Щуп с делителем к "Хамелеону" своими руками
Автор: ELcat
Опубликовано 24.11.2011
Создано при помощи КотоРед.
Каждый Радиокот в той или иной мере имеет потребность в маленькой домашней радиолаборатории. И, естественно, маленьком, но функциональном арсенальчике радиоизмерительного оборудования. В нашей замечательной стране, давшей миру столько кулибиных, выдающихся учёных, деятелей и первооткрывателей, сегодня, к сожалению, таковых не потчуют. Цены на измерительное оборудование промышленного производства порой самые высокие в мире, а зарплаты. ну да вы сами знаете: "Кармашек у котёнка не больше напёрстка. " Ну да и ладно, в нашем случае пара рук да голова на плечах – куда более ценное оборудование, изготовим сами. И огромная благодарность тем ребятам, которые порою на энергии чистого энтузиазма занимаются разработкой, комплектовкой и рассылкой наборов для самостоятельного изготовления такого оборудования. Именно об этом и пойдёт сегодня речь.
Завёлся в моей домашней лаборатории новый зверёк – Хамелеон D. Вещь чудесная, но без удобного и функционального хвостика-щупа – малопригодная. Для его изготовления нам потребуются:
– обычный щуп от китайского мультиметра,
– 0,5 метра какого-нибудь тонкого коаксиального СВЧ кабеля,
– разъём типа мини-джек 3,5мм "стерео",
– тонкий контактный штырь от какого-нибудь совкового разъёма,
– кусочки термоусадочной трубки разных диаметров,
– "рассыпуха", несколько резисторов МЛТ-0,125 2МОм, smd конденсаторы типоразмера 1206 номиналами единицы-десятки пикофарад.
А также паяльник, скальпель, пинцет, плоскогубцы, кусачки, тестер с возможностью измерения емкостей от единиц пикофарад и сопротивлений до 10МОм, пара не очень кривых рук и неудержимое желание чего-то "замутить".
И так, приступим! Для начала нам потребуется подобрать тот самый подходящий СВЧ кабель. Как его подобрать? В первую очередь из имеющихся подбираем визуально по подходящему диаметру под наш щуп. Далее по сечению центральной жилы – чем она тоньше, тем лучше. Ну и в последнюю очередь по ёмкости между центральной жилой и оплёткой, опять же, чем меньше, тем лучше. Я нашёл в своих запасах кусочек вот такого кабеля от какого-то совкового СВЧ устройства.
Ёмкость 0,5 метрового куска составила около 30пФ. Лучше, думаю, могут быть параметры у кабелей внешних автомобильных GSM антенн(часто встречаются на "развалках" радиорынков). Идеальные параметры у кабелей высокочастотных щупов осциллографов. Там центральная жила вообще бывает в виде тончайшего стального волоска. Электрическое и волновое сопротивления, а также остальные параметры кабеля в данном случае нам мало интересны. Сразу подпаяем JACK 3,5мм, поскольку для дальнейших действий нам необходимо будет подключить кабель к осциллографу.
Теперь подготовим сам щуп. Аккуратно при помощи плоскогубцев вытягиваем из него штырь, разогреаем паяльником и очень аккуратно снимаем пластиковый цилиндрик (он нам пригодится). Далее вырезаем прямоугольное отверстие под микропереключатель. Должно получиться вот так:
Просверливаем сбоку отверстие, через которое пропустим "земляной" провод:
Теперь займёмся собственно делителем. У Хамелеона "D"версии входное сопротивление составляет 510кОм. Для реализации делителя напряжения на 10 нам необходимо увеличить это сопротивление в 10 раз 510кОм*10=5,1Мом. 510кОм у нас уже есть внутри самого осциллографа, поэтому в щупе нам потребуется 5,1МОм-510кОм=4,59МОм.
Для устойчивости к высокому входному напряжению это сопротивление лучше всего составить из двух приблизительно по 2,295МОм. Где же взять резисторы с таким причудливым номиналом? Наберитесь терпения, мы изготовим их самостоятельно. Точнее модернизируем имеющиеся МЛТ0,125 номиналом 2МОм. Накручиваем выводы резистора на щупы мультиметра, включаем мультиметр в режим измерения сопротивления и, неспеша, очень аккуратно, начинаем скальпелем соскабливать сначала эмаль, затем резистивный слой, всё время следя за показаниями мультиметра. Заканчиваем процесс, когда значение сопротивления станет равным 2,29-2,3 мегаома.
Второй резистор будем подгонять по чуть другой методике. Паяем его последовательно с подогнанным и ко входу осциллогафа. Подаём постоянное напряжение непосредственно на вход осциллографа, отмечаем показания. Далее выставляем чувствительность в 10 раз больше и подаём это же напряжение через резисторы (я для этого использовал стабилизированный источник 9В). Теперь так же не спеша и аккуратно скальпелем начинаем скоблить второй резистор. Заканчиваем процесс, когда луч опустится до нашей отметки.
