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Una Sonda di Tensione Bilanciata Fatta in Casa

Posted by marius 30/08/2021 0 Comment(s) 254 Strumenti di Misura,

Una sonda di tensione bilanciata fatta in casa

scritto da Min Zhang, consulente EMC

Molti degli ingegneri autonomi o degli appassionati di elettronica si dilettano a creare strumenti fai-da-te. Non solo questi strumenti fatti in casa abbattono significativamente il prezzo di un prodotto disponibile in commercio, ma soprattutto, realizzando questi strumenti, si può generalmente imparare molto. La cosa più importante di tutte è la soddisfazione provata nel creare oggetti fai-da-te.

Questo articolo si basa su lavori esistenti presentati da Doug Smith[1]-[3] e molti altri[4]-[5]. Il processo di costruzione di queste sonde è descritto in dettaglio in questi articoli. Pertanto, trattiamo solo alcuni dei punti che non sono coperti da questi articoli, questi punti potrebbero essere molto importanti per far funzionare le sonde. In questo articolo vengono introdotti anche i test di queste sonde.

Per realizzare una sonda di tensione bilanciata come descritto in [1], è necessario realizzare due sonde di tensione resistive che siano abbinate (al range di frequenza richiesto). Questo è molto importante per il funzionamento della sonda bilanciata poiché la differenza tra le sonde ridurrà di molto il rapporto di reiezione di modo comune (CMRR). Sono state realizzate due sonde resistive sulla base del manuale passo-passo in [2] e [3]. In questo caso, quattro resistori da 200 Ω sono stati costruiti in parallelo per creare i 50 Ω passanti e un resistore da 750 Ω è stato utilizzato come resistore di punta. Ciò significa che una singola sonda darebbe un rapporto 31x (~30dB) misurato su un'impedenza da 50 Ω (analizzatore di spettro o ingresso 50 Ω di un oscilloscopio). Una sonda bilanciata (composta da due di queste sonde, più lo splitter) darà un rapporto 50x (~34dB) [1].

Utilizzando le tecniche introdotte in [2] [3], vengono realizzate due sonde resistive mostrate nella Figura 1. A sinistra ci sono le sonde finali (con guaina termoretraibile e senza cavi di massa). A sinistra è mostrata una sonda prima dello stadio finale (senza guaina termoretraibile e con cavo di massa). Si noti inoltre che la sonda finale ha la punta del resistore all'estremità anteriore incollata utilizzando e-poxy, questo offre una protezione aggiuntiva per la punta della sonda, poiché è stato riscontrato durante il test che la punta è soggetta a rompersi (poiché viene utilizzato un resistore 1206 montato a superficie, un resistore a foro passante è più robusto, ma a causa dell'ESL potrebbe potenzialmente introdurre più oscillazioni). Prima di indossare la guaina termoretraibile e la resina epossidica, le due sonde devono essere testate per assicurarsi che la loro risposta in frequenza sia la stessa.

Figura 1 Sonde resistive; (a) Versione finale (b) Pronta per essere testata, prima di applicare la guaina termoretraibile e la resina epossidica

Le sonde vengono testate utilizzando un analizzatore di spettro dotato di tracking generator. In questo caso viene utilizzato un Siglent SSA3021X. Si noti che anche la sonda bilanciata finale utilizza una coppia di cavi coassiali 50 Ω identici, quindi la prima cosa da fare è testare le caratteristiche della coppia di cavi. I cavi utilizzati per realizzare le sonde bilanciate sono cavi coassiali TE Connectivity da BNC maschio a BNC maschio, lunghi 500 mm. Essi mostrano esattamente le stesse caratteristiche di impedenza.

Per testare le sonde, imposta l'uscita del TG a -10dBm. Utilizza le sonde per misurare direttamente l'uscita della sorgente TG. Ovviamente, questa misurazione è piuttosto rudimentale in quanto un analizzatore di rete che utilizza il ponte Kelvin sarebbe molto più accurato, ma poiché stiamo solo confrontando la differenza tra le due sonde, questo metodo è accettabile. Si può usare la scala lineare o la scala logaritmica, qui usiamo la scala logaritmica. La gamma di frequenza è impostata tra 1 MHz e 1 GHz.

Figura 2 Le due sonde mostrano una fedele corrispondenza fino a 600 MHz

Dal risultato si può vedere che le due sonde sono accoppiate bene fino a circa 600 MHz. Da 600 MHz in su, fino a 1 GHz, la differenza tra le due aumenta. Esistono alcune tecniche che possono essere utilizzate per ridurre la differenza, di cui parleremo in un articolo separato. Ma per ora, siamo contenti dell'abbinamento delle due sonde. Il motivo è semplice, il mio oscilloscopio ha una larghezza di banda di 500 MHz, anche lo splitter che uso è di 500 MHz, quindi non c'è davvero bisogno di mettere a punto la sonda da 500 MHz a 1 GHz.

Nota che l'attenuazione mostrata nel test è di circa -23dB, non i -30dB che ci aspettavamo, perché? Lasceremo questa domanda ai nostri lettori. E la risposta può essere trovata qui in un articolo separato.

Una volta che le due sonde sono state testate per il corretto abbinamento, vengono aggiunte le guaine termorestringenti. Come accennato in precedenza, l'e-poxy viene utilizzato per fissare la punta della sonda per evitare danni accidentali. Seguendo le istruzioni in [1], la sonda bilanciata finale è mostrata in Figura 3.

La sonda deve essere testata per vedere se le sue prestazioni sono all'altezza delle nostre aspettative. La configurazione del test è semplice. Utilizziamo un generatore di funzioni (Aim-TTi TGF4242) per generare un'onda quadra a 20 MHz, 3,9 Vpp (carico 50Ω). Il tempo di salita è fissato a 4ns. Il motivo per cui utilizziamo 3,9 Vpp è perché il tempo di salita è leggermente più veloce quando Vpp è inferiore a 4 V. La misurazione è mostrata su un Rigol MSO5204 (questo è un vecchio oscilloscopio che ho aggiornato a 350 MHz, il mio nuovo oscilloscopio da 500 MHz non è attualmente disponibile per l'uso. Questo modello non ha l'opzione di impedenza di ingresso 50 Ω, quindi viene utilizzata sull'ingresso BNC dell'oscilloscopio una terminazione passante da 50 Ω.)

Come si può vedere dalla Figura 4, la sonda bilanciata fornisce una forma d'onda molto migliore rispetto alla sonda ad alta impedenza da 350 MHz. La Figura 4 (a) mostra il risultato collegando direttamente il cavo BNC all'oscilloscopio (usando una terminazione passante da 50 Ω). Questo serve come riferimento, in realtà non può essere usato come un modo pratico di misurare il circuito. La sonda bilanciata ha un rapporto 50x (0,16 Vpp/7,8 Vpp=0,02).

Figura 4 Risultati misurati

Ulteriori miglioramenti

È possibile apportare ulteriori miglioramenti per migliorare le prestazioni della sonda bilanciata. Ciò include:
1. Migliorare l'accoppiamento tra le due sonde fino a 1 GHz.
2. Ci sono oscillazioni osservate dalla sonda resistiva (singola) a partire da 500 MHz, questo potrebbe essere dovuto alla risonanza L-C introdotta dalla costruzione. Finora, non ho capito come ridurre l'oscillazione e rendere la curva di attenuazione una linea retta piatta.
3. La punta divisa della sonda bilanciata è inferiore a 10 cm, rendendo l