Активный щуп к осциллографу

При наблюдении формы сигнала в высокочастотных цепях, исследованиях пьезокерамики, импульсов цифровых интегральных схем с большим выходным сопротивлением входное сопротивление осциллографа должно быть также достаточно высоким, более 500 кОм, а его входная емкость—небольшой, 10...15 пФ. Большинство промышленных осциллографов обеспечивает указанные параметры, но лишь с входных клемм, без входного кабеля. Входной кабель длиной около метра вносит дополнительную емкость около 150 пФ, что часто искажает форму сигнала и, кроме того, может повлиять на функционирование исследуемого устройства. Осциллографы, снабженные входным активным щупом, пока еще встречаются редко, и они малодоступны радиолюбителю. Для уменьшения входной емкости кабеля возможно использование выносных делителей напряжения, однако их применение приводит к десятикратному ухудшению чувствительности осциллографа.

Для уменьшения входной емкости без ухудшения чувствительности предлагалось также использовать эмиттерные и истоковые повторители [1]. Но и этот способ характеризуется большим недостатком, который состоит в том, что с ростом частоты сигнала уменьшается допустимая амплитуда сигнала, поступающего на вход щупа. Так, в схемах указанной статьи ампли-

туда входного сигнала активного щупа не должна превышать 1 В на частотах 3, 6 и 10 МГц для трех разных схем. Искажения сигнала за пределами этих значений недопустимо велики.

Активный щуп, которым снабжен промышленный осциллограф типа С1-40, имеет более широкие пределы измерения по частоте с коэффициентом передачи напряжения сигнала, равным 0,7. Однако амплитуда исследуемого сигнала также не должна превышать 1В [2].

Таким образом, исследование часто встречающихся сигналов — импульсных — при работе с цифровыми, особенно КМОП интегральными схемами, амплитуды которых достигают 10 В, с помощью перечисленных активных щупов не представляется возможным.

Предлагается конструкция активного щупа к осциллографу, в котором устранены указанные недостатки за счет использования лампового компенсированного катодного повторителя, с расширенным диапазоном наблюдения частоты и амплитуды сигнала. Щуп обладает следующими характеристиками:

амплитуда исследуемых сигналов — синусоидальных до 2 В, отрицательных импульсов до 1 В, положительных импульсов до 10 В;

диапазон частот исследуемого сигнала — до 14 МГц;

завал переднего фронта импульсов — не более 10 нс, заднего фронта импульсов — не более 15 нс;

входное сопротивление — 500 кОм при входной емкости не более 15 пФ;

коэффициент передачи входного сигнала — 0,5 с погрешностью не более 1 дБ.

Активный щуп имеет автономное питание от сети переменного тока напряжением 220 В и подключается к входу осциллографа, имеющему входное сопротивление не менее 100 кОм.

Принципиальная схема щупа представлена на рис. I. Она содержит собственно щуп и узлы его блока питания.

Основными частями самого щупа являются входное и выходное устройства. Входное устройство выполнено на нувисторе 6С51Н, включенном по схеме катодного повторителя. Нувистор этого типа обладает большим значением крутизны характеристики анодного тока и малыми значениями междуэлектродных емкостей. Резистором R4 регулируется коэффициент передачи щупа и уровень выброса на переднем фронте исследуемого импульса в процессе наладки. Лампа VL1 предохраняет нувистор от перегрузки входным сигналом. Выходное устройство содержит корректирующий конденсатор С14 и переменный подстроенный резистор R18 для регулировки уровня выброса на заднем фронте прямоугольного импульса.

Рис. 1. Принципиальная схема щупа

Блок питания состоит из силового трансформатора Т1, выпрямителей, собранных по мостовым схемам, и трех стабилизаторов напряжения компенсационного типа. Стабилизатор напряжения накала нувистора собран на транзисторах VT1, V T 2 и VT6; стабилизатор анодного напряжения собран на транзисторах VT3, V T 4 и VT7; стабилизатор напряжения компенсации собран на транзисторах V T 5 и VT8.