Если со скоблением "переусердствовали", берём "свеженький" резистор и начинаем скоблить заново. Я поначалу пытался тереть абразивной бумагой "нулёвкой" и испортил два резистора, поэтому настоятельно рекомендую скоблить только скальпелем – так процесс протекает более медленно и управляемо.
С делителем по постоянному напряжению разобрались. Теперь приступим к подбору реактивной составляющей делителя и компенсации влияния ёмкости кабеля. Для этого нам потребуется ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ СПЕЦИАЛЬНОЙ ФОРМЫ. Страшно? Ничего, у меня его тоже нету, но в нашем Хамелеоне есть импульсный преобразователь, который, как нельзя к стати, даст нам нужный сигнал 🙂 Для начала выведем этот сигнал, просто подпаяв кусочек лужёнки с обратной стороны платы Хамелеона на площадку, являющуюся общей для дросселя, диода Шоттки и стока полевого транзистора. Включаем Хамелеон и фиксируем размах сигнала.
Выставляем чувствительность по напряжению в десять раз большей, подпаиваем параллельно резисторам подстроечный конденсатор 4-30пФ и подпаиваем вход кабеля к нашему "паровозу". Обязательно даём цепочке остыть перед началом подстройки, поскольку ёмкость керамических конденсаторов связана с температурой так называемым ТКЕ (температурным коэфициентом ёмкости), поэтому все манипуляции с конденсаторами мы должны выполнять, только предварительно дав им остыть. Аккуратно вращая диск конденсатора добиваемся показаний с тем же размахом.
Отпаиваем конденсатор, даём ему остыть до комнатной температуры и измеряем ёмкость. Умножаем её на два, поскольку мы составим её из двух последовательно включённых конденсаторов. У меня получилось 11-12пФ, соответственно взял два конденсатора по 22пФ. Теперь аккуратно скальпелем счищаем эмаль с выводных чашечек резисторов, лудим и паяем к ним конденсаторы.
Проверяем чего получилось.
Чес-слово валерьянку не пил! Но то ли подстроечнику не дал остыть, то ли 2х2 неправильно умножил, в общем итоге сильно промахнулся. Отпаял конденсаторы и поставил по 12пФ, далее после очередного измерения добавил к ним ещё по 3пФ впараллель.
Производим контрольную проверку нашего делителя. Сначала фиксируем размах сигнала без дополнительной цепочки,
затем выставляем в десять раз большую чувствительность и проверяем с подключенной цепочкой
Приступаем к сборке нашего щупа. Нанизываем на провода термоусадки, зачищаем провода (я использовал МГТФ) и проводим все пайки. Тщательно промываем нашу цепочку и места пайки спиртобензином или ацетоном, покрываем электропрочным нитролаком (рекомендую цапон-лаком, но за неимением такового покрыл прозрачным маникюрным).
Даём лаку высохнуть и покрываем повторно. После просушки продолжаем сборку. Пропускаем провода в щуп и выводим из нужных отверстий, усаживаем термоусадку на кабеле и аккуратно "затягиваем" нашу конструкцию внутрь корпуса щупа. Все неэкранированные провода должны быть как можно короче, дабы не ловить лишние сигналы и не вносить дополненительные ёмкости. Крайне аккуратно припаиваем переключатель так, чтобы флюс и паяльный материал не попали внутрь. Влажной в растворителе ваткой снимаем остатки флюса и аккуратно лакируем места пайки, следя чтобы лак не попал внутрь.
Садим переключатель в подготовленное для него отверстие.
Наконец дошло дело и до нашего пластмассового цилиндрика, стянутого по-горячему с родного штыря. Вставляем в него наш предварительно укороченный до нужной длины и заново заточенный штырь-контакт. Если он будет тоньше отверстия в цилиндрике (как и в моём случае), обожмите его слоем-двумя термоусадки так, чтобы он плотно вошёл в цилиндрик. Припаиваем и промываем.
Вставляем цилиндрик со штырём на место.
Осталось только надеть и обжать термоусадку на кабель и корпус щупа, и припаять разъём типа "крокодил" к земляному проводу. И. Вуаля.
Вот схема того, что у меня получилось.
В принципе, по описанной технологии можно подобрать делитель практически к любому измерительному прибору. Следует только помнить, что Z-характеристики, приведённые ко входу щупа, будут состоять из суммы таковых у самого щупа и прибора, к которому он подключён. Так, чем, меньшая ёмкость кабеля будет подобрана, тем меньшая суммарная ёмкость будет приведена к щупу измерительного прибора и тем меньшее влияние он будет вносить в исследуемую схему.
