Делитель напряжения для осциллографа

Как одним движением сжечь 10000$ и получить удар током

Представим себе в сущности довольно-таки заурядную ситуацию: у вас сломался сетевой источник питания. Вы берете в руки мультиметр и измеряете напряжение на входе и выходе источника. На входе у вас честные 230 В переменного тока из розетки, а на выходе по нулям. Вы знаете, что ваш источник питания – импульсный, и вы в курсе про то, что транзисторами источника управляет ШИМ-контроллер, который очень легко идентифицируется на плате.
На столе у вас стоит новенький осциллограф Tektronix DPO 7254 или какой-нибудь LeCroy WavePro 7300A ценою более 10000$, и вы решаете посмотреть с его помощью сигналы ШИМ-контроллера, чтобы диагностировать его исправность или неисправность. На щупе осциллографа написано, что его максимально допустимое напряжение равно 1000 В, это с хорошим запасом больше напряжения в розетке. Непосредственно на самом осциллографе рядом с разъемами для подключения щупов написана цифра 400 V, кроме того, у вас щуп с делителем 1:100, что тоже вселяет уверенность, что все будет в порядке. Вы включаете осциллограф и пробуете подключить его щуп к плате источника питания, однако, как только вы касаетесь щупом осциллографа платы источника питания, проскакивает искра и раздается громкий ба-бах. Экран вашего новенького осциллографа безжизненно потухает, сам осциллограф не реагирует ни на какие кнопки, а комнату заполняет характерный запах сгоревшей электроники. Что же произошло? Почему сгорел осциллограф и как такого избежать? Обо всем этом читайте под катом.

Отказ от ответственности

В данной статье затрагиваются вопросы, касающиеся сетевого напряжения, которое может представлять угрозу жизни и здоровью человека, а также работоспособности приборов. Вся информация в этой статье представлена исключительно в ознакомительных целях. Вы используете указанную информацию на свой страх и риск. Автор ни в коем случае не несет ответственности за какой-либо прямой, непрямой, особый или иной косвенный ущерб в результате любого использования информации из данной статьи.

Структура источника питания

В данном разделе, конечно, мы не будем подробно рассматривать устройство импульсных преобразователей, это тема для целой серии статей. Мы рассмотрим этот вопрос в минимальном объеме, необходимом для понимания темы статьи. Итак, на рисунке ниже приведена по сути структурная схема простейшего обратноходового преобразователя. Обратноходовый преобразователь здесь выбран исключительно для примера, совершенно не важно, какая топология источника питания (прямоходовый, мост, полумост, пуш-пул или вообще балластный конденсатор), все сказанное верно для любой из них.

В ней не показаны фильтры синфазных и дифференциальных помех, цепи защиты и некоторые другие компоненты, однако для рассмотрения нашего вопроса это и не нужно. На схеме мы видим диодный мост, к которому подводится сетевое напряжение, микросхему ШИМ-контроллера, объединенную с силовым транзистором, трансформатор и цепь обратной связи. Сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом: плюс подводится к трансформатору и коммутируется силовым транзистором, а минус образует потенциал локальной (силовой) земли. Относительного этого потенциала питается ШИМ-контроллер, измеряется напряжение обратной связи, а также относительно него подаются управляющие напряжения на затворы силового транзистора (который в данной схеме находится внутри контроллера). Если мы хотим измерить какое-то напряжение на первичной стороне, это тоже надо делать относительного этого потенциала. В общем, классический такой GND, за исключение одного нюанса: он гальванически не развязан от сети (имеет прямую связь с фазой и нейтралью через пару диодов). И вот именно этот нюанс и является решающим, однако об этом позднее.

Структура осциллографа

В данном разделе будет рассмотрен вопрос, касающейся гальванической связи как между непосредственно самими каналами осциллографа, так и между каналами осциллографа и линией заземления. Существует два типа осциллографов: с изолированными каналами и без такой изоляции. Осциллографы с изолированными каналами – довольно редкий вид приборов, и этот факт будет обязательно подчеркнут в описании устройства. Если вы никогда не задумывались о том, есть ли у вашего осциллографа такая изоляция, то, скорее всего, ее нет. Что это значит на практике? Это значит, что сопротивление между земляным хвостом щупа осциллографа и земляным выводом в сетевой розетке 230 В близко к нулю. Для лучшего понимания, этот факт продемонстрирован на рисунке ниже.

На данном рисунке показано измерение сопротивление между земляным хвостом щупа осциллографа и земляным контактом шнура питания осицллографа. Как видим, величина сопротивления очень мала и составляет всего 2,18 Ома. В реальности она еще меньше, потому что здесь не учитывалось сопротивление самих щупов мультиметра, которое может быть более 1 Ома.

Итак, сделаем важный вывод: у осциллографа земляной хвост щупа соединен с земляным контактом розетки и через нее заземлен в электрическом щитке.

Структура бытовой сети 230 В

Наиболее полное описание структуры сети 230 В, конечно, лучше найти в какой-нибудь литературе по теории электрических цепей, прочитав раздел про трехфазные цепи. В рамках данной статьи будет представлена только очень маленькая часть этого курса, имеющая непосредственное отношение к нашей проблеме.

В обычную бытовую розетку приходит как правило 3 провода: фаза, нейтраль и заземление. В старых домах советской постройки третьего провода (заземления) может и не быть. Провод заземления в общем-то соответствует своему названию: в конечном итоге он переходит в шину (контур заземления), которая закапывается глубоко в землю где-нибудь под зданием или в непосредственной близости от него (разумеется, не просто абы как, а в соответствии с определенными правилами). Этот провод предназначен для защиты человека от возможного поражения электрическим током: в случае нештатной ситуации, например, попадания напряжения на корпус прибора, ток начинает идти по проводу заземления, что приводит к срабатыванию защитной автоматики и отключению напряжения.

Нейтраль по сути своей очень близка к заземлению. Если вы внимательно рассмотрите линию электропередач в сельской местности, то заметите, что нейтральный проводник заземляется на каждой опоре.

Кроме того, нейтральный проводник заземлен также и на подстанции (здесь есть свои нюансы, но в быту обычно это так, схемы с изолированной нейтралью мы не рассматриваем).

В идеальном мире сопротивление между проводом заземления и нейтралью в розетке равно нулю, и они имеют абсолютно одинаковый потенциал. В реальном мире сопротивление проводников вносит свои коррективы и между нейтралью и заземлением имеется сопротивление порядка единиц-десятков Ом. Запомним этот факт, он пригодится нам в дальнейшем.

Фазный проводник – это непосредственно сам «рабочий» проводник, который формирует синусоиду относительно нейтрали. Синусоида в бытовой розетке имеет амплитуду порядка 325 В и колеблется в плюс и в минус относительно нейтрального проводника. Таким образом, при положительной полуволне синусоиды ток течет из фазного проводника в нейтральный, а при отрицательной полуволне наоборот – ток течет из нейтрального проводника в фазный.

Что происходит при подключении осциллографа?

Итак, сведем в кучку выводы по предыдущим разделам статьи:

1. В сетевом импульсном источнике питания цепь локальной (силовой) земли связана с нейтралью и фазой через диоды.
2. У осциллографа земляной хвост щупа соединен внутри него с земляным контактом розетки.
3. Сопротивление между нейтралью и заземлением в сети мало и составляет единицы-десятки Ом.
4. При положительной полуволне синусоиды ток течет из фазного проводника в нейтральный, а при отрицательной полуволне – из нейтрального в фазный.

