2. Обмотки 2 и 3 служит для получения нестабилизированных напряжений +200V и -300V необходимых для питания электронно-лучевой трубки.
Детали осциллографа
Функционально схема осциллографа выложена на четыре печатные платы, — входной нормирующий усилитель, усилители отклонения, схема горизонтальной развертки, выпрямители и стабилизаторы питания.
Очень много деталей сделано навесным способом на выводах деталей, установленных в корпусе прибора. Все конденсаторы С6-С15, резисторы R1-R4, R8-R11 смонтированы непосредственно на контактных лепестках галетных переключателей S2 и S4.
На схеме указаны емкости С6-С15, которые должны быть теоретически, и их нужно набирать из нескольких конденсаторов, включенных параллельно. Например, емкость 0,025 мкФ получена параллельным включением 0,022 мкФ и 3000 пФ, а емкость 5000 пФ — параллельным включением 4700пф и 300 пф. Более того, в процессе налаживания, — установки требуемого периода развертки, может потребоваться подгонка этих емкостей (особенно, если используете конденсаторы с большим разбросом емкости).
В схеме много подстроечных резисторов, их тип может быть любым, например, СПЗ, СП4, РП-1 и т.д. Для получения хорошей точности прибора резисторы R8-R11 желательно использовать многооборотные.
Устаревшие диоды Д223 можно заменить другими импульсными, например, КД522. Транзисторы КТ315 и КТ342 можно заменить на КТ3102.
Операционный усилитель КР140УД608 заменим любым другим ОУ широкого применения. Диоды КД209 можно заменить любыми другими выпрямительными диодами, рассчитанными на напряжение согласно схеме, и ток не ниже 0,ЗА. Стабилитроны КС515 можно заменить другими на напряжение 15V или набрать из двух-трех стабилитронов на более низкое напряжение стабилизации.
Для транзисторов VT13 и VT14, а так же, для А2 требуются небольшие радиаторы в виде металлических пластин размерами, примерно, 3×5 см. Стабилизатор А2 можно просто привинтить к металлическому шасси прибора, соединенному с общим минусом питания.
Трансформатор питания выполнен на основе трансформатора с сердечником типоразмера Ш14Х30. Можно использовать и другой сердечник близких размеров, например, ШЛ20х25. Обмотка 1 содержит 1100 витков провода ПЭВ 0,12, обмотка 3 -1400 витков провода ПЭВ 0,06, обмотка 2 -850 витков провода ПЭВ 0,09, обмотка 4 -33 витка провода ПЭВ 0,47, обмотка 5 — 60+ 60 витков провода ПЭВ 0,31.
Можно использовать готовый трансформатор, его мощность должна быть не менее 25 Вт.
Он должен, при включении в сеть 220/ выдавать вторичные переменные напряжения 6,3V (обмотка 4) при токе до 0,5 А, 18-25 V и 8-15V при токе до 0,3 А (обмотка 5), 160 V (обмотка 2), 260V (обмотка 3).
Накальная обмотка должна быть изолирована от других и не связана с другими цепями прибора кроме нити накала электронно-лучевой трубки. Можно использовать систему питания из нескольких маломощных трансформаторов. Что касается выбора электронно-лучевой трубке, — об этом сказано в начале статьи.
Корпус должен быть металлическим. Авторский вариант прибора не отличается миниатюрностью, в основном из-за выполнения печатных плат с расположением деталей близким к их взаимному расположению на схеме, а также, из-за использования крупных старых галетных переключателей S2 и S4, больших старых тумблеров и переменных резисторов.
Но, используя малогабаритные детали и плотный монтаж можно получить очень компактное устройство. Еще более компактным получится осциллограф, если вместо источника питания на низкочастотном силовом трансформаторе применить импульсную схему питания.
В этом случае, даже можно сделать так, чтобы прибор можно было питать и от источника постоянного тока, например, аккумулятора напряжением 12V.
Налаживание
Перед налаживанием усилителей отклонения нужно резисторы Г423 и 1429 установить в такое положение, в котором на движках этих резисторов будет по (-11-13V). Затем, установив R22 и R28 в средние положения добиваются подстрочными резисторами R20-R21 и R26-R27 необходимого положения линии (в середине экрана) и чувствительности усилителей (на весь экран при входном постоянном напряжении около 3,5V). При необходимости немного подстраивают R23 и R29. Резисторы R8-R11 подстраивают при крайне верхнем (по схеме) положении R16.
Резисторы R13 и R15 устанавливают в крайне нижнее (по схеме) положение и в таком состоянии подбирают емкости конденсаторов С6-С10. Но сначала попробуйте подобрать R14 и R12 (можно заменить их подстроечными) так, чтобы период развертки на большинстве положений S4 был как можно ближе требуемому , а затем уже можно переходить к подбору конденсаторов.
Конденсаторы С11-С15 должны быть такими же как, соответственно, С6-С10.
Каравкин В. Рк2005, 1.
сеанс магии с разоблачением / Инструменты / iXBT Live
Содержание
- Упаковка, комплектация, внешний вид и конструкция двухканального осциллографа Fnirsi-1013D
- Тест двухканального осциллографа Fnirsi-1013D. Часть 1: разоблачение магии
- Тест двухканального осциллографа Fnirsi-1013D. Часть 2: обо всём понемногу
- Итоги и выводы (техническая часть)
- Итоги и выводы (эмоциональная часть)
В обзоре будет рассмотрен крайне интересный двухканальный осциллограф Fnirsi-1013D (aka ADS1013D). Это — новая модель, вышедшая в этом году (2020).
Интересен он во многих отношениях: и большим 7-дюймовым экраном, и автономным питанием, и очень привлекательными для своей цены параметрами.
Но, разумеется, будут сделаны и критические замечания, в том числе и весьма «увесистые». Сеанс магии с разоблачением тоже будет. 🙂
/изображение с официального сайта производителя/
Начнём, как обычно, с официальных технических параметров.
Технические характеристики планшетного осциллографа Fnirsi-1013D (aka ADS1013D)
/увеличение по клику/
Итого: частота семплирования в 1 ГГц и полоса в 100 МГц в двухканальном осциллографе по цене не сильно выше 100 долларов! Просто магия какая-то!
