Aktywna sonda oscyloskopowa

Aktywna sonda oscyloskopowa (FET)

Kiedy analizowałem możliwości swego oscyloskopu UTD2052CEX dość szybko okazało się, że (nie tylko) moja wiara w możliwości tradycyjnych sond oscyloskopowych jest zdecydowanie przedwczesna.

Analiza testów przeprowadzonych w wykorzystaniem generatora FEPG czy też modułu QCO, przekonały mnie, że bezkrytyczne podejście do wyników uzyskiwanych przy wykorzystaniu tradycyjnych sond może prowadzić na manowce.

Gdy w arykule "Probing High-Speed Digital Designs" (z 1997roku!) przeczytałem w konkluzji: "W analizie sygnałów szybkozmiennych stosowanie wszechobecnych sond 10pF 10:1 nie jest już wystarczające (adekwatne). Istnieją dwa rozwiązania alternatywne: aktywne sondy FET i pasywne sondy rezystancyjne." ("...In high-speed system developments, the ubiquitous 10-pF 10:1 capacitive-input probe is no longer adequate. The two alternatives are the FET-input probe and the resistive-input probe..." wiedziałem, że trzeba coś z tym zrobić. 

I postanowiłem zbudować sondę wg. schematu z artykułu: "Poor Man's 1-GHz Active Probe" (Aktywna sonda 1GHz dla biedaka) :)

Jakkolwiek w sieci znalazłem wiele linków do tego artykułu, postanowiłem sprawdzić: jak "to to" działa?

Schemat

Uwaga: Rezystory R4 i R6 (nie ma ich już na moim schemacie, pozostały w projekcie - układ elementów i prasowanka - płytki) zastąpiłem ostatecznie rezystorami 0R (0805).

Podobnie dławik L1 (10uH) można zastąpić rezystorem 0R (1206). W najbliższym czasie zaproponuję kolejne wcielenie sondy, dla której inspiracją był projekt "Poor Man's 1-GHz Active Probe".

Schemat sondy obejmuje dwa moduły:Schemat sondy

  • aktywną sondę wykonaną na tranzystorze (N-channel dual-gate MOS-FET) BF994S, pracującym w układzie wtórnika źródłowego. Sposób przyłączenia drugiej bramki (do drenu) powoduje, że tranzystor pracuje jak zwykły tranzystor jednobramkowy,
  • układu zasilania na układzie monolitycznym 1117-5.0. Może zastanawiać po co taki zasilacz dla jednego tranzystora? Otóż planuję w okolicy grotu sondy zamontować dwie białe diody LED, oświetlające pole pomiaru. Może to fanabera, a może nie. Czas pokaże.

    Warto zwrócić uwagę na bardzo słabe sprzężenie grota sondy z bramką, poprzez kondensator 0,5pF. "Diodę życia" D1, element zabezpieczający układ przed odwrotnym podłączeniem zasilania stosuję (niemal) we wszystkich swoich konstrukcjach. W odróżnieniu do autora swoją wstawiłem szeregowo.

Układ elementów na płytceUkład elementów na poszczególnych płaszczyznach płytki przedstawia rysunek obok.

Obudowę sondy wykonano laminatu jednostronnego. Grot sondy wykonano z mosiądzowanego gwoździka. Izolator przepustu grotu to wewnętrzny izolator z kabla koncentrycznego RG58. Wewnętrzny otwór został rozwiercony do średnicy ok. 1,5mm.

Prasowanka PCB (lustro)We wtyku BNC (wpinanego w gniazdo oscyloskopu) wlutowano pomiędzy żyłę środkową a masę rezystor o wartości 47om (terminator przelotowy).

Załączona "prasowanka" (to już jest lustro, nie trzeba odwracać) pozwala jednorazowo wykonać 4 płytki sondy.

Pierwsze testy

Poniższe wyniki są orientacyjne, gdyż dopiero zacząłem testy, ale  można już przedstawić pewne spostrzeżenia.

Używanie kabelka uziemiającego "z krokodylkiem" (łączna długość ok. 17,5cm) z sondą UT-P03 zasadniczo mija się z celem. Na przebiegu pojawiają się losowo zniekształcenia, których w rzeczywistości tam nie ma. Dlatego też w pomiarach z sondą UT-P03 stosowałem własną zapinkę. Potwierdziła ona swoją przydatność w tego typu pomiarach.Zapinka bezindukcyjna

Kabel koncentryczny (RG174) wlutowano bezpośrednio w płytkę sondy. Niestety goldpiny nie zdały egzaminu jako "gniazdo zasilające" (niepewny kontakt podczas manipulowania sondą). Dlatego też ostatecznie przewody zasilające również wlutowano w płytkę sondy.

Wpływ sond na częstotliwość generatora kwarcowego Generator kwarcowy zrobiłem na tranzystorze FET (BF245B). 

Napięcie w.cz. (14,31MHz) mierzono przykładając grot sond do bramki, a następnie źródła tranzystora. Rezystor w bramce wybrano stosunkowo niewielki (150k), by rezystancja sondy (UT-P03) nie wpływała na pomiar.

I tak oscyloskop w przypadku obu sond wyświetlił niezaburzony przebieg sinusoidalny, przy czym:

  • dla sondy UT-P03 (dzielnik 10:1) wyświetlił napięcie ok. 3,47V na bramce. Częstotliwość wykazana przez częstotliwościomierz oscyloskopu to 14,3169MHz. Podczas pomiaru na źródle tranzystora odpowiednie wartości wyniosły: 2,05V i f=14,1376MHz. 
  • dla sondy aktywnej (w bramce) wyświetlił napięcie ok. 0,177V, a częstotliwość to 14,3178MHz (różnica 900Hz w stosunku do wyniku z sondą UT-P03). W źródle wykazał U=0,089V. Nie wykazał różnicy w częstotliwości w stosunku do pomiaru na bramce.

Pierwszy przebieg testowy Pomiar obu sondami przeprowadzono wielokrotnie uzyskując te same wyniki pomiaru. Na zdjęciu obok prezentuję wyniki pierwszego testu. Widocznym jest aktywna sonda tłumi sygnał, jednak w dużo mniejszym stopniu wpływa na częstotliwość generatora (kwarcowego). W przypadku generatora LC wpływ byłby zdecydowanie większy.

W najbliższym czasie postaram się porównać działanie zaprezentowanej sondy aktywnej dla innych źródeł sygnałów.

Oprócz wyżej opisanej sondy do testów oscyloskopu UTD2052CEX zbudowałem:

  • generator FEPG - generator sygnału prostokątnego o szybko narastających i opadających zboczach,
  • moduł QCO - układ umożliwiający podanie sygnału z monolitycznego generatora kwarcowego (QCO) na gniazdo wejściowe oscyloskopu.

Jeśli jesteś zainteresowany tym co jeszcze udało mi się zrobić z lutownicą w ręku zapraszam do Warsztatu krótkofalowca.