Для начала давайте посмотрим, как ведет себя схема без подключенного осциллографа. На рисунке ниже приведены результаты моделирования такой схемы (картинка кликабельна).

Сопротивление R1 в данном случае – это сопротивление нагрузки. Я выбрал его равным 100 кОм. Можно взять любое другое, в данном случае его величина не принципиальна. Сопротивление R2 – это сопротивление между нейтральным и проводником и заземлением. Я выбрал его равным 10 Ом. Амплитудное напряжение между фазой и нейтралью составляет 325 В, что соответствует действующему значению напряжения в 230 В, сигнал показан на зеленом графике.

Как видно из графиков тока, он нигде не превышает величины нескольких миллиампер и вся система чувствует себя хорошо.

А что будет, если подключить к такой цепи осциллограф? Результат показан на рисунке ниже (картинка кликабельна).

Как видим, в модель добавился резистор R3 с сопротивлением 2 Ома. Этот резистор соответствует сопротивлению между земляным хвостом щупа осциллографа и контактом заземления шнура питания осциллографа. Чуть выше мы проводили измерение этого параметра и получили величину равную порядка 2 Ом. Этот резистор подключен к локальной силовой земле PGND: именно к этой цепи вы скорее всего и подключите землю осциллографа, если захотите произвести измерения на первичной стороне источника питания. Но как же ведет себя при этом ток? А он вырастает до катастрофических величин. Величина тока в нашей модели составляет более 25 А! В данном случае ток ограничен величиной сопротивления между нейтралью и заземлением, внутренним сопротивлением диодного моста, а также величиной сопротивления всех проводов. И этот ток протекает, помимо всего прочего, через резистор R3, т.е. через щуп осциллографа и через его внутренние цепи. 25 А через внутренние цепи осциллографа гарантированно выжгут внутри все, что возможно, не факт даже, что уцелеет сама печатная плата. Таким образом, данная картинка весьма наглядно показывает, что будет с прибором, если вот так просто попытаться измерить сигналы на не отвязанном от сети источнике.

Если чуть проанализировать результаты выше, то становится понятным, что смертельным для осциллографа оказывается отрицательная полуволна синусоиды в розетке. Отрицательная полуволна создает в точке между диодами D1 и D3 отрицательный потенциал. К точке PGND оказывается приложен нулевой потенциал (GND) через хвост щупа осциллографа, который соединен внутри него с землей розетки. Таким образом, у нас образуется разность потенциалов, причем диод D1 оказывается включенным в прямой полярности, что и приводит к резкому росту тока. Все вышесказанное наглядно проиллюстрировано на рисунке ниже.

А как же УЗО?

Действительно, при подключении земляного хвоста осциллографа к локальной (силовой) земле на стороне сетевого напряжения возникает дисбаланс токов и это должно отрабатываться УЗО. Возможно, оно и спасет цепи осциллографа от полного выгорания, однако, увы, УЗО срабатывает отнюдь не мгновенно, время его реакции составляет десятки миллисекунд. За это время вполне успеет проскочить хотя бы одна полуволна синусоиды сетевого напряжения, которая если не выжжет прибор совсем, скорее всего, все равно повредит чувствительные входные цепи осциллографа. Кроме того, в электрическом щитке УЗО присутствует далеко не всегда. Поэтому, не смотря на то, что УЗО, безусловно, полезный компонент электропроводки, в данном случае неразумно полагаться на защиту прибора с его помощью. Но как же быть, если все-таки необходимо посмотреть какие-то сигналы у прибора, работающего от сети 230 В? На самом деле, есть несколько способов, как это можно сделать относительно безопасно, об этом в следующем разделе

Как посмотреть сигналы на стороне сетевого напряжения и не спалить приборы?

1. Использовать осциллограф с гальванически развязанными каналами

У осциллографа с гальванически развязанными каналами все каналы имеют изоляцию как друг относительно друга, так и относительно земли. Таким образом, при подключении прибора к схеме, у нас не будет образовано контура, через который может произойти короткое замыкание и выгорание схемы. Однако будьте все равно предельно внимательны, даже если у вас осциллограф с развязанными каналами. Внимательно изучите документацию на свой прибор и обратите внимание на конкретные цифры по максимально допустимому напряжению относительно земли. Если вы будете анализировать сигналы на стороне сетевого напряжения, то, скорее всего, вам понадобятся специальные высоковольтные щупы, которые позволяют проводить измерения под большим потенциалом. Использование осциллографа с развязанными каналами имеет один большой недостаток – цена. Такие осциллографы заметно дороже осциллографов с аналогичными характеристиками, земли каналов которых соединены на общем шасси. Кроме того, модельный ряд таких осциллографов довольно-таки скудный, по сравнению с классическими осциллографами, конечно же. В общем, если у вас есть осциллограф с изолированными каналами и вы умеете с ним работать, скорее всего, вы мало что нового узнали из этой статьи.

2. Использовать дифференциальный пробник

Если у вас нет осциллографа с гальванически развязанными каналами, но есть обычный, то можно развязать какой-либо его канал с использованием специального устройства, которое называется дифференциальный пробник. Пример такого устройства приведен на рисунке ниже.

С помощью данного устройства возможно относительно безопасно смотреть сигналы на стороне сетевого напряжения. Существует достаточно большое число видов подобных устройств на разные входные напряжения и частот с разными коэффициентами деления входного напряжения. Как правило это активные устройства, требующие дополнительного питания, например, устройство с рисунка выше требует адаптер 9 В. Цена подобных устройств обычно тоже не очень демократична и составляет десятки, а иногда и сотни тысяч рублей (по курсу на момент написания статьи).

3. Использовать развязывающий трансформатор

Вполне рабочий способ защитить осциллограф и посмотреть при этом сигналы на стороне сетевого напряжения – использование развязывающего трансформатора с коэффициентом трансформации 1:1 (т.е. величина напряжения на выходе трансформатора равна величине напряжения на его входе). Через такой трансформатор необходимо подключить объект исследования (например, все тот же анализируемый нами источник питания). Поясняющий рисунок с результатами моделирования приведен ниже (картинка кликабельна).

Как видим, не смотря на то, что к схеме точно таким же образом подключен заземленный хвост щупа осциллографа, на графиках тока нет никаких запредельных величин. Ток через внутренности осциллографа (через сопротивление R3) равен нулю, а амплитуда тока источника питания и нагрузки составляет несколько миллиампер, как было у нас при не подключенном осциллографе. Это происходит потому, что теперь у нас земля PGND гальванически развязана от сетевого напряжения. Однако это вовсе не значит, что теперь все безопасно для человека: на выходе трансформатора по-прежнему 230 В действующего напряжения, которые могут представлять смертельную опасность.

При использовании развязывающего трансформатора помимо коэффициента трансформации необходимо также обязательно посмотреть на такой параметр, как максимально допустимая мощность. Очевидно, что потребляемая вашей нагрузкой мощность не должна превышать максимально допустимую мощность, на которую рассчитан трансформатор. Таким образом, этот способ вряд ли подойдет для анализа установок на несколько киловатт: габариты и масса требуемого трансформатора будут слишком велики.