Вот её разоблачением дальше и придётся заняться.
Не всё окажется плохо, и осциллограф можно будет применить для каких-то задач, которые и будут определены по ходу обзора.
Небольшие дополнительные комментарии к таблице с техническими характеристиками.
1. Предельная чувствительность в 500 Вольт/дел. возможна при применении щупа x100. Собственные пределы чувствительности осциллографа составляют 50 мВ — 5 В.
2. Сохранённые скриншоты можно просматривать как на самом осциллографе, так и на компьютере; а сохранённые осциллограммы — только на осциллографе (для просмотра на компьютере нет программного обеспечения).
Купить этот прибор можно на Алиэкспресс как в официальном магазине Fnirsi, так и у ДРУГОГО ПРОДАВЦА (брать можно, где дешевле, товар одинаковый).
Цена на дату обзора — около $120 — $138 (на распродаже 11.11 — на несколько долларов дешевле). Для осциллографов такая цена — это, в сущности «бюджетный» уровень, что не очень сильно превышает цену бюджетных смартфонов с их условной границей в 100 долларов.
Кроме того, можно поискать точку продажи и на Яндекс.Маркет. Там цена будет несколько выше; но для юридических лиц важнее, чтобы комплект документов был в порядке. 🙂
Упаковка, комплектация, внешний вид и конструкция двухканального осциллографа Fnirsi-1013D
Упаковка представляет собой черную коробку из гофрокартона почти без опознавательных знаков:
В комплектацию протестированного экземпляра входили два щупа P6100 на частоты до 100 МГц, инструкция на английском языке и кабель микро-USB:
Зарядного устройства не было. Ну и ладно: у меня их уже столько, что хоть оптовую торговлю открывай! Да и не только у меня, вероятно, такая ситуация.
А вот, наконец, и красавец-осциллограф собственной персоной:
Как можете видеть, никаких механических органов управления у него нет; всё управление процессами измерения делается с помощью сенсорного экрана.
Из механики у него есть только выключатель на верхней грани аппарата.
Так выглядит прибор сзади:
Задняя панель у него — белоснежная; и я не могу сказать, что это — хорошо.
Это только сначала будет казаться гламурным, а потом на белом фоне любая, даже малейшая грязь, будет очень заметна.
Задняя крышка держится только на пяти винтах, никаких защёлок нет.
Так что разборка девайса будет очень простой задачей; но перед этим посмотрим на осциллограф ещё в паре ракурсов.
Так он выглядит со стороны верхней грани в наклонном ракурсе:
В этом ракурсе хорошо заметно, что осциллограф, хотя и называется планшетным, на самом деле он — очень «жирненький» для планшета. Лишняя толщина получается из-за глубокой канавки, в которую укладывается подставка.
Подставку и её канавку можно было бы сделать тоньше; но, что вышло — то вышло.
На верхней грани (которая на фото — снизу) видны два BNC-разъёма для подключения двух каналов сигнала, а между ними — контакт с калибровочным сигналом 1 КГц.
Далее идут два светодиода: зелёный и красный. Красный показывает, что идёт зарядка; а зелёный — что она завершилась (но красный при этом не гаснет).
Затем — разъём микро-USB для зарядки и связи с компьютером.
И, последний в этом ряду — механический выключатель питания.
Теперь последний ракурс — с осциллографом, опирающимся на свою подставку:
Прибор с помощью подставки можно установить только под углом 45 градусов к поверхности стола; фиксации подставки в других положениях не предусмотрено.
И, наконец, прибор во включенном состоянии:
Теперь пора взяться за разборку!
Вся электронная начинка осциллографа расположена на единственной плате, а элементы находятся только с одной стороны платы:
Разберёмся, что здесь есть и зачем.
Чуть левее и выше центра платы находится процессор F1C100s компании с пафосным названием AllWinner Tech.
Изначальное предназначение этого процессора — для планшетов и ТВ-приставок; но за счёт универсальности его можно устанавливать где угодно.
По диагонали вправо и вниз от центра расположена самая большая микросхема устройства (можно считать, без маркировки, ибо нанесённые на её поверхность цифры ни о чём не говорят).
Это — ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема). Их устанавливают в тех случаях, когда процессор не может осилить выполнение каких-то операций программно; ПЛИС-ы же выполняют эти операции аппаратно.
Применённая ПЛИС, скорее всего, является китайским клоном Altera Cyclone IV, которую чаще всего устанавливают в осциллографах и DDS-генераторах.
Справа от ПЛИС — два быстродействующих АЦП.
Маркировки на них нет, но и нет следов её стачивания.
Вероятнее всего, партия без маркировки была изготовлена по спецзаказу. Цель — скрыть истинные параметры осциллографа, которые по применённым АЦП определяются на «раз-два».
Светлые прямоугольники выше ПЛИС — это реле, осуществляющие переключение делителей напряжения механическим способом (и это — хорошо).
Почти в центре платы находится слот для карты памяти микро-SD.
Извлечение карты показало, что её ёмкость составляет 1 ГБ:
Вероятно, на её место можно установить и более ёмкую карту памяти, но зачем?! И так на неё можно записать просто тьму осциллограмм и скриншотов!
Теперь переходим к самому интересному — тестам и разоблачению магии. 🙂
Тест двухканального осциллографа Fnirsi-1013D. Часть 1: разоблачение магии
Сначала, как писали в пиратских романах, «ничто не предвещало беды». Но — всё по порядку.
Для тестирования осциллографа использовался DDS-генератор сигналов FY6800 с предельной частотой генерации 60 МГц.
Но для одного из измерений я «выжал» из него частоту 125 МГц. Спойлер — как это сделать:
Нажмите, чтобы развернуть
Как получить 125 МГц из DDS-генератора FY6800 с максимальной частотой 60 МГц
Для этого я воспользовался функцией создания кастомного сигнала и соответствующим ПО осциллографа.
С помощью этой функции пользователь может записать в память осциллографа один период сигнала, который затем и будет воспроизводиться с заданной частотой.
В данном случае я записал в качестве одного периода сигнала сразу 4 периода меандра, которые при воспроизведении с частотой 31.25 МГц дали частоту 125 МГц.
