DPScope - Bygg din egen USB/PC-baserade oscilloskop (5 / 38 steg)

Steg 5: Input scenen / Analog Frontend (del 1)

Den microncontroller analog till digital omvandlare (ADC) har en fast indataområdet för 0 till 5V. Signaler mindre än utbud kommer att ha minskat upplösning, som större signaler kommer att få klippt. Eftersom insignalen som omfattas är tänkt för att mäta kan spänna över ett brett spektrum från ganska små till ganska stora, behöver vi ett input stadium som kan dämpa och/eller förstärka den inkommande signalen till gör den lämplig för att ADC. Den krets som visas här är för kanal 1, men kanal 2 ser identisk.

För det första är den inkommande signalen försvagad genom en faktor 4. Detta ökar det maximala spänningsområdet till 20V. Eftersom de efterföljande kretsarna inte kan hantera negativa spänning (för att hålla banan enkel, räckvidd har en enda + 5V och ingen negativ leverans), är det enda sättet att mäta negativa signaler att växla upp dem med en programmerbar offset spänning (mellan 0 och 4 V) som tillhandahålls av en digital-till-analog-omvandlare (visas senare). Detta sätt räckvidd kan visa spänningar mellan - 12V och + 20V max med en 1:1 sond (-120V till + 200V med en 1:10 probe - men var mycket försiktig när arbetar med så höga spänningar!).

Offset matas i på botten av spänningsavdelare (mellan C12 - som buffertar snabba transienter- och R2).

Ingående delaren förtjänar viss ytterligare hänsyn. Det är en så kallad kompenserade dämparen och består av en kombination av en fast ohmsk avdelare (R1 och R2) och en justerbar kapacitiv divider (C19 och C6). Anledningen till att lägga till kapacitiv delaren är att skydd dioderna (D1 och D2) samt tillförsel av op-amp (OP1.1) har vissa oundvikliga parasitiska kapacitans i storleksordningen några pF. Med endast R1 och R2 skulle detta skapa en R-C lågpassfilter (delaren utfodring den parasitiska kapacitans som skulle behöva lite tid att ladda upp), allvarligt begränsar bandbredden som möjligt.

Snabb uppskattning: utimpedans av avdelaren är R1 || R2 = 187 kOhm, parasiterande C_par kanske 20 pF, som skulle ge en tidskonstant 187 k * 20 p = 3.74us och en bandbredd på bara 0.35/3.74 = ca. 90 kHz). Detta är alldeles för lågt för vår räckvidd!

Lösningen - om du inte kan slå dem, gå med dem. Lägga till kapacitiv avdelare och justera det samma division förhållandet (1:4) som resistiv avdelare gör Frekvensgången platt från DC till ljus (åtminstone i teorin - men tillräckligt nära för vårt syfte). Ett nödvändigt villkor är:

(C6 + C_par) / C19 = R1 / R2

Justering görs med C19. Eftersom ingenting kommer gratis i livet, det är inte konstigt det finns ett pris att betala - kapacitiv delaren orsakar scopets inimpedans att släppa för högre frekvenser. Fortfarande att detta är en bra avvägning och således sådan ersättning finns i praktiskt taget varje oscilloskop.