4. Использовать лабораторный источник питания

Если ваш объект исследования – импульсный источник питания, то безопасно посмотреть его первичные цепи можно запитав его не от сети 230 В, а через лабораторный источник питания постоянного тока. Внутри такого источника питания всегда стоит трансформатор, таким образом достигается гальваническая развязка, и осциллограф можно безбоязненно подключать к анализируемой схеме. Поскольку на входе импульсного источника питания стоит выпрямитель, то для его работы нет большой разницы, подадите вы на вход синусоиду или же постоянное напряжение. Разумеется, величина этого постоянного напряжения должна соответствовать выпрямленному сетевому напряжению с каким-либо допуском. На прошлой работе в качестве такого источника питания мы использовали источник Б5-50, он изображен на рисунке ниже.

Он выглядит не очень современно, однако умеет выдавать на выходе напряжение до 300 В и неплохо подходит для отладки схем мощностью до пары сотен ватт.

Дополнительный очень жирный плюс использования лабораторного источника питания при отладке – вы можете выставить на источнике питания необходимое ограничение по току. Таким образом, даже если схема неисправна, у вас не будет громкого ба-баха и с большой долей вероятности ничего не сгорит. Такой подход несравнимо лучше всем известного включения схемы через лампочку накаливания. Единственное о чем стоит помнить – мощность лабораторного источника питания должна быть достаточной для организации питания исследуемой схемы.

5. Использовать розетку без заземления

Внимание! Данный способ относится к категории опасных, поэтому я не могу рекомендовать использовать его. Однако все-таки для полноты картины я должен про него рассказать, хотя бы для того, чтобы сообщить о возможных опасностях. Более того, бывает, что зачастую он оказывается единственным возможным способом посмотреть сигнал на стороне сетевого напряжения без привлечения какого-либо специального оборудования типа развязывающего трансформатора или осциллографа с изолированными каналами. Данный способ заключается в том, что осциллограф включается в розетку без клеммы заземления (см. рисунок ниже).

Таким образом разрушается контур протекания тока, однако это приводит к одной большой проблеме. Теперь земля осциллографа оказывается под смертельно опасным потенциалом. Это значит, что опасное для жизни напряжение будет присутствовать на всех BNC-разъемах осциллографа, на земляных хвостах всех подключенных щупов, а также, возможно, и на корпусах всех других приборов, включенных в ту же розетку (в случае, если в розетке все же есть контакты заземления, но к ней не подведен заземляющий провод). И если теперь одной рукой просто задеть коаксиальный разъем на корпусе осциллографа, а другой при этом, условно, схватиться за батарею… в общем, вы понимаете. Совершенно недопустимо использовать этот способ, если у вас осциллограф в металлическом корпусе. Если все-таки используете этот способ, то отключите все лишние щупы, а также другие провода (USB, RS-232 и др.), убедитесь, что в розетку включен только один осциллограф, выполните все подключения, настройте заранее все крутилки на осциллографе, убедитесь, что не заденете случайно BNC разъемы и только потом подавайте сетевое напряжение.

Тем не менее, при соблюдении всех мер предосторожностей, этот способ в целом рабочий. Под спойлером ниже приведена осциллограмма напряжения из розетки, снятая мной еще в студенческие годы как раз с использованием этого самого способа. Поскольку сетевое напряжение имеет размах, превышающий количество клеток на экране осицллографа, измерение происходило через резистивный делитель напряжения 1:5.

Напряжение в розетке

6. Использовать осциллограф с питанием от аккумуляторной батареи

Некоторые осциллографы могут работать от встроенных аккумуляторных батарей. Сетевой шнур при этом не подключается, соответственно, осциллограф оказывается не заземленным. По сути этот способ является полным аналогом предыдущего, только вместо розетки без заземления используется питание осциллографа от встроенной батареи. Этот способ абсолютно точно также опасен, как и предыдущий: на всех разъемах осциллографа будет присутствовать все тот же смертельно опасный потенциал, поэтому все меры безопасности, описанные в предыдущем пункте статьи, в равной степени справедливы и для этого способа.

7. Запитать управляющие микросхемы низким напряжением от лабораторного источника

Иногда бывают ситуации, когда для отладки не обязательно наличие высокого сетевого напряжения. В таком случае лучше просто запитать управляющие цепи с помощью низковольного лабораторного источника питания. Величина требуемого напряжения всегда прописана в документации на конкретные микросхемы (например, в случае исследования ШИМ-контроллера оно обычно не превышает 20 В). Сетевое напряжение 230 В при этом, само собой, не подается, поэтому можно абсолютно безопасно исследовать осциллографом импульсы на выходе контроллера, работу осциллятора, величину опорных напряжений и другие критические сигналы. Конечно, без наличия сетевого напряжения все проверить не получиться, но откровенно мертвый контроллер без проблем можно продиагностировать.

Общие рекомендации по работе с сетевым напряжением

1. При работе с сетевым напряжением всегда соблюдайте технику безопасности

Да, сто раз про это везде уже писали, но, тем не менее, почему-то часто то, как делать не надо, выясняется только на своей шкуре своем опыте. Не стоит лезть в приборы под напряжением во время работы, лучше выполните все подключения до включения питания. Не забывайте про накопительные конденсаторы: на их разряд нужно некоторое время, которое может стремиться к бесконечности (условно, конечно же), если разработчик не поставил разрядных резисторов.

2. Изучите инструкцию на ваш прибор

Конечно, жизнь слишком коротка, чтобы читать инструкции, поэтому их обычно открывают только когда что-то не работает или сломано. Но если вы работаете с сетевым напряжением, все-таки стоит заранее посмотреть, а какие, собственно, предельные цифры у вашего прибора. Небрежность в этом вопросе может стоить очень дорого.

3. Используйте недорогие приборы

Если вы исследуете сетевое напряжение, то отложите в сторону ваш крутой Tectronix DPO 7254 ценою в несколько миллионов и возьмите какой-нибудь Наntек DSO 5102 за пару десятков тысяч рублей. На стороне сетевого напряжения вам не нужны гигасемплы и крутая математика, зато если что-то пойдет не так, ошибка не будет стоить настолько дорого.

4. По возможности всегда работайте с гальванической развязкой от сети

Из-за несоблюдения этого правила в этом мире погорело уже куча электроники. В моей практике был случай, который стоил мне ноутбука и JTAG-отладчика. Я проводил отладку одного устройства и вроде бы ничего не предвещало беды. Устройство имело металлический корпус и на корпусе была установлена неоновая лампочка, которая светилась от сети 230 В. Корпус, естественно, был заземлен. Сама плата с микроконтроллером была запитана от отдельного изолированного источника питания. И в один прекрасный момент эта лампочка пробилась на корпус устройства. В этот момент к плате был подключен JTAG-отладчик, который был воткнут в ноутбук. Ноутбук же в свою очередь был включен в розетку с заземлением. Таким образом, ток пошел по цепочке «неоновая лампочка – корпус – плата – JTAG-отладчик – ноутбук – источник питания ноутбука – заземление». Разумеется, ноутбук и программатор при этом выгорели без возможности восстановления. Этого можно было бы избежать, если бы применялся JTAG-отладчик с гальванической развязкой. Ну и использовать топовый MacBook Pro в качестве рабочей машины при отладке силовой электроники, конечно же, тоже не стоит (см. предыдущий пункт).