Почему выбрана именно такая частота?
Опорная частота генератора FY6800 составляет 250 МГц, т.е. минимальная длительность одного отсчета — 4 нс.
Соответственно, при частоте 125 МГц длительность положительной полуволны и отрицательной полуволны сигнала составят по 4 нс. При попытке повысить частоту ещё выше начнутся пропуски тактов и сигнал «развалится».
Корректность сформированного таким образом сигнала была проверена на осциллографе Hantek 5102P, имеющим частоту семплирования в одноканальном режиме 1 Gsps.
Естественно, из-за выхода пределы полосы генератора форма и амплитуда сигнала исказились; но для тех случаев, когда важна только частота, это допустимо.
Но испытания сигналом 125 МГц были проведены позже, когда стало ясно, что в осциллографе есть незадокументированные «хитрости».
А сначала поданный на осциллограф синусоидальный сигнал с частотой 60 МГц получился удивительно ровным и гладким, как будто бы он действительно оцифрован с высокой частотой.
Может быть, и не 1 Gsps (1 ГГц), но уж 500 Msps — точно:
Детальное исследование происхождения такой подозрительной гладкости осциллограммы показало, что на развёртках 10 нс/дел. и 25 нс/дел. при переходе частоты входного сигнала от 43.3 МГц к 43.4 МГц осциллограф начинает превращать любой сигнал в чистейший синус!
Поясню примерами.
Итак, сигнал — меандр, частота 43.3 МГц:
На осциллограмме трудно «опознать» меандр, поскольку сигнал искажен как из-за ограничения полосы пропускания осциллографа, так и из-за несинхронности частоты сигнала и частоты семплирования осциллографа. То есть, такие искажения — вполне естественны.
Частоту сигнала осциллограф определил с небольшой ошибкой (42.9 МГц вместо 43.3 МГц).
Теперь — тот же сигнал, но с частотой 43.4 МГц:
Частота сигнала тоже определена с небольшой ошибкой (43.3 МГц вместо 43.4 МГц), но зато теперь на экране — почти идеальный синус, никакой «болтанки»!
Снятие аналогичных осциллограмм с анализом спектра (быстрое преобразование Фурье, БПФ) также показало очень сильную «очистку» спектра от лишних составляющих при переходе через этот порог частоты.
Спектр сигнала с частотой 43.3 МГц (на верхней половине экрана):
А теперь — сигнал с частотой 43.4 МГц:
Вот, заодно посмотрели и на работу БПФ в этом осциллографе.
Теперь — «копаю» дальше: подаю на осциллограф сигнал с частотой 125 МГц.
Понятно, что он находится за пределами полосы пропускания, и его амплитуда должна упасть на вполне законном основании. Но нас сейчас интересует не амплитуда сигнала, а его частота.
И вот что получилось:
Осциллограф показал, что частота сигнала составила 75 МГц, хотя его реальная частота равна 125 МГц!
Исходя из теоремы Котельникова получается, что реальная частота семплирования (дискретизации) составляет в осциллографе вовсе не обещанные 1 Gsps, а только 200 Msps!
А в соответствии с упомянутой теоремой, если частота сигнала превышает 1/2 частоты дискретизации, то он не может быть точно передан цифровыми отсчетами и начинает искажаться.
В данном случае после увеличения частоты сигнала сверх 1/2 частоты семплирования, изображение сигнала на экране осциллографа переходит на зеркальный «обратный отсчёт»: чем выше реальная частота сигнала, тем ниже она на экране.
Конкретно в этом случае частота на экране получается равной (Fd-Fs), где Fd — частота дискретизации; Fs — частота сигнала.
Небольшие подробности для тех, кто захочет повторить эксперимент: картинка, изображенная на скриншоте, получается только при масштабе по вертикали 2 В/дел. При других масштабах сигнал вырождается в прямую линию; почему — не знаю. 🙂
Объединять два АЦП в один канал (если второй выключен) прибор не умеет. Соответственно, повысить частоту семплирования до 400 Msps не получится.
Фактически, из-за подмены любого высокочастотного сигнала на синус вместе с фактом частоты семплирования в пять (!) раз хуже заявленной, использование осциллографа для настройки цифровой аппаратуры становится невозможным. Там может быть важным взаимное положение фронтов с точностью в единицы наносекунд, а иногда даже до долей наносекунды, а тут — такой провал… 🙁
До кучи к «разоблачению магии» — ещё несколько осциллограмм, сделанных на разных горизонтальных развёртках для одного и того же сигнала (синус 40 МГц).
Будет продемонстрировано искажение формы сигнала в зависимости от скорости развёртки.
Развёртка 10нс/дел.:
Развёртка 50 нс/дел.:
На этой развёртке «испортилась» не только форма сигнала, но и его амплитуда.
Развёртка 100 нс/дел.:
Здесь амплитуда сигнала восстановилась, но форма по-прежнему искажена.
Мораль из этих трёх картинок: при просмотре сигнала необходимо адекватно устанавливать параметры развёртки, иначе можно увидеть то, чего нет. Впрочем, это касается подавляющего большинства цифровых осциллографов.
В случае использования кнопки автонастройки «AUTO SET» этот осциллограф, как правило, сам устанавливает правильные параметры; но проконтролировать — не повредит.
Тест двухканального осциллографа Fnirsi-1013D. Часть 2: обо всём понемногу
Перед проверкой параметров (включая АЧХ) один из щупов был переключен в положение x10 и была произведена его стандартная настройка (по максимально-плоской вершине прямоугольного импульса).
Теперь — АЧХ.
Она была банально снята по нескольким точкам на тех частотах, которые я счёл наиболее интересными.
Вот что получилось:
Если оценивать АЧХ по стандартному уровню -3 дБ (0.71), то ширина полосы получилась около 36 МГц. Это — не те 100 МГц, которые обещал производитель; но всё равно неплохо, т.к. даже хорошо настроенный щуп некоторую часть полосы «съедает».
Теперь — оценим визуально качество осциллограмм на стандартных сигналах.