Самодельные осциллографы перестают быть редкостью по мере развития микроконтроллеров. И естественным образом возникает потребность в щупе для него. Желательно со встроенным делителем. Некоторые из возможных конструкций рассмотрены в данной статье.
Щуп собран на отрезке фольгированного стеклотестолита и помещен в металлическую трубку, выполняющую роль экрана. Чтобы не вызывать аварийных ситуаций, когда и если щуп падает на включенное испытуемое устройство, трубка покрыта термоусадкой. Без покрытия заготовка выглядит вот так:
Щуп в разобранном виде:
Конструкции могут быть разными. Просто нужно учитывать некоторые вещи:
- Если выполняете щуп без делителя, т.е. он не содержит в себе больших сопротивлений и переключателей, т.е. элементов подверженных электромагнитным наводкам, то целесообразно экранированный провод щупа протягивать до самой иглы. В этом случае дополнительная экранировка элементов вам не понадобится и щуп можно выполнять из любого диэлектрика. Например использовать один из щупов для тестера.
- Если в щупе выполнен делитель, то когда вы берете его в руки, вы неизбежно будете увеличивать наводки и помехи. Т.е. потребуется экранировка элементов делителя.
В моем случае соединение трубки с экраном (точнее с обратной стороной стеклотестолита) выполнено припаиванием пружинки на тектолит, которая и создает контакт между экраном и платой щупа.
В качестве иглы использовал «Папу» от разъема типа ШР. Но ее можно выполнить и из любого другого подходящего стержня. Разъем от ШР удобен тем, что его «Маму» можно впаять в зажим, который можно будет при необходимости надевать на щуп.
Подбор провода
Отдельного упоминания заслуживает подбор провода. Правильный провод выглядит так:
Миниджек 3,5 мм расположен рядом для масштаба
Правильный провод представляет из себя более-менее обычный экранированный провод, с одним существенным отличием – центральная жила у него одна. Очень тонкая и выполнена из стальной проволоки, а то и проволоки с высоким удельным сопротивлением. Почему именно так поясню немного позже.
Такой провод не сильно распространен и найти его достаточно непросто. В принципе, если вы не работаете с высокими частотами порядка десятка мегагерц, особой разницы, использовав обычный экранированный провод, вы можете и не ощутить. Встречал мнение, что на частотах ниже 3-5 МГц выбор провода не критичен. Ни подтвердить, ни опровергнуть не могу – нет практики на частотах выше 1 МГц. В каких случаях это может сказываться тоже скажу позже.
Самодельные осциллографы нечасто имеют полосу пропускания в несколько мегагерц, поэтому используйте тот провод, который найдете. Просто стремитесь подобрать такой, у которого центральные жилы потоньше и их поменьше. Встречал мнение, что центральная жила должна быть потолще, но это явно из серии «вредных советов». Малое сопротивление проводу осциллографа без надобности. Там токи в наноамперах.
И важно понимать, чем ниже собственная емкость изготовленного щупа, тем лучше. Это связано с тем, что когда вы подключаете щуп к исследуемому устройству, вы тем самым подключаете дополнительную емкость.
Если подключаете напрямую на выход логического элемента либо в ИБП, т.е. к достаточно мощному источнику сигнала, имеющему достаточно малое собственное сопротивление, то все будет отображаться нормально. Но если в цепи есть значительные сопротивления, то емкость щупа будет сильно искажать форму сигнала, т.к. будет заряжаться через это сопротивление. А это означает, что вы уже не будете уверены в достоверности осциллограммы. Т.е. чем ниже собственная емкость щупа, тем шире диапазон возможных применений вашего осциллографа.
Принципиальные схемы щупов
Собственно схема щупа, которую я применил, предельно проста:
Это делитель на 10 для осциллографа с входным сопротивлением 1 мегом. Сопротивление лучше составить из нескольких, соединенных последовательно. Переключатель просто замыкает напрямую добавочное сопротивление. А подстроечный конденсатор позволяет согласовать щуп с конкретным прибором.
Пожалуй вот более правильная схема, которую стоило бы рекомендовать:
Она явно лучше по допустимому напряжению, так как пробивное напряжение резисторов и конденсаторов СМД обычно принимают за 100 вольт. Встречал утверждения, что они выдерживают и 200-250 вольт. Не проверял. Но если вы исследуете достаточно высоковольтные цепи, стоит применить именно такую схему.
Я ее никогда не делал, рекомендаций по настройке (подбору конденсаторов С2, С3, С4) дать не могу.
Немного обещанной теории
Емкость прямо пропорциональна площади проводников и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Там еще есть коэффициент, но для нас это не важно сейчас.
Имеем два проводника. Центральная жила и экран провода. Расстояние между ними определяется диаметром провода. Площадь экрана сильно снизить не получится. Да и не надо. Остается снижать ПЛОЩАДЬ ПОВЕРХНОСТИ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЖИЛЫ.
