DPScope SE - den enklaste riktiga oscilloskop/logik analyzer på planeten (3 / 36 steg)

Steg 3: Input scenen

Om du vill tillåta för anslutning av olika typer av sonder erbjuder input tre olika alternativ för kopplingen. Standarden är en BNC-kontakten, vilket är obligatoriskt om tillämpningsområdet skall monteras i Serpac låda med de medföljande anpassade slut panelerna. För bare-board varianter användaren kan installera RCA-kontakter (även känd som Cinch eller ljudkontakterna) – föredrar en del människor detta eftersom det är lättare att bygga billigt sonder för dem. Det finns också utrymme för en 0.1" avstånd jumper huvudet – bra att koppla räckvidden t.ex. till en skärbräda genom startkablar.

Den microcontroller analog till digital omvandlare (ADC) har en fast indataområdet för 0 till 5V. Op-amp (järnväg-till-rail ingång och utgång, se nästa avsnitt) kan endast överföra signaler i detta intervall. Signaler mindre än intervallet kommer få mätt med reducerad upplösning (eftersom de inte omfattar alla de möjliga digitala ADC värden), och 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 analog till digital omvandlare (ADC).
Först i input-stadiet, är den inkommande signalen försvagad genom en faktor på 10 av spänningsavdelare bildas av resistorer R1 och R3. Detta ökar det maximala spänningsområdet till 50V topp-till-topp. R1 och R3 i serie ger 1 MOhm totalt motstånd så att tillämpningsområdet indata har rätt, standard impedansen krävs för att använda standard passiv 1:10 eller 1: 100 omfattning sonder.

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 offset-spänning, som tillhandahålls av låg impedans delaren byggs från motstånd R16, R17 och trimmern R12. Kondensator C4 försäkrar att denna offset voltage inte flyta när ingångssignalen ändras snabbt (strömförsörjningen kan inte reagera snabbt nog till snabba förändringar – C4 tar hand om det eftersom det fungerar som ett kostnadsfritt buffert).

R12 justeras så att spänningen kommer att op-förstärkaren ingång är på 2.5V (dvs exakt på halva matningsspänningen och thus spänna ADC) när 0V tillämpas på räckvidden ingång. De 2.5V nivå således rättsakter som typ av en "virtuell marknivå" för efterföljande beredningsledet. Eftersom insatsen delaren minskar input svingen med en faktor på 10 Detta innebär räckvidd nu kan mäta in-signaler mellan - 25V (vilket ger 0V går till op-amp) och + 25V (som leder till + 5V går till op-förstärkaren).

Om du använder en 1:10 scope sond – i grunden en glorifierad (Ja, faktiskt frekvens kompenseras) 9 MOhm motstånd, ingång divider förhållandet blir 1: 100 (divider bildades av sonden och R1 på ena sidan och R3 på den andra) och utbudet ökar till +/-250V (men var mycket försiktig när arbetar med så höga spänningar!).

Viktig anmärkning: En källa till förvirring är det faktum att botten av input delaren inte kommer att marken (0V) utan att offset spänningen. Detta skiljer sig från hur de flesta andra omfattningar fungerar och är priset att betala för att använda bara en enda, positiv tillförsel järnväg. Det innebär att om inljudet är lämnade öppna (ingenting ansluten till det) det kommer att flyta upp till offset-spänning och följaktligen räckvidden visas inte 0V men ganska lite positiv offset. Det innebär också att programvaran har att justera vertikala förskjutningen tillämpas något när man går från en lågohmig 1:1 sond till en 9 MOhm 1:10 probe.

Ingående avdelaren (dämparen) förtjänar viss ytterligare hänsyn. Det är en så kallad kompenserade avdelare och består av en parallell kombination av en resistiv avdelare (R1 och R3) och en kapacitiv avdelare (C12 och C11). Anledningen till att lägga till kapacitiv delaren är att skydd dioder (D1 och D2) och mata in av op-amp (OP1.1) har vissa oundvikliga parasitiska kapacitans C_par på order av 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), kraftigt begränsa uppnåeliga bandbredden (i vårt fall till bara några kHz).

Lösningen - om du inte kan slå dem, gå med dem. Lägga till kapacitiv avdelare och justera det samma division förhållandet (1:10) som resistiv avdelare gör Frekvensgången platt från DC till ljus (åtminstone i teorin - men tillräckligt nära för vårt syfte). Ett nödvändigt villkor är att division förhållandet mellan resistiv avdelaren (R1, R3) är samma som division förhållandet mellan kapacitiv delaren:

(C11 + C_par) / C12 = R1 / R3

I många högre end scope en av kondensatorer görs justerbar för att trimma exakta kapacitans förhållandet, men för att hålla det enkelt (och billiga) jag valde för fasta kondensatorer. En sak mindre att justera! 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 en sådan ersättning krets finns i praktiskt taget varje oscilloskop.

Slutligen de två dioderna (D1, D2) fungera som input skydd, klippning några signaler till förförstärkare som överstiger antingen + 5V eller 0V av mer än en diod släpper. De måste vara snabb växling (både i ledning och i återhämtning) och har låg input kapacitans. Å andra sidan, ges hög Ingångsmotstånd värdet (900 kOhm) mellan in och dioden inte behöver de shunt mycket aktuella även i stort överspänningar på omfattning ingång. Dioderna används (1N914) är mycket lätt tillgängliga ändå erbjuda mycket snabb växling. (Faktiskt nästan alla CMOS IC, inklusive op-förstärkaren, har en liknande skydd struktur på sina in- och utgångar, men för scope ingångar som kan bli föremål för betydande överspänningar jag ville inte att förlita sig på detta för circuit protection). R1 är klassad till en statisk belastning på minst 100 v eller 200V (beroende på specifik modell), så detta ger bra utrymme jämfört med angivna insignalen spänna (25V topp). För korta i mottagningssystemet tål mycket högre spänningar (men lita inte på det!).