Импульсы 40 нс, частота 10 МГц:
Синус 1 МГц «крупным планом»:
Треугольник 1 МГц:
Пила 1 МГц:
Обратная пила 1 МГц:
И, в качестве примера реальной осциллограммы — сигнал на дросселе DC-DC преобразователя 5 В — 9 В (обзор):
Хорошо заметны характерные особенности сигнала: плоские участки прямого и обратного хода, а также полтора периода свободных колебаний в промежутке между ними.
Экран и управление осциллографом
Экран у осциллографа — сенсорный (ёмкостной), без воздушного промежутка между сенсорной поверхностью и собственно экраном (бликует мало).
Чувствительность сенсора — отличная, понимает даже лёгкие касания.
Углы обзора экрана — очень хорошие. Правда, технология экрана не очень похожа на IPS, скорее всего, это нечто похожее на *VA (что тоже очень неплохо).
Управление осциллографом производится только с помощью сенсорного экрана, но есть тонкости.
Первая тонкость — экран (или ПО) не поддерживает мультитач, управление возможно только одним пальцем. Первая же попытка «растянуть» осциллограмму двумя пальцами с треском провалилась. 🙂
Вторая тонкость — некоторые функции управляются с помощью сенсорных кнопок на экране, а некоторые — тапами и переносом элементов прямо по экрану.
Например, увеличивается масштаб осциллограммы по горизонтали постукиванием по правой стороне экрана, а уменьшается — постукиванием по левой.
Передвинуть осциллограмму в другое место экрана можно, «схватив» её одним пальцем и переместив без отрыва, куда надо. Аналогично происходит управление уровнем триггера.
Несколько особняком стоит изменение чувствительности по вертикали. Для этого надо нажать на кнопку «CTRL» в правом верхнем углу, и тогда на правой стороне экрана откроются кнопки «V+» и «V-».
По кнопкам вызова курсора (по времени и пространству) возникают сразу два курсора, которые можно передвигать пальцем.
Курсоры работают не только по «живому» сигналу, но и по ранее записанному в память сигналу (по скриншотам не работают), пример:
Кстати, встроенных часов в осциллографе нет, и все сохранённые файлы датируются 22 марта 2020 года, 22:48:58. Вероятно — это дата сборки текущей версии прошивки (но более свежих прошивок пока нет).
Определить правильную последовательность снятых осциллограмм позволяет имя файла, которое представляет собой просто номер: 1, 2, 3…
Автономность
Отдельно проверять автономность было лениво, несмотря на простоту такой проверки; но, по личному впечатлению, 3 часа работы точно можно гарантировать. Если сбавить яркость экрана — то ещё немножко можно добавить.
Если и этого будет мало — повербанки никто не отменял!
Итоги и выводы (техническая часть)
Первый вывод, конечно, будет печальным: производитель бессовестно обманывает потребителей.
Хотя, может быть, он и не совсем производитель, а просто наклеил свой шильдик на изделие, выпущенное неизвестным «контрактным производителем».
Но это — не важно. Приклеил свой шильдик — значит, ты и отвечаешь по всей строгости.
Как уже отмечалось, из-за грубого несоответствия заявленным параметрам, осциллограф не подходит для настройки цифровых схем: там совсем другие требования к быстродействию.
В то же время, для настройки многих типов аналоговых схем его параметры вполне достаточны.
С его помощью можно проверять работу датчиков, настраивать усилители и блоки питания, контролировать аналоговые части смешанных аналого-цифровых устройств (например, блоков бесперебойного питания).
Большим подспорьем в этом будет возможность автономной работы за счёт встроенного аккумулятора.
Отвязка от сетевого питающего напряжения в принципе во многих случаях бывает полезна.
Но применение этого прибора в качестве «плавающего осциллографа» (т.е. находящегося под внешним потенциалом) — не лучшая идея, так как на осциллографе есть металлические части, доступные для прикосновения. Одно неверное движение, и Вы — покойник!
Завершая вопрос о недостатках, пожалуй, надо упомянуть ещё слишком грубую чувствительность для малых сигналов (50 мВ/дел.), а также отсутствие отдельного входа для внешней синхронизации и слабость математической обработки каналов.
Теперь — о достоинствах; ибо, как ни странно, они тоже есть!
Сразу надо отметить большой экран: в этом отношении Fnirsi-1013D выигрывает практически у всех конкурентов своей ценовой категории. После работы с таким экраном на другие осциллографы с экранами-малютками даже и смотреть не хочется. 🙂
Также надо отметить вполне адекватную и точную работу с теми сигналами, которые находятся в зоне его досягаемости (до указанной в обзоре частоты 43.
3 МГц).
Даже и принудительная подмена сигнала на синус была бы в «плюсе», если бы производитель об этом предупредил и дал бы пользователю возможность отключения этой функции (ведь на высоких частотах, действительно, часто приходится иметь дело с синусом).
Очень важный плюс — относительно небольшие габариты прибора с учетом размеров экрана. Прибор вполне подходит для «походной» работы, разве что «жирноват» слегка.
Итоги и выводы (эмоциональная часть)
Предвижу, что многие читатели моего обзора захотели бы задать риторический вопрос: а что Вы хотели за такие деньги?!
Отвечаю: независимо от цены прибора, характеристики на него должны быть указаны абсолютно честные, без «фантазий». Вот чего я хочу.
Остальное продавцы и производители пусть расписывают как угодно.
Могут, например, писать, что корпус осциллографа сделан из цельного куска мрамора (как велел старик Хоттабыч), а украшен он натуральным мехом шанхайского барса (как велел Остап Бендер).
Но технические характеристики должны быть только честными, и никакими другими (ведь могут же, например, Hantek и Rigol честно их писать?!).
Всё остальное — коварный и бессовестный обман. Причём в пять раз, Карл!
За сим всем спасибо за внимание!
DIY Осциллограф для смартфона с использованием Raspberry Pi Pico за 5 $ – Circuit Schools
Содержание
Обзор:
В этом проекте вы узнаете, как собрать осциллограф для смартфона с помощью платы Raspberry Pi Pico и Scoppy. Да, вы не ослышались, это самый дешевый из всех осциллографов на рынке, и его легко собрать без программирования. Обычно осциллографы используются для измерения сигналов и проверки их формы.