Рис. 2. Внешний вид щупа

Рис. 3. Размещение элементов щупа внутри корпуса

Номинальные напряжения на выходах стабилизаторов устанавливаются соответственно переменными резисторами RIO, R13 и R16. Стабилизированное питание нувистора гарантирует постоянство коэффициента передачи щупа при колебаниях сетевого напряжения и отсутствие чрезмерных пульсаций выпрямленных напряжений, которыми может оказаться промодулирован исследуемый сигнал. Диоды VD17, VD20, VD23—VD25 осуществляют температурную компенсацию стабилизированных напряжений. Свето-диод VD1 является сигнальным.

Внешний вид активного щупа показан на рис. 2. Он состоит из пластмассового корпуса с блоком питания и выходным устройством и выносного пробника, в котором размещено входное устройство. Размещение элементов схемы внутри корпуса показано на рис. 3. Выносной пробник соединен с блоком питания кабелем длиной 1 м, выходное устройство соединяется с входом осциллографа кабелем длиной 2 м. Переменный резистор компенсации постоянного выходного напряжения R21 выведен наружу пластмассового корпуса для возможности оперативной регулировки. Размеры пластмассового корпуса 180X80X45 мм.

Сетевой трансформатор выполнен на сердечнике из пластин Ш-17 при толщине набора 24 мм. Катушка трансформатора имеет следующие намоточные данные (провод ПЭЛ или ПЭВ):

обмотка 1 — 2 — 2 6 9 0 витков, 0 , 1 мм, напряжение 220 В; обмотка 3—4 — 200 витков, 0 , 1 мм, напряжение 16 В; обмотка 5 — б — 120 витков, 0 , 2 9 мм, напряжение 10 В; обмотка 7 — 8 — 1100 витков, 0 , 1 мм, напряжение 90 В; обмотка 9 — 1 0 — 1220 витков, 0 , 1 мм, напряжение 100 В; обмотка 1 1 — 1 2 — 1 4 1 0 витков, 0 , 1 мм, напряжение 115 В.

Транзистор стабилизатора анодного напряжения VT4 устанавливается на радиатор площадью поверхности 6 см2 для охлаждения.

При отсутствии транзисторов, указанных на схеме, они могут быть заменены: вместо П213Б можно использовать П216, П217; вместо МП42А —МП25, МП40; вместо КТ605БМ — П308, П309, КТ503Д или КТ503Е. Подбор транзисторов не требуется.

Налаживание активного щупа начинают с установки питающих напряжений на выходах стабилизаторов. Напряжения должны соответствовать указанным на схеме. Напряжения измеряются относительно общего провода. Затем производится настройка щупа. Для этого выход подключают к осциллографу, переменные резисторы R4 и R18 устанавливают в положения, соответствующие максимальным сопротивлениям, а на вход подают сигнал от генератора прямоугольных импульсов положительной полярности амплитудой 10 В. При этом можно использовать промышленный генератор типа Г5-48 или аналогичный ему с длительностью фронтов не более 10 не. При отсутствии промышленного генератора импульсов можно использовать самодельный импульсный генератор, собрав его на микросхемах ТТЛ серий 130, 133 или 155 [3]. С помощью регулировки переменным резистором R4 добиваются минимального выброса на переднем фронте импульса, наблюдаемого на экране осциллографа. Затем переменным резистором R18 устанавливается минимальный выброс на заднем фронте импульса. Эта настройка неоднозначна и может выполняться при разных положениях переменных резисторов. Следует их отрегулировать таким образом, чтобы коэффициент передачи щупа был равен 0,5.

При использовании активного щупа наблюдение сигналов частотой выше 200 кГц можно вести при открытом и закрытом входе осциллографа. На более низких частотах сигнала следует использовать открытый вход. При наблюдении сигналов переменного тока со значительной постоянной составляющей напряжения необходимо подавать сигнал на вход щупа через разделительный конденсатор емкостью не менее 0,1 мкФ с рабочим напряжением не менее суммы постоянной составляющей и амплитуды исследуемого сигнала. Этот разделительный конденсатор должен обладать малым током утечки. Поэтому предпочтительнее использовать пленочные конденсаторы. Перед началом наблюдений при помощи переменного резистора R21 производится компенсация выходного постоянного напряжения так, чтобы на выходной клемме оно было равно нулю.