Студенты, любители и профессионалы сегодня имеют беспрецедентные возможности использования мощного и доступного тестового оборудования для изучения и создания электронных проектов. Но по мере того, как проекты энтузиастов становятся все более продвинутыми и амбициозными, можно достичь пределов возможностей оборудования начального уровня. Я с энтузиазмом отношусь к аппаратным средствам с общедоступной документацией как к средству повышения характеристик и доступности испытательного оборудования, точно так же, как раннее программное обеспечение с открытым исходным кодом фокусировалось на средствах разработки как основе для расширения доступа к вычислительной технике. В этой статье я расскажу о своем опыте создания несимметричного активного пробника с открытой документацией.
Для большинства из нас опыт работы с щупами осциллографов начинается и заканчивается пассивными щупами. На первый взгляд кажется, что это простые резистивные делители с некоторой емкостной компенсацией для расширения их диапазона, но за этим скрывается ряд сложных трюков. Во-первых, удивительно, что они вообще работают. Согласно теории линий передачи, подключение тестируемого устройства, которое может иметь любой выходной импеданс, к длинной линии передачи, оканчивающейся несогласованной нагрузкой (а именно, входным каскадом осциллографа), приводит к отражению сигнала. Однако в большинстве случаев эти щупы работают просто отлично, без звона и искажений. Хитрость, изобретенная компанией Tektronix в 1950-х годах [1], заключается в использовании линии передачи с потерями в кабеле щупа путем замены внутреннего проводника на проволоку с высоким сопротивлением. Это демпфирует отражения сигнала и вместе с тщательно подобранными компенсирующими конденсаторами обеспечивает плоскую широкополосную характеристику.
У этих методов есть свои ограничения. Например, полоса пропускания пассивных щупов 10:1 может достигать нескольких сотен мегагерц, а их входная емкость составляет 10-20 пФ. Даже на низких частотах эта емкость иногда оказывается достаточно большой, чтобы сделать пассивные щупы плохим выбором. В кварцевом генераторе используется емкость нагрузки, сопоставимая с этим значением, поэтому подключение пассивного щупа немедленно расстроит схему.
Активные щупы прекрасно подходят для высокочастотных цепей или цепей, требующих низкой нагрузки, поскольку их входная емкость на порядок меньше (Рисунок 1). Принцип работы активного щупа заключается в использовании буферного усилителя с высоким входным сопротивлением и воспроизведении сигнала при более низком выходном сопротивлении. Для улучшения целостности сигнала выходной импеданс усилителя можно регулировать в целях согласования линии передачи с входным импедансом осциллографа. Однако коммерческие активные щупы обычно стоят несколько тысяч долларов. В них используются фирменные разъемы, которые позволяют щупу автоматически настраивать осциллограф и использовать один кабель для питания и передачи сигнала, но это удобство привязывает вас к экосистеме производителя. Это обычно не беспокоит профессиональные лаборатории, которые могут позволить себе купить комплект приборов и аксессуаров, но это означает, что для работы энтузиастов часто будут сложны даже подержанные активные щупы.
 | |
| Рисунок 1. | Современный коммерческий активный щуп с фирменным интерфейсным разъемом. |
Самодельные конструкции активных щупов с использованием дискретных компонентов делались и раньше, но по полосе пропускания они не могли сравниться с коммерческими устройствами и обычно не обладали гибкостью связи по постоянному току. Недавно представленная микросхема BUF802 позволила преодолеть эти ограничения и создавать аналоговые входные интерфейсы с очень высокими характеристиками, используя готовые компоненты и недорогие конструкции. BUF802 – это буферный усилитель с единичным усилением и полосой пропускания 3 ГГц. В настоящее время реализуется проект по созданию осциллографа с бесплатной документацией [2], использующий этот чип в интерфейсной части, и я тоже экспериментировал с попыткой создания несимметричного активного щупа (Рисунок 2) со следующими целями проектирования:
- Аналоговая полоса пропускания от постоянного тока до 2 ГГц, ослабление 10:1.
- Входной импеданс 1 МОм || 1 пФ, выходной импеданс 50 Ом.
- Номинальные характеристики, достижимые на четырехслойной печатной плате компании OSH Park [3] из ламината FR-408HR.
- Минимальные размеры компонентов 0402 и отсутствие микросхем в корпусах BGA.
- Общедоступная документация и ремонтопригодность.
 | |
| Рисунок 2. | Сборка прототипа активного щупа на четырехслойной печатной плате, изготовленной OSH Park. |