Существует два типа осциллографов Аналоговый и Цифровой. Благодаря новейшим технологическим изобретениям аналоговые устройства уступают место цифровым, которые дешевле аналоговых, а визуализация точно отображается на ЖК-дисплеях.
Но до сих пор любители и производители не могут себе позволить те осциллографы , цены на которые начинаются от 400$, что очень дорого. Принимая это во внимание, разработчик из GitHub по имени fhdm-dev разработал цифровой осциллограф «сделай сам», компоненты которого в 100 раз дешевле, чем осциллографы, доступные на рынке.
Если вам нужен осциллограф по очень-очень низкой цене, то этот проект просто сокровище. Итак, давайте узнаем, как собрать самостоятельно с помощью Raspberry Pi Pico и некоторых электронных компонентов. Он визуализирует форму волны на вашем смартфоне с помощью приложения для Android под названием Scoppy , показывает прямоугольную или синусоидальную волну и обнаруживает сигналы частотой до 250 кГц для каждого канала.
Ведомость материалов (необходимые компоненты):
Первый шаг в нашем проекте — узнать, что такое 9Компоненты 0007, необходимые для сборки осциллографа для смартфона , чтобы вы могли проверить наличие и купить их в Интернете или в магазинах.
| Наименование продукта | Количество | | |
|---|---|---|---|
| Raspberry Pi Pico Board (seedstudio) | 1 | https://amzn.to/36gKUlu | https://amzn.to/3sTnD1Z |
| Резистор 100 кОм | 1 | https://amzn.to/3hBlqlq | https://amzn.to/3sXBKmI |
| Резисторы 1 кОм | 2 | https://amzn.to/3hBlqlq | https://amzn.to/3sXBKmI |
| Адаптер OTG для подключения к смартфону | 1 | https://amzn.to/3II60Yg | https://amzn.to/3vRhWU5 |
| Несколько соединительных проводов | https://amzn.to/3h3BV4e | https://amzn.to/3J0WVu2 | |
| Кабель микро-USB | 1 | https://amzn.to/3s1a8g3 | https://amzn.to/364yInH |
| Макет (дополнительно) | 1 | https://amzn. to/3CcBR16 | https://amzn.to/3th4k6X |
Вы можете купить необходимые компоненты по приведенным ссылкам на лучшую покупку. Мы выбираем компоненты в соответствии с соотношением цены и качества.
Raspberry Pi Pico Обзор:
Raspberry Pi Pico поставляется с
- 264 КБ встроенной памяти SRAM
- до 16 МБ внешней флэш-памяти
Для получения более подробной информации о Raspberry Pi Pico обратитесь к техническому описанию компании. На плате есть чипсет SoC, порт micro USB и несколько компонентов сверху, а названия контактов напечатаны на задней части платы.
Обзор проекта осциллографа Scoppy:
Проект Scoppy объединяет плату Raspberry Pi Pico и ваш телефон или планшет Android для создания очень дешевого цифрового осциллографа вместе с логическим анализатором. Сигналы и осциллограммы отображаются на экране смартфона . Чтобы собрать это, вам не нужно никакого программирования или кода . Вам просто нужно загрузить последнюю версию прошивки по ссылкам ниже и загрузить ее на плату Pico. Как прошивку, доступную на GitHub, так и приложение для Android, доступное в Google PlayStore, можно загрузить и использовать бесплатно. Прошивка Scoppy имеет открытый исходный код, вы можете создать файл uf2 с настройками, если хотите.
Скачать прошивку Scoppy : ссылка (pico-scoppy-v8.uf2)(104kb)
Скачать приложение Scoppy для Android : ссылка
Проект Scoppy помогает разработчикам и любителям измерять низких напряжений и низких частот сигналов и визуализировать их на смартфоне Android по очень дешевой цене.
Scoppy — это не только осциллограф, но и логический анализатор с частотой дискретизации 25 Мвыб/с (миллионов выборок в секунду).
Каковы требования для использования Scoppy?
- Требуется смартфон Android с версией Android 6.0 (Marshmallow) или выше.
- Плата Raspberry Pi Pico
- Адаптер OTG для подключения USB-кабеля к устройству Android.
- И, в основном, человек (что!! ха-ха, шучу)
Как установить и использовать Scoppy с Raspberry Pi Pico
Процесс установки очень прост. Просто выполните следующие шаги, чтобы установить прошивку на Raspberry pi Pico и установить приложение Android на смартфон.
Шаг 1: Загрузите прошивку на Raspberry Pi Pico
- Загрузите последнюю версию прошивки Scoppy .uf2 по этой ссылке на ПК.
- Удерживая кнопку BOOTSEL на плате Raspberry Pi Pico, подключите ее к ПК через USB и отпустите BOOTSEL, как только на вашем компьютере появится диск RPI-RP2.
- Скопируйте файл .uf2 и вставьте его на диск Pico RPI-RP2.
- Встроенный светодиод будет мигать, указывая на загрузку. и перезапустите после завершения.
Шаг 2: Загрузите приложение Scoppy для Android на смартфон
- На своем смартфоне откройте Playstore и выполните поиск Scoppy, затем вы найдете « Scoppy — осциллограф и анализатор логики » из приложений FHDM. Прямая ссылка на Playstore указана выше.
Шаг 3: Подключите Raspberry Pi Pico к смартфону
- Подключите адаптер OTG к смартфону
Шаг 4: Запустите приложение Scoppy
Теперь откройте приложение и изучите несколько вещей с демонстрационным содержимым. Twerk с несколькими настройками и функциями, чтобы вы могли понять, как работает приложение, до реального тестирования. Вы можете изменить демо на USB в настройках.
Пользовательский интерфейс Scoppy отображается под вместе с их кратким обзором.
На приведенном выше снимке экрана пользовательского интерфейса видно, что очень похож на цифровые осциллографы . На изображении мы просто выбираем источник изображения в качестве демо, которое вы можете увидеть в правом нижнем углу. В демоверсии мы включили двухканальные входные сигналы, которые имеют форму синусоиды.
Мы можем контролировать горизонтальное и вертикальное положение с правой стороны. Как мы знаем, координата по горизонтальной оси X используется для представления эволюции сигнала по оси времени, а по вертикальной оси Y используется для представления амплитуды сигнала в значении вольт. Так время/деление и вольт/деление можно управлять через правую боковую панель.