Заключение

Описанные в статье вещи могут показаться простыми, очевидными и лежащими на поверхности. Тем не менее, к сожалению, мне лично не раз доводилось наблюдать сгоревшие по обозначенной причине осциллографы, причем не у зеленых джунов, а у разработчиков, которые не первый год в индустрии. Если эта статья позволит уберечь от этого хотя бы один осциллограф, то я уже буду считать, что написал ее не зря.

• источники питания
• осциллограф
• гальваническая развязка
• сеть 230 В

• Схемотехника
• Производство и разработка электроники
• DIY или Сделай сам
• Электроника для начинающих
• Инженерные системы

Делитель напряжения для осциллографа своими руками

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,

Читайте также: Что делать, если выбивает общий автомат при включении духовки?

— 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.

Читайте также: Воздушные линии электропередачи ЛЭП: конструкция, разновидности, параметры

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.

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.

Конструкция и детали.

В качестве корпуса для щупа подойдёт оболочка от фломастера или маркера. Экранированный провод тоже сгодится любой, хотя лучше выбрать более эластичный.

На чертеже изображён щуп в разрезе. https://oldoctober.com/

Читайте также: Классификация электрогенераторов: какую модель выбрать

1. Остриё – цыганская игла.
2. Защитная трубка – кембрик.
3. Втулка – сталь или латунь.
4. Стопорный винт – М3, сталь.
5. Корпус – оболочка маркера.
6. Кабель – провод экранированный.
7. Отверстие в корпусе – Ø3мм.
8. Втулка – М3, латунь.
9. Общий провод.
10. Скоба – узел крепления общего провода, латунь.
11. Шайба – М3, сталь.
12. Зажим – латунь.
13. Стопорный винт – М3, сталь.
14. Отверстие в заглушке – Ø3мм.
15. Заглушка – оболочка маркера.
16. Защитная трубка – кембрик.

Втулка поз.3 вклеена в отверстие оболочки маркера. Диаметр отверстие во втулке поз.3 чуть больше диаметра иглы.

Стопорный винт поз.4 фиксирует иглу во втулке поз.3.

Экранирующая оплётка кабеля припаяна к втулке поз.12, а центральный провод к игле поз.1.

Стопорный винт поз.13 фиксирует кабель во втулке поз.12.

Втулка поз.8 вкручивается в зажим поз.12, предварительно пройдя через отверстия поз.7, поз.14 и отверстие в шайбе поз.11. Таким образом, втулка поз.8 обеспечивает соединение всех элементов конструкции.

На этой картинке можно увидеть, как выглядят внутренности щупа в реальности.

Вот, что получилось.

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.

Реализация

Для того чтобы соорудить осциллограф, необходимо собрать приставку, в которую должны быть включены 8 полупроводниковых диодов, 3 резистора и один аттенюатор, штекер для подключения к звуковой карте (LINE-IN), все как показано на схеме осциллографа своими руками.

Плата собрана именно по такому принципу, чтобы защитить звуковую карту от скачков напряжения, которые могут поступить на ее вход вместе с исследуемым цифровым сигналом.

Диоды не пропускают сигналы с амплитудой более 2В, а комбинация последовательно соединенных резисторов, образующих делитель, разрешает высокое входное напряжение.

Цифровой сигнал, подлежащий диагностике, поступает на входные клеммы приставки.

Собранная схема имеет линейный вход к звуковой карте через специальный штекер. Здесь важна длина соединительного провода.

Читайте также: Схемы сетевого фильтра 220 вольт для потребителей двухпроводной и трехпроводной сети

Чем провод короче, тем меньше ошибок возникает при измерении сигнала, так как на низких измеряемых уровнях высока вероятность появления высокой погрешности искажений.

Лучше всего использовать двухжильный провод. На фото осциллографа, сделанного своими руками хорошо видно, что используется электрический провод в медной оплетке.

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.

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 2021 г.

Обсудить статью САМОДЕЛЬНЫЙ ЩУП ДЛЯ ОСЦИЛЛОГРАФА

1. Схема и печатная плата
2. Рекомендации по монтажу и калибровке
3. 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

Двухканальный дифференциальный пробник для осциллографа

При отладке и ремонте электронного оборудования иногда возникает потребность увидеть форму сигнала U(t) между двумя узлами схемы, ни один из которых не подключен к общему проводу. Это требуется при анализе кодовых последовательностей интерфейсов RS-485 и CAN, контроле сигналов на балансных входах и выходах звукоусилительной аппаратуры, оценке работы верхнего плеча силовых мостовых инверторов и т.п. Использовать в таких случаях обычный осциллограф затруднительно, т.к. один из выводов его входа должен быть подключен к общему проводу отлаживаемого устройства.

Решить описанную проблему позволяет дифференциальный пробник (ДП), представляющий собой инструментальный усилитель, выход которого подключается к входу осциллографа, а дифференциальные входы могут быть подключены к любым точкам отлаживаемого устройства. Работать с осциллографом, к входу которого подключен ДП, так же просто и удобно, как измерять напряжение вольтметром.

Особенно полезен ДП при работе с устройствами, имеющими непосредственную связь с электрической сетью 220/380 В. Корпус осциллографа по правилам электробезопасности должен быть заземлён. Это создаёт предпосылки для коротких замыканий, если по ошибке подключить к участку схемы, находящемуся под фазным напряжением, щуп осциллографа, связанный с его корпусом. Использование ДП полностью устраняет указанную опасность.

Большинство современных осциллографов – двухканальные. Использование двухканального ДП, подключенного к входам обеих каналов осциллографа, позволяет измерять временные соотношения и сдвиг фазы между двумя сигналами, не заботясь о задержке, вносимой ДП.

Многие фирмы, изготавливающие осциллографы, предлагают ДП в качестве опции, приобретаемой за дополнительную плату. Параметры этих ДП весьма высоки, но и цены зачастую превышают стоимость бюджетного ЦЗО.

Предлагается самодельный двухканальный ДП, отличающийся от «фирменных» более узкой полосой пропускания, составляющей 0 – 800 кГц. Стоимость комплектующих для двухканального варианта ДП не превышает 1000 руб, для одноканального – 700 руб, что примерно в 10 раз дешевле самых доступных ДП, имеющихся на рынке.

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).

Читайте также: Автоматический ввод резерва (АВР): назначение и классификация

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.

Программное обеспечение

Аппаратная часть готова, теперь необходимо подготовить программную среду, чтобы увидеть результаты измерений на экране компьютера. К счастью, сегодня существует множество программ, работающих с осциллографами.

Современные утилиты оснащены всеми необходимыми функциями для исследования и анализа сигналов, с которыми работает осциллограф.

Как сделать цифровой осциллограф из компьютера своими руками?

Как сделать цифровой осциллограф из компьютера своими руками?

Начинающим радиолюбителям посвящается!

О том, как собрать самый простой адаптер для программного виртуального осциллографа, пригодный для использования в ремонте и настройке аудиоаппаратуры. https://oldoctober.com/

В статье рассказывается также о том, как можно измерить входной и выходной импеданс и как рассчитать аттенюатор для виртуального осциллографа.

Самые интересные ролики на Youtube

Близкие темы.