Т.е. снижать ее диаметр насколько это технически целесообразно без потери механической прочности.
Ну а чтобы повысить эту самую прочность при уменьшении диаметра надо выбрать материал попрочнее.
Провод можно представить так:
Распределенная емкость по длине провода. Ну а чем больше будет удельное сопротивление материала центральной жилы, тем меньшее влияние соседние участки (соседние емкости) будут оказывать друг на друга. Поэтому целесообразен провод с высоким удельным сопротивлением. По этой же самой причине нецелесообразно делать провод щупа слишком длинным.
Разъемы рассматривать не буду. Лишь скажу, что оптимальным для осциллографа считаю разъемы BNC. Они чаще всего и применяются. Миниджек, аудиоразъем я бы применять не рекомендовал (хотя сам применяю, в силу того, что не использую осциллограф в цепях со значительными напряжениями). Он опасен. Дернули провод при проведении исследований цепей с хорошим напряжением. Что происходит далее? А далее миниджек, скользя по гнезду, может вызвать замыкание. И даже если в силу разных причин ничего не произошло, на самом миниджеке будет присутствовать это напряжение. А если он упадет к вам на колени? А там открытый центральный контакт и земля рядом.
Лето, жарко, любите работать в трусах? Выбирайте BNC (не реклама). BNC тем и хорош. Его не выдернешь просто так. А даже если и случилось – он закрытый. Ничего опасного произойти не должно, то что в трусах, не пострадает))
Дополнительную информацию можно почерпнуть из цикла статей Входные узлы самодельных осциллографов. Так, теорией поутомлялись, теперь
Щуп № 2
Он хорош тем, что его можно вставить так:
Или вот так, ему безразлично, он свободно крутится.
Устроен он примерно так:
Единственное, что на нем еще будет сделано. Отверстие для выхода провода земли из щупа будет залито каплей термоклея, чтобы сложнее было вырвать его при случайном рывке и провод будет зафиксирован в рукоятке отрезком спички, заточенным под пологий клин.
Чтобы не оборвать и не открутить центральную жилу. Кстати это самый простой способ «лечить» дешевые китайские щупы для тестера, чтобы провод не отламывался от наконечника.
На что стоит обратить внимание: Экран доходит почти до самого наконечника. Не должно быть под пальцами значительного по площади открытого участка центральной жилы, иначе вы будете любоваться наводками с рук на дисплее ослика.
Специально для сайта Радиосхемы – Тришин А.О. Г. Комсомольск-на Амуре. Август 2018 г.
Обсудить статью САМОДЕЛЬНЫЙ ЩУП ДЛЯ ОСЦИЛЛОГРАФА
- Схема и печатная плата
- Рекомендации по монтажу и калибровке
- Щуп с делителем и опто-развязкой — схема
Схема щупа для осциллографа с делителем, которую мы сегодня предложим собрать — несложная. Если найти указанные микросхемы, то монтаж займет всего пару дней
Щуп для осциллографа с делителем — схема и печатная плата
Из преимуществ схемы отметим полную гальваническую развязку до 3 кВ. Из недостатков — малую частоту сигналов, которые можно исследовать без искажений. Для прямоугольника 20 кГц будет предел. Если настроить с некоторым сдвигом фазы, то синус можно смотреть около 50 кГц.
Таким образом, этот прибор отлично пойдёт для инженеров по энергетике. Конечно, не в лаборатории, а в рабочей диагностике высоковольтных линий.
Печатная плата щупа для осциллографа:
Щуп для осциллографа своими руками — рекомендации по монтажу и калибровке
Основа конструкции — гальванически изолированный усилитель ACPL-790. Отсюда основное ограничение частот работы зонда. Усилитель питается от изолированного преобразователя напряжения. Входной сигнал (максимум 300 мВ) снимается с резисторного делителя напряжения.
В представленном экземпляре рассчитано на 2,5 кВ постоянного тока на входе. У AD620 скорость нарастания сигнала на выходе микросхемы 0,3 В/мкс.
Питание усилителя измерения также от преобразователя, обеспечивающего двухполярное напряжение ±5 В. На входе 20 резисторов в 2 полосы. При высоких напряжениях на них выделится большая мощность, при 2,5 кВ около 3 Вт.
Плата имеет размер 100×65 мм и подходит для небольшого пластикового корпуса. Производство печатной платы — китайское (по акции за 10 штук размером 100×100 меньше 10 долларов).
После сборки и проверки всю высоковольтную часть печатной платы и деталей покрываем несколькими слоями лака. Питание — от внешнего БП на 24 вольта.
Скачать документацию на микросхемы можно ниже.
Калибровка: использовалось напряжение обычной 220 В сети и качественный цифровой мультиметр. Настраиваем подстроечники до тех пор, пока на экране осциллографа не получим показания Vrms, подобные данным эталонного мультиметра.