Вы можете использовать опцию триггера для проверки сигнала, который имеет три режима выкл.
, автоматический, нормальный . Вы также можете изменить форму волны на Rising Edge или Falling edge на боковой панели. Через меню вы можете изменить несколько настроек, таких как генерация прямоугольных волн и многое другое. Вы можете изучить все в демоверсии.
Здесь мы включили двухканальный режим только для демонстрации демо-версии, но когда вы выбираете USB, вы не можете использовать канал 2 в бесплатной версии. Чтобы использовать двухканальный режим, вам необходимо получить премиум-версию, которая стоит 1 доллар в год или 2 доллара за всю жизнь 9.0007, который является доступным и соотношением цены и качества, если вам нужна двухканальная поддержка . Премиум-версия без рекламы.
Как подключить источник сигнала к Raspberry Pi Pico
До сих пор вы могли недоумевать куда подключать источник входного сигнала . Как мы уже говорили, плата Pico имеет 3 аналоговых входа. Итак, мы должны подключить входной сигнал GPIO26 для одноканального и 2 GPIO (GPIO26, GPIO27) для двухканального.
Напряжение входного сигнала должно находится в диапазоне от 0 до 3,3 В , и анализируемый сигнал должен находиться в пределах этого допустимого диапазона. Для измерения напряжения вне диапазона вам понадобится аналоговая схема, такая как делитель напряжения или что-то более сложное, в зависимости от ваших требований.
Пример подачи внешнего сигнала на самодельный смартфон Осциллограф
Для подключения внешнего сигнала мы используем высокоомный резистор 100 кОм , который защищает плату Pico от больших токов. Нам тоже нужно два резистора по 1 кОм , которые подключены к контактам 3,3 В и GND и соединяют другие концы обоих резисторов вместе, как вы можете видеть на приведенной ниже схеме. Мы объединили оба, потому что нам нужно измерить как положительные, так и отрицательные сигналы .
Принципиальная схема:
Вы можете использовать зажимы типа «крокодил» для конца 100 кОм и конца резистора 1 кОм, что упрощает удержание входных проводов.
Теперь подключите другой конец кабеля USB через адаптер OTG к смартфону Android. Как только вы подключитесь, вы увидите всплывающее окно «Разрешить scoppy для доступа к Пико?». Нажмите «ОК».
Проверка внешних сигналов:С помощью этого соединения вы можете измерять сигналы в диапазоне от -1,65 до +1,65 , что составляет максимум 3,3 вольта. Вы можете измерять частоты до 250 кГц , что является стандартной частотой дискретизации Raspberry Pi Pico.
Для тестирования этого осциллографа для смартфона с помощью Pico нам нужен генератор функций . Таким образом, вы можете разработать генератор функций, используя Arduino и энкодер. Через него мы можем сгенерировать Прямоугольная волна с переменной частотой. Подключите выход генератора сигналов к входу Pi Pico. Вы можете настроить поворотный энкодер, чтобы увидеть формы сигналов и частоты.
Теперь ваш выбор — продолжать открывать.
Чтобы протестировать этот самодельный осциллограф, обратитесь к нашим схемам генератора прямоугольных и треугольных волн, подключите их к этому устройству и наблюдайте за формами сигналов.
См. несколько примеров аналогового интерфейса здесь.
Если у вас есть какие-либо сомнения, пожалуйста, напишите нам через раздел комментариев ниже. Если вам понравился этот проект, поделитесь им с друзьями и подпишитесь на наш канал в Facebook «Круговые школы».
Дифференциальный осциллограф | Марк Харрис
Давайте создадим пробник дифференциального осциллографа! Конечно, я мог бы купить один, но что в этом интересного? Я работаю над большим проектом, который потребует настройки цепи LC Tank, эта схема резервуара имитирует напряжение, превышающее 1000 В от пика до пика. Кроме того, точка, в которой мне нужно измерить напряжение, находится на конденсаторе, ни одна из сторон которого не заземлена. Это исключает простое использование высоковольтного пробника осциллографа для измерения напряжения.
В этом проекте с открытым исходным кодом я попытаюсь создать пробник дифференциального осциллографа с частотой 250 МГц и пиковым входным напряжением 1200 В. Полоса пропускания 250 МГц — это скорее спецификация «надежда», а не жесткое требование, для моего непосредственного применения этого пробника требуется только полоса пропускания 100 кГц. У меня нет тестового оборудования для генерации сигнала с частотой 250 МГц, поэтому эта спецификация основана исключительно на моделировании. Как и во всех моих проектах, вы можете найти файлы дизайна на GitHub, выпущенные под разрешительной лицензией MIT с открытым исходным кодом.
Знаете ли вы, что Altium имеет совершенно новый механизм моделирования специй? Если вы еще не пробовали его, подпишитесь на бесплатную пробную версию Altium Designer или поговорите с представителем Altium о том, как интеграция симуляции непосредственно в вашу симуляцию может уберечь вас от ошибок!
В этом пробнике используются высокопроизводительные операционные усилители, которым требуется двойное напряжение питания для работы с диапазонами входных сигналов.
Что такое дифференциальный пробник осциллографа?
Сначала давайте обсудим, что такое «обычный» пробник осциллографа. Щупы осциллографа, которые вы, вероятно, используете чаще всего, представляют собой несимметричный щуп с заземляющим проводом или пружиной, который вы подключаете к земле вашей цепи, и щупом (технический термин!), которым вы измеряете свой сигнал. Если вы подключите этот заземляющий провод к чему-либо, отличному от плавающего напряжения или того же потенциала, что и заземление вашего осциллографа, вы, скорее всего, повредите пробник или осциллограф. Ненавижу это признавать, но я делал это в прошлом, проверяя цепь H-моста, я полностью испарил заземляющий провод и расплавил весь кабель зонда, так как он замыкал мой очень сильный ток H-моста на землю через осциллограф.