1. О виртуальных осциллоскопах.
2. Технические данные и область применения.
3. Электрическая схема аппаратной части осциллографа.
4. Защита от «дурака».
5. Как измерить выходное сопротивление линейного выхода?
6. Как измерить входное сопротивление линейного входа?
7. Как рассчитать делитель напряжения (аттенюатор)?
8. Как подобрать или подогнать резисторы делителя напряжения?
9. Конструкция и детали.
10. Как откалибровать виртуальный осциллограф?
11. Как выровнять амплитудно-частотную характеристику адаптера?
12. Что делать, если нет тестера? Или опасные опыты.
13. Дополнительные материалы.

О виртуальных осциллоскопах.

Когда-то у меня была идея фикс: продать аналоговый осциллограф и купить ему на замену цифровой USB осциллоскоп. Но, прошвырнувшись по рынку, обнаружил, что самые бюджетные осциллографы «начинаются» от 250 долларов, да и отзывы о них не очень хорошие. Более же серьёзные приборы стоят в несколько раз дороже.

Так что, решил я ограничиться аналоговым осциллографом, а для построения какой-нибудь эпюры для сайта, использовать виртуальный осциллограф.

Скачал из сети несколько программных осциллографов и попытался что-нибудь померить, но ничего путного из этого не вышло, так как, либо не удавалось откалибровать прибор, либо интерфейс не годился для скриншотов.

Было, уже забросил это дело, но когда подыскивал себе программу для снятия АЧХ, наткнулся на комплект программ «AudioTester». Анализатор из этого комплекта мне не понравился, а вот осциллограф «Osсi» (далее буду его называть «AudioTester») оказался в самый раз.

Этот прибор имеет интерфейс схожий с обычным аналоговым осциллографом, а на экране есть стандартная сетка, которая позволяет измерять амплитуду и длительность. https://oldoctober.com/

Из недостатков можно назвать некоторую нестабильность работы. Программа иногда подвисает и для того, чтобы её сбросить приходится прибегать к помощи Task Manager-а. Но, всё это компенсируется привычным интерфейсом, удобством использования и некоторыми очень полезными функциями, которые я не встречал ни в одной другой программе подобного типа.

Внимание! В комплекте программ «AudioTester» есть генератор низкой частоты. Я не рекомендую его использовать, так как он пытается самостоятельно управлять драйвером аудиокарты, что может привести к необратимому отключению звука. Если Вы решите его использовать позаботьтесь о точке восстановления или о бэкапе ОС. Но, лучше скачайте нормальный генератор из «Дополнительных материалов».

Другую интересную программу виртуального осциллографа «Авангард» написал наш соотечественник Записных О.Л.

У этой программы нет привычной измерительной сетки, да и экран слишком большой для снятия скриншотов, но зато есть встроенный вольтметр амплитудных значений и частотомер, что частично компенсирует указанный выше недостаток.

Частично потому, что на малых уровнях сигнала и вольтметр и частотомер начинают сильно привирать.

Однако для начинающего радиолюбителя, который не привык воспринимать эпюры в Вольтах и миллисекундах на деление, этот осциллограф может вполне сгодиться. Другое полезное свойство осциллографа «Авангард» – возможность независимой калибровки двух имеющихся шкал встроенного вольтметра.

Так что, я расскажу о том, как построить измерительный осциллограф на базе программ «AudioTester» и «Авангард». Конечно, кроме этих программ понадобится и любая встроенная или отдельная, самая бюджетная аудиокарта.

Собственно, все работы сводятся к тому, чтобы изготовить делитель напряжения (аттенюатор), который позволил бы охватить широкий диапазон измеряемых напряжений. Другая функция предлагаемого адаптера – защита входа аудиокарты от повреждения при попадании на вход высокого напряжения.

Технические данные и область применения.

Так как во входных цепях аудиокарты есть разделительный конденсатор, то и осциллограф может использоваться только с «закрытым входом». То есть, на его экране можно будет наблюдать только переменную составляющую сигнала. Однако, при некоторой сноровке, с помощью осциллографа «AudioTester» можно измерить и уровень постоянной составляющей. Это может пригодиться, например, когда время отсчёта мультиметра не позволяет зафиксировать амплитудное значение напряжения на конденсаторе, заряжающемся через большой резистор.

Нижний предел измеряемого напряжения ограничен уровнем шума и уровнем фона и составляет примерно 1мВ. Верхний предел ограничивается только параметрами делителя и может достигать сотен вольт.

Частотный диапазон ограничен возможностями аудиокарты и для бюджетных аудиокарт составляет: 0,1Гц… 20кГц (для синусоидального сигнала).

Конечно, речь идёт о довольно примитивном приборе, но в отсутствие более продвинутого девайса, вполне может сгодиться и этот.

Прибор может помочь в ремонте аудиоаппаратуры или использоваться в учебных целях, особенно если его дополнить виртуальным генератором НЧ. Кроме этого, с помощью виртуального осциллографа легко сохранить эпюру для иллюстрации какого-либо материала, или для размещения в Интернете.

Электрическая схема аппаратной части осциллографа.

На чертеже изображена аппаратная часть осциллографа – «Адаптер».

Для постройки двухканального осциллографа придётся продублировать эту схему. Второй канал может пригодиться для сравнения двух сигналов или для подключения внешней синхронизации. Последнее предусмотрено в «AudioTester-е».

Резисторы R1, R2, R3 и Rвх. – делитель напряжения (аттенюатор).

Номиналы резисторов R2 и R3 зависят от применяемого виртуального осциллографа, а точнее от используемых им шкал. Но, так как у «AudioTester-а» цена деления кратна 1, 2 и 5-ти, а у «Авангард-а» встроенный вольтметр имеет всего две шкалы, связанных между собой коэффициентом 1:20, то использование адаптера, собранного по приведённой схеме не должно доставлять неудобств в обоих случаях.

Входное сопротивление аттенюатора около 1-го мегома. По-хорошему, это значение должно бы быть постоянным, но конструкция делителя при этом бы серьёзно усложнилась.

Конденсаторы C1, C2 и C3 выравнивают амплитудно-частотную характеристику адаптера.

Стабилитроны VD1 и VD2 вместе с резисторами R1 защищают линейный вход аудиокарты от повреждения в случае случайного попадания высокого напряжения на вход адаптера, когда переключатель находится в положении 1:1.

Согласен с тем, что представленная схема не отличается изящностью. Однако это схемное решение позволяет самым простым способом достичь широкого диапазона измеряемых напряжений при использовании всего нескольких радиодеталей. Аттенюатор же, построенный по классической схеме, потребовал бы применения высокомегаомных резисторов, и его входное сопротивление менялось бы слишком значительно при переключении диапазонов, что ограничило бы применение стандартных осциллографических кабелей, рассчитанных на входной импеданс 1МОм.

Защита от «дурака».

Чтобы обезопасить линейный вход аудиокарты от случайного попадания высокого напряжения, параллельно входу установлены стабилитроны VD1 и VD2.

Резистор R1 ограничивает ток стабилитронов до 1мА, при напряжении 1000 Вольт на входе 1:1.

Если Вы, действительно, собираетесь использовать осциллограф для измерения напряжения до 1000 Вольт, то в качестве резистора R1 можно установить МЛТ-2 (двухваттный) или два МЛТ-1 (одноваттных) резистора последовательно, так как резисторы различаются не только по мощности, но и по максимально-допустимому напряжению.

Конденсатор С1 также должен иметь максимальное допустимое напряжение 1000 Вольт.

Небольшое пояснение вышесказанного. Иногда требуется взглянуть на переменную составляющую сравнительно небольшой амплитуды, которая, тем не менее, имеет большую постоянную составляющую. В таких случаях нужно иметь в виду, что на экране осциллографа с закрытым входом можно увидеть только переменную составляющую напряжения.

На картинке видно, что при постоянной составляющей 1000 Вольт и размахе переменной составляющей 500 Вольт, максимальное напряжение, приложенное к входу, будет 1500 Вольт. Хотя, на экране осциллографа мы увидим только синусоиду амплитудой 500 Вольт.

Как измерить выходное сопротивление линейного выхода?

Этот параграф можно пропустить. Он рассчитан на любителей мелких подробностей.

Выходное сопротивление (выходной импеданс) линейного выхода, рассчитанного на подключение телефонов (наушников), слишком мало, чтобы оказать существенное влияние на точность измерений, которые нам предстоит выполнить в следующем параграфе.

Так для чего измерять выходной импеданс?

Так как мы будем использовать для калибровки осциллографа виртуальный низкочастотный сигнал-генератор, то его выходной импеданс будет равен выходному импедансу линейного выхода (Line Out) звуковой карты.

Убедившись в том, что выходной импеданс мал, мы можем предотвратить грубые ошибки при измерении входного импеданса. Хотя, даже при самом плохом стечении обстоятельств эта ошибка вряд ли превысит 3… 5%. Откровенно говоря, это даже меньше возможной ошибки измерений. Но, известно, что ошибки имеют привычку «набегать».

При использовании генератора для ремонта и настройки аудиотехники тоже желательно знать его внутренне сопротивление. Это может пригодиться, например, при измерении ESR (Equivalent Series Resistance) эквивалентного последовательного сопротивления или попросту реактивного сопротивления конденсаторов.

Мне, благодаря этому измерению, удалось выявить самый низкоомный выход в моей аудиокарте.

Если у аудиокарты всего одно выходное гнездо, то тогда всё ясно. Оно одновременно является и линейным выходом и выходом на телефоны (наушники). Его импеданс, как правило, мал, и его можно не измерять. Именно такие аудио-выходы используются в ноутбуках.

Когда же гнёзд целых шесть и есть ещё парочка на передней панели системного блока, а каждому гнезду можно назначить определённую функцию, то выходное сопротивление гнёзд может существенно отличаться.

Обычно, самый низкий импеданс соответствует гнезду салатового цвета, которое по-умолчанию и является линейным выходом.

Пример замера импеданса нескольких разных выходов аудиокарты установленных в режим «Телефоны» и «Линейный выход».

Как видно из формулы, абсолютные значения измеренного напряжения роли не играют, потому эти замеры можно делать задолго до калибровки осциллографа.

Rx = 30(7 – 6) / 6 = 5 (Ом).

Как измерить входное сопротивление линейного входа?

Чтобы рассчитать аттенюатор для линейного входа аудиокарты, нужно знать входное сопротивление линейного входа. К сожалению, измерить входное сопротивление при помощи обычного мультиметра нельзя. Это связано с тем, что во входных цепях аудиокарт имеются разделительные конденсаторы.

Входные же сопротивления разных аудиокарт могут очень сильно отличаться. Так что, этот замер сделать всё-таки придётся.

Для измерения входного импеданса аудокарты по переменному току, нужно подать на вход через балластный (добавочный) резистор синусоидальный сигнал частотой 50 Гц и рассчитать сопротивление по приведённой формуле.

Синусоидальный сигнал можно сформировать в программном генераторе НЧ, ссылка на который есть в «Дополнительных материалах». Замер амплитудных значений также можно произвести программным осциллографом.

На картинке изображена схема подключений.

Напряжения U1 и U2 нужно измерить виртуальным осциллографом в соответствующих положениях выключателя SA. Абсолютные значения напряжения знать не нужно, поэтому расчёты валидны до калибровки прибора.

Rx = 50 * 100 / (540 – 100) ≈ 11,4 (кОм).

Цвет / Расположение	Импеданс (кОм)
Красный / Тыл	82
Чёрный / Тыл	75
Салатовый / Фронт	11,4
Розовый / Фронт	50
Ноутбук	8,5

Вот результаты замеров импеданса разных линейных входов.

Как видите, входные сопротивления отличаются в разы, а в одном случае почти на порядок.

Как рассчитать делитель напряжения (аттенюатор)?

Максимальная неограниченная амплитуда входного напряжения аудиокарты, при максимальном уровне записи, около 250мВ. Делитель же напряжения, или как его ещё называют, аттенюатор позволяет расширить диапазон измеряемых напряжений осциллографа.

Аттенюатор можно построить по разным схемам, в зависимости от коэффициента деления и необходимого входного сопротивления.

Вот один из вариантов делителя, позволяющих сделать входное сопротивление кратным десяти. Благодаря добавочному резистору Rдоб. можно подогнать сопротивление нижнего плеча делителя до какой-нибудь круглой величины, например, 100 кОм. Недостаток этой схемы в том, что чувствительность осциллографа будет слишком сильно зависеть от входного сопротивления аудиокарты.

Так, если входной импеданс равен 10 кОм, то коэффициент деления делителя увеличится в десять раз. Уменьшать же резистор верхнего плеча делителя не желательно, так как он определяет входное сопротивление прибора, да и является основным звеном защиты прибора от высокого напряжения.

Так что, я предлагаю Вам самостоятельно рассчитать делитель, исходя из входного импеданса Вашей аудиокарты.

На картинке нет ошибки, делитель начинает делить входное напряжение уже при выборе масштаба 1:1. Расчеты же, конечно нужно делать, опираясь на реальное соотношение плеч делителя.

На мой взгляд, это самая простая и вместе с тем самая универсальная схема делителя.

По представленным формулам можно рассчитать аттенюатор для адаптера, если Вы согласитесь с предложенной схемой.

Пример расчёта делителя.

R1 – 1007 кОм (результат замера резистора на 1 мОм).

Rвх. – 50 кОм (я выбрал более высокоомный вход из двух имеющихся на передней панели системного блока).

Расчёт делителя в положении переключателя 1:20.

Сначала рассчитаем по формуле (1) коэффициент деления делителя, определяемый резисторами R1 и Rвх.

(1007 + 50)/ 50 = 21,14 (раз)

Значит, общий коэффициент деления в положении переключателя 1:20 должен быть:

21,14*20 = 422,8 (раз)

Рассчитываем номинал резистора для делителя.

1007*50 /(50*422,8 –50 –1007) ≈ 2,507 (кОм)

Расчёт делителя в положении переключателя 1:100.

Определяем общий коэффициент деления в положении переключателя 1:100.

21,14*100 = 2114 (раз)

Рассчитываем величину резистора для делителя.

1007*50 / (50*2114 –50 –1007) ≈ 0,481 (кОм)

Если вы собираетесь использовать только осциллограф «Авангард» и только в диапазонах 1:1 и 1:20, то точность подбора резистора может быть низка, так как «Авангард» можно откалибровать независимо в каждом из двух имеющихся диапазонов. Во всех остальных случаях придётся подобрать резисторы с максимальной точностью. Как это сделать написано в следующем параграфе.

Если Вы сомневаетесь в точности своего тестера, то можно подогнать любой резистор с максимальной точностью методом сравнения показаний омметра.