Если вы хотите измерить что-то, например, резистор датчика тока на стороне высокого напряжения, вы должны использовать два несимметричных щупа и математический канал для измерения падения напряжения. Если вы просто подключите заземляющий провод пробника к одной стороне резистора, а наконечник пробника к другой, у вас тоже будет плохой день в офисе. В то время как на стороне нагрузки резистора наблюдается падение напряжения, его потенциал относительно земли по-прежнему фактически является напряжением питания, что приведет к короткому замыканию напряжения питания через резистор датчика тока на землю. Если это напряжение питания имеет очень низкое сопротивление, вывод вашего осциллографа быстро превратится в газообразную медь/ПВХ, что вполне может привести к катастрофическому повреждению вашего осциллографа.
Правильный способ измерения разницы между двумя напряжениями без заземления — использование дифференциального пробника. Дифференциальный пробник — это активное устройство, использующее дифференциальный усилитель для измерения разницы между двумя сигналами.
Ни один из входов не привязан к земле, поэтому пробник сравнивает их только друг с другом, а затем выводит сигнал, который может использовать ваш осциллограф.
Дифференциальный пробник можно использовать и по-другому. Он позволяет увидеть осциллограмму поверх другого сигнала, например, Powerline Ethernet.
Конструкция
Концепция конструкции дифференциального датчика довольно проста. Во-первых, входной сигнал должен находиться в диапазоне входных сигналов усилителя, затем сравнить два входных сигнала, чтобы вывести разницу между ними. К счастью, нам не нужно беспокоиться об источнике питания на этой плате, так как об этом уже позаботились в форме моего последнего проекта, который просто подключается прямо к этой плате, обеспечивая всю необходимую мне мощность.
Схема
Для входного пробника на 1200 В мы начинаем с делителя напряжения. Это сделает пробник 500:1 с входным сопротивлением 5 миллионов Ом. Каждый из резисторов и конденсаторов, составляющих входное сопротивление 5 миллионов Ом, представляет собой резистор 1206 для поверхностного монтажа, рассчитанный на 300 В, который также обеспечивает нашу изоляцию напряжения.
Несколько резисторов используются на нижней стороне делителя потенциала, чтобы обеспечить наиболее точное измерение и самый жесткий допуск. Каждый из резисторов в конструкции также имеет допуск 0,1%. Делитель напряжения должен давать пиковый выходной сигнал +/-2,4 В, что безопасно для операционных усилителей.
На делителе у нас также есть подстроечный потенциометр (R13 выше) для введения смещения постоянного тока в сигнал, что позволяет согласовать входное смещение. Два делителя входного напряжения встречаются на подстроечном резисторе 100 Ом (R17), что позволяет согласовывать сигналы друг с другом.
Оба входа имеют совпадающие пути прохождения сигнала. Каждый компонент и соединение на одном входе зеркально отражается на другом. Очень важно выбирать компоненты с очень жесткими допусками, так как любой перепад напряжения между двумя каналами будет выводиться как сигнал. Если бы мы измеряли два сигнала, несущих общий шум, например электромагнитные помехи, собранные на кабеле, мы хотели бы убедиться, что уровни двух входов как можно ближе к идентичным, чтобы эти совпадающие сигналы не отображались на нашем выходе.
Выходной сигнал делителя напряжения подается на операционный усилитель, выполняющий роль буферного усилителя.
На момент разработки Analog Devices ADA4817 были самыми высокопроизводительными операционными усилителями на складе. Что касается конденсатора в контуре обратной связи, то значение конденсатора в моделировании имеет существенное значение для отклика фактической формы волны, однако при тестировании в реальных условиях значения от 0,25 пФ до более 18 пФ на самом деле не влияли на отклик.
ответ сигнала настолько, насколько я надеялся. Разница была почти незаметна при переключении с конденсатора 0,25 пФ на 18 пФ, однако это определенно могла быть моя тестовая установка. Точно так же была добавлена катушка индуктивности 22 нГн для подавления звона на выходах буферного усилителя при высоких скоростях нарастания, однако в реальном мире этот слабый звон не существовал, и я не мог его измерить.
Затем два буферных усилителя подаются на дифференциальный усилитель (также ADA4817), который выводит разницу между двумя сигналами. Выходной сигнал этого третьего усилителя привязывается к земле и отправляется на осциллограф. Выход дифференциального усилителя поступает на разъем BNC, поэтому для подключения пробника к каналу осциллографа можно использовать стандартный коаксиальный кабель с разъемами BNC на обоих концах. Благодаря встроенному аккумулятору требуется только один кабель, что избавляет мой верстак от дальнейших спутываний кабелей.
Входы на плату представляют собой разъемы SMA.
Разъемов SMA, рассчитанных на вход 1200 В, мало, если вообще есть, поэтому используются два разъема. Проводник каждого разъема используется в качестве входного сигнала, при этом коаксиальный экран может быть либо плавающим (например, для соединения с землей тестируемого устройства), либо напрямую соединенным с землей платы, либо соединенным с землей платы через резистор. Площадки для SMD-резистора типоразмера 1206 позволяют выбрать оконечную нагрузку.
В качестве альтернативы, подкладку SMA можно использовать с гнездом датчика для установки ряда пружинных датчиков. Моя концепция разъемов SMA заключается в создании плат, которые могут быть подключены к щупу с соответствующими интервалами для pogo-зондов, чтобы контактировать с компонентами SMD различных размеров. Разъемы SMA обеспечат безопасное соединение, которое можно легко заменить.
Плата
Чтобы получить максимальную отдачу от этой конструкции, я применяю высокоскоростные методы проектирования, которые являются чрезмерными для максимальной частоты этого пробника.
Во-первых, как можно большую часть сигнальной цепочки, если разместить ее под углом. Эта стратегия помогает гарантировать, что оба сигнала проходят через одинаковое количество волокна и смолы в подложке FR4. Почему это критично? Пучки волокон и эпоксидная смола имеют разные диэлектрические постоянные/относительную диэлектрическую проницаемость настолько, что вы можете увидеть разницу при использовании рефлектометра во временной области для наблюдения за сигналом, проходящим через микрополосковую плату по армированной волокном плате. Вот почему платы с критическими сигналами будут указывать матовое стекло или плоское стекло при использовании плат FR4 — или просто перейти на подложку без армирования, такого как ПТФЭ, если позволяет бюджет. При размещении сигналов под углом поперек оптоволокна сигналы по-прежнему будут испытывать потери с бюджетными платами, но есть вероятность, что сигналы будут иметь равные потери и задержки.
Чтобы продолжить эту концепцию, я также согласовываю длину входов с усилителями.
При размещении усилителей под углом сигнал с каждого входа проходит неодинаковое расстояние. Разница составляет всего дюжину пикосекунд или около того, и я не думаю, что усилители даже заметят это, но я приму любой предлог, чтобы переусердствовать!
Плата также состоит из 4 слоев с двумя внутренними заземляющими слоями, чтобы гарантировать, что сигналы на внешних слоях имеют высококачественный обратный путь. Я также проигнорировал всю идею 90/45 градусов, и получил массу удовольствия, просто соединяя сигналы с дорожками «под любым углом» по кратчайшему маршруту.
Вы могли заметить, что я убрал заземляющий слой платы из-под делителей входного напряжения. Это определенно был выбор, над которым я много спорил, в идеале должен быть обратный путь под сигналами, но в то же время я хочу уменьшить емкость на землю платы для этого высоковольтного сигнала. Идеальным решением было бы обеспечить обратный путь к тестируемому устройству под делителем напряжения, но это не всегда возможно.
В конце концов, я решил обойтись без земли для этой части платы. Удаление обратного пути из-под высокоскоростного сигнала должно выполняться только после долгих размышлений и не рекомендуется для подавляющего большинства приложений.
Зазоры на этой плате на входе недостаточны для выполнения рекомендаций IPC по максимальному напряжению для платы без покрытия. При использовании платы для входного напряжения 1200 вольт входной каскад должен иметь конформное покрытие для обеспечения достаточного пути утечки/зазора.
Тестирование прототипа
Я думал, что дизайн этой платы будет «сложной» частью этого проекта, а тестирование прототипа будет абсолютно тривиальным. Конечно, я полностью недооценил этот аспект проекта, проигнорировав ограничения моего испытательного оборудования при разработке требований к конструкции зонда. Это хорошо и хорошо — проектировать что-то, удовлетворяющее определенным характеристикам производительности, однако это несколько бесполезно, если у вас нет возможности квалифицировать эту производительность.
Хотя мне нужно, чтобы конструкция работала при напряжении 1200 В, на самом деле у меня нет возможности проверить ее на 1200 В. Мой генератор функций может генерировать размах сигнала только 10 вольт, а мой лабораторный источник питания может дать мне пиковое напряжение только 64 вольта. Поскольку мой генератор функций обеспечивал максимальный сигнал менее 1% от общего расчетного диапазона, выходной сигнал был невероятно слабым и легко заглушался любыми электромагнитными помехами или другими источниками шума. Кроме того, как мой автономный генератор функций, так и генератор, встроенный в мой осциллограф, ограничены генерацией прямоугольных сигналов частотой 25 МГц. В то время как мой автономный генератор может обеспечить синусоиду 100 МГц, он имеет только 2-вольтовый пиковый сигнал, который еще сложнее измерить на выходе.
Хотел бы я сказать, что быстро понял, что мне нужно изменить свой подход к тестированию… но я этого не сделал. У меня было туннельное видение тестирования зонда спереди назад, и я продолжал пробовать глупые идеи для генерации сигнала, с которым я мог бы тестировать.
В конце концов, я наконец понял, что мне нужно отдельно квалифицировать секции делителя напряжения и операционного усилителя. Разделив тестирование двух секций, я могу подать на усилитель размах сигнала 2,4 В, чтобы протестировать его. Это гораздо более приемлемое напряжение для моего тестового оборудования, что позволяет мне гораздо быстрее проводить испытания.
Чтобы облегчить подачу сигнала в схему, я удалил резистор, который является частью RC-фильтра нижних частот перед каждым буферным усилителем. Это позволило мне припаять провод 32ga к контактным площадкам, а затем подключить его к разъему SMA, чтобы упростить подключение к моему тестовому оборудованию без длинных неэкранированных проводов. Максимальное соотношение сигнал/шум в этот момент имеет решающее значение для понимания того, что на самом деле делает схема.
Одна проблема, с которой я столкнулся при тестировании, заключалась в том, что мой генератор функций несет довольно значительное количество кондуктивных и излучаемых помех на своих заземляющих соединениях.
Он находится на частоте около 120 кГц и незаметен при проверке его выхода с односторонним подключением. Однако с дифференциальным усилителем совсем другая история. Дифференциальный усилитель не заботится о том, чтобы мы считали экран BNC/коаксиального кабеля «землей», потому что он просто сравнивает два поступающих на него сигнала. Это приводит к большому количеству паразитных шумов на выходном сигнале пробника. Я потратил много времени, пытаясь определить, откуда в моей схеме исходит этот шум, только чтобы случайно заметить, что мой осциллограф показывал часть этого шума, когда зонд находился на коаксиальном кабеле.
Переключение на генератор функций в моем осциллографе немедленно устранило проблему, но ограничило максимальную частоту 25 МГц. Интересно, что это действительно хорошо доказало дифференциальный аспект пробника, так как шум на земле функционального генератора был очень заметен на дифференциальном выходе.
Используя функцию графика Боде моего осциллографа, я смог проверить отклик пробника на первых 25 МГц.
По сути, это ровная линия, что меня очень радует. Как упоминалось выше, мне нужно, чтобы это работало только до 100 кГц или около того, а не до 250 МГц.
Развитие дизайна
Этот дизайн не идеален. Построение версии 50:1 путем замены резисторов нижнего плеча на входном делителе позволило мне провести некоторые испытания от конца до конца, и, хотя отклик довольно ровный во всем частотном диапазоне, я могу легко проверить, обеспечивая очень быстрый фронт менее чем одна наносекунда показала некоторые проблемы с установлением выходного сигнала, хотя частота этого фронта выходит далеко за пределы расчетного диапазона.
Экранирование от электромагнитных помех было бы фантастическим дополнением к конструкции, во время тестирования были обнаружены значительные проблемы с электромагнитными помехами — RF Can, закрывающий усилители, был бы очень кстати. Дополнительная фильтрация электромагнитных помех также будет полезна, если предположить, что она не влияет на частотную характеристику.