Для этого, вместо постоянного резистора R2 временно устанавливается подстроечный резистор R*. Сопротивление подстроечного резистора подбирается так, чтобы получить минимальную ошибку в соответствующем диапазоне деления.

Затем сопротивление подстроечного резистора измеряется, а постоянный резистор уже подгоняется под измеренное омметром сопротивление. Так как оба резистора измеряются одним и тем же прибором, то погрешность омметра не влияет на точность замера.

А это парочка формул для расчёта классического делителя. Классический делитель может пригодиться, когда требуется высокое входное сопротивление прибора (мОм/В), а применять дополнительную делительную головку не хочется.

Как подобрать или подогнать резисторы делителя напряжения?

Так как радиолюбители часто испытывают трудности при поиске прецизионных резисторов, я расскажу о том, как можно с высокой точностью подогнать обычные резисторы широкого применения.

Высокоточные резисторы всего в несколько раз дороже обычных, но на нашем радиорынке их продают по 100 штук, что делает их покупку не очень целесообразной.

Использование подстроечных резисторов.

Как видите, каждое плечо делителя состоит из двух резисторов – постоянного и подстроечного.

Недостаток – громоздкость. Точность ограничена только доступной точностью измерительного прибора.

Подбор резисторов.

Другой способ – подбор пар резисторов. Точность обеспечивается за счёт подбора пар резисторов из двух комплектов резисторов с большим разбросом. Сначала все резисторы промеряются, а затем подбираются пары, сумма сопротивлений которых наиболее соответствует схеме.

Именно этим способом, в промышленных масштабах, подгонялись резисторы делителя для легендарного тестера «ТЛ-4».

Недостаток метода – трудоёмкость и потребность в большом количестве резисторов.

Чем длиннее список резисторов, тем выше точность подбора.

Подгонка резисторов при помощи наждачной бумаги.

Подгонкой резисторов, путём удаления части резистивной плёнки, не брезгует даже промышленность.

Однако при подгонке высокоомных резисторов не допускается прорезать резистивную плёнку насквозь. У высокоомных плёночных резисторов МЛТ, плёнка нанесена на цилиндрическую поверхность в виде спирали. Подпиливать такие резисторы нужно крайне осторожно, чтобы не разорвать цепь.

Точную подгонку резисторов в любительских условиях можно осуществить при помощи самой мелкой наждачной бумаги – «нулёвки».

Сначала с резистора МЛТ, у которого заведомо меньшее сопротивление, при помощи скальпеля аккуратно удаляется защитный слой краски.

Затем резистор подпаивается к «концам», которые подключаются к мультиметру. Осторожными движениями шкурки-«нулёвки» сопротивление резистора доводится до нормы. Когда резистор подогнан, место пропила покрывается слоем защитного лака или клея.

Что такое шкурка-«нулёвка» написано здесь.

На мой взгляд, это самый быстрый и простой способ, который, тем не менее, даёт очень хорошие результаты.

Конструкция и детали.

Элементы схемы адаптера размещены в прямоугольном дюралюминиевом корпусе.

Переключение коэффициента деления аттенюатора осуществляется тумблером со средним положением.

В качестве входного гнезда применён стандартный разъём СР-50, что позволяет использовать стандартные кабели и щупы. Вместо него можно применить обычное аудио гнездо типа Джек (Jack) 3,5мм.

Выходной разъём – стандартное аудио гнездо 3,5мм. Адаптер соединяется с линейным входом аудиокарты при помощи кабеля с двумя Джеками 3,5мм на концах.

Сборка произведена методом навесного монтажа.

Для использования осциллографа понадобится ещё кабель со щупом на конце.

Как откалибровать виртуальный осциллограф?

Чтобы произвести калибровку осциллографа, нужно иметь хоть какой-нибудь измерительный прибор. Подойдёт любой стрелочный тестер или цифровой мультиметр, которому Вы доверяете.

В связи с тем, что у некоторых тестеров слишком высокая погрешность при измерении переменного напряжения до 1-го Вольта, калибровку производим при максимально возможном, но неограниченном по амплитуде, напряжении.

Перед калибровкой производим следующие настройки.

Отключаем эквалайзер аудиокарты.

«Уровень линейного выхода», «Уровень WAVE», «Уровень линейного входа» и «Уровень записи» устанавливаем в положение максимального усиления. Это обеспечит повторяемость результата при дальнейших измерениях.

Сбросив на всякий случай настройки генератора командой Command > Get Generator Default Setting, устанавливаем «Gain» (уровень) в 0db.

Выбираем частоту генератора 50Hz переключателем «Frequency Presets» (предустановки), так как все любительские приборы для измерения переменного напряжения умеют работать на этой частоте, да и наш адаптер пока не может корректно работать на более высоких частотах.

Переключаем вход адаптера в режим 1:1.

Глядя на экран осциллографа, подбираем при помощи ручки генератора «Плавно» (Trim) максимальный неограниченный уровень сигнала.

Сигнал может ограничиваться, как на входе аудиокарты, так и на её выходе, при этом точность калибровки может существенно снизиться. В «AudioTester-е» даже имеется специальный индикатор перегрузки, который выделен на скриншоте красным цветом.

Замеряем тестером напряжение на выходе генератора и рассчитываем величину соответствующего ему амплитудного значения.

Показание вольтметра = 1,43 Вольта (действующее).

Получаем амплитудное значение.

1,432*√2 = 2,025 (Вольт)

Команда «Options > Calibrate» вызывает окно калибровки «AudioTester-а».

И хотя возле окошка ввода указана размерность в «mVrms», что по идее должно означать среднеквадратичное значение, в реальности, в осциллографе «oszi v2.0c» из комплекта «AudioTester-а», вводимые значения соответствуют… непонятно чему. Что, правда, вовсе не мешает точно откалибровать прибор.

Путём ввода значений с небольшим шагом можно точно подогнать размер изображения синусоиды под вычисленное выше амплитудное значение.

На картинке видно, что амплитуда сигнала уложилась чуть больше, чем в два деления, что соответствует 2,02 Вольта.

Точность отображения амплитуды сигналов, полученных с входов 1:20 и 1:100 будет зависеть от точности подбора соответствующих резисторов делителя.

При калибровке осциллографа «Авангард», полученные при измерении тестером значения также нужно умножить на √2, так как и вольтметр, и калибратор «Авангард-а» рассчитан на амплитудные значения.

Вносим полученное значение в окошко калибровки в милливольтах – 2025 и нажимаем Enter.

Чтобы откалибровать второй диапазон осциллографа «Авангард», который отмечен, как «250», нужно сначала рассчитать реальный коэффициент деления, сравнив показания встроенного вольтметра в двух диапазонах делителя: 1:1 и 1:20. Вольтметр осциллографа, при этом должен находиться в положении «12,5»

122 / 2323 = 19,3

Затем нужно подправить файл «calibr», который можно открыть в блокноте (Notepad-е). Слева файл до правки, а справа – после.

Файл «calibr» находится в той же самой директории, где расположена текущая копия программы.

В восьмую строчку вносим реальный коэффициент деления, соответствующий делителю первого (левого) канала.

Если вы построили двухканальный адаптер, то в девятую строчку вносим поправку для второго (правого) канала.

Как выровнять амплитудно-частотную характеристику адаптера?

Линейный вход аудиокарты, да и сами цепи адаптера обладают некоторой входной ёмкостью. Реактивное сопротивление этой ёмкости изменяет коэффициент деления делителя на высоких частотах.

Чтобы выровнять частотную характеристику адаптера в диапазоне 1:1, нужно подобрать ёмкость конденсатора C1 так, чтобы амплитуда сигнала на частоте 50 Гц была равна амплитуде сигнала частотой 18-20 кГц.

Резисторы R2 и R3 снижают влияние входной ёмкости и создают подъём частотной характеристики в области высоких частот. Компенсировать этот подъём можно путём подбора конденсаторов С2 и С3 в соответствующих диапазонах 1:20 и 1:100.

У подобрал следующие ёмкости: C1 – 39pF, C2 – 10nF, C3 – 0,1nF.

Теперь, когда канал Y верикального отклонения осциллографа откалиброван и линеаризован, можно увидеть, как выглядят те или иные периодические, и не только, сигналы. В «AudioTester-e» есть «ждущая синхронизация развёртки».

Что делать, если нет тестера? Или опасные опыты.

Можно ли использовать для калибровки осветительную сеть?

Так как любой уважающий себя радиолюбитель, несмотря на все предупреждения, первым делом пытается залезть своим детищем в розетку, я счёл необходимым рассказать об этом опасном занятии подробнее.

По ГОСТу напряжение сети не должно выходить за пределы 220 Вольт – 10% +5%, хотя, в реальной жизни, это условие соблюдается не так часто, как хотелось бы. Ошибки измерений в процессе подгонке резисторов и замерах импеданса также могут привнести высокие погрешности при данном способе калибровки.

Если Вы собрали прецизионный делитель, например, на высокоточных резисторах, и если известно, что в вашем доме напряжение в осветительной сети поддерживается с достаточной точностью, то её можно использовать для грубой калибровки осциллографа.

Но, есть очень много НО, из-за которых, я Вам категорически не рекомендую это делать. Первое и наиболее важное «НО», это сам факт того, что Вы читаете эту статью. Тот, кто на ты с электричеством, вряд ли стал бы тратить на это время. Но, если и это не аргумент…

Самое главное!

1. Компьютер должен быть надёжно заземлён.

2. Ни под каким предлогом не суйте в розетку «земляной» провод! Это тот провод, который соединён через корпус разъёма линейного входа с корпусом системного блока. (Другие названия этого провода: масса, корпус, общий, экран и т.д.) Тогда, вне зависимости от того, попадёте Вы в фазу или в ноль, не произойдёт короткое замыкание.

Другими словами, в розетку можно втыкать только провод, который соединён с резистором R1 номиналом 1 мегом, расположенном в схеме адаптера.

Если же Вы попытаетесь воткнуть в сеть провод, соединенный с корпусом, то в 50% случаев это приведёт к самым печальным последствиям.

Так как максимальная неограниченная амплитуда на линейном входе около 250мВ, то в положении делителя 1:100 можно будет увидеть амплитуду величиной примерно в 50… 250 Вольт (в зависимости от входного импеданса). Поэтому, для измерения напряжения сети, адаптер должен быть оборудован делителем 1: 1000.

Делитель 1:1000 можно рассчитать по аналогии с делителем 1:100.

Пример расчёта делителя 1:1000.

Верхнее плечо делителя = 1007кОм.

Входной импеданс = 50кОм.

Коэффициента деления по входу 1:1 = 20,14.

Определяем общий коэффициент деления для входа 1:1000.

21,14*1000 = 21140 (раз)

Рассчитываем величину резистора для делителя.

1007*50 / 50*21140 –50 –1007 ≈ 47,7 (Ом)

Так как входное сопротивление адаптера при делении 1:100 близко к 1мОм, я поступил проще и воспользовался осциллографической делительной головкой 1:10, которая как раз рассчитана на входной импеданс 1мОм. Обратите внимание, что отклонение входного сопротивления этого профессионального делителя – 10%, что даже выше, чем у нашего игрушечного.

При использовании входа 1:100 и головки 1:10, общий коэффициент деления составляет 1:1000.

Когда Вы увидите на экране осциллографа «AudioTester» напряжение сети, подгоните амплитуду под 311 милливольт путём подбора числа вводимого в форму.

220В (действующее) * √2 = 311В (амплитудное)

Но, ведь мы используем делитель 1:1000.

311В : 1000 = 311мВ

При калибровке осциллографа «Авангард», выберете шкалу вольтметра «12,5». Когда увидите напряжение сети на экране, введите в окошко калибровки значение 311. При этом вольтметр «Авангард-а» должен начать показывать напряжение 311мВ или близкое к нему.

Небольшая ремарка. Дело в том, что форма напряжения в современных электросетях отличается от синусоидальной. Это связано с тем, что в большинстве современных электроприборов используются импульсные блоки питания. Последние «подрезают» верхушки синусоиды и фактически снижают амплитудное значение напряжения. Так что, по-хорошему, нужно ориентироваться не на видимую кривую, а на её «синусоидальное продолжение».

Дополнительные материалы.

15 Апрель, 2011 (20:45) в Измерения, Сделай сам

На этом сайте Вы можете встретить только проверенные адреса Интернета. Я лично проверяю каждую ссылку, прежде чем публикую её. Если Вы решили покинуть сайт, то имейте в виду, что этого спонсора сюда никто не звал, он сам навязался. 🙂

Нашли ошибку в тексте? Выделите ошибочный текст мышкой и нажмите Ctrl + Enter
Спасибо за помощь!

Комментарии (53)

Страниц: « 1 2 3 4 5 [6] Показать все

admin Сентябрь 8th, 2011 at 15:34

Володя

Вам ехать или шашечки? Есть вопросы, задавайте, а не наводите тень на плетень. Ткните носом в вопрос, на который я не ответил или не попытался ответить. Я мог его просто не заметить или неправильно истолковать.

Что касается моих трудностей, то все они сводятся к одной – полному отсутствию телепатических способностей. Я плохо понимаю суть вопросов, которые задают, посмотрев картинки. Вот Ваши вопросы вроде в подвале некой статьи, а создаётся впечатление, что статью Вы не читали, когда спросили о формулах для расчёта делителя. А я ведь стараюсь писать как можно подробнее, чтобы не возникало вопросов. Вы в сети мало найдёте таких подробных статей, если найдёте вообще.

Валерий Октябрь 5th, 2011 at 17:43

Очень хорошая и подробная статья. Большое спасибо за труд. Сегодня закачал софт, завтра ВПЕРЁД!- НА ИСПЫТАНИЯ.

admin Октябрь 26th, 2011 at 12:05

Лимит сообщений исчерпан. Просьба перейти в соответствующий топик форума для продолжения обсуждения и получения ответов на вопросы.

Страниц: « 1 2 3 4 5 [6] Показать все

Рубрики

Популярные статьи

Мощный паяльный фен своими руками Паяльник для пайки SMD компонентов из доступных деталей Цифровой осциллограф из компьютера Импульсный блок питания из сгоревшей лампочки Как рассчитать и намотать импульсный трансформатор? Стабильный регулятор мощности Как рассчитать и намотать силовой трансформатор? Простой микрофонный усилитель ЛУТ минус утюг Как разобрать разъёмы БП? Сварочный аппарат своими руками

Свежие комментарии

• admin к записи Как отремонтировать динамик самому? FAQ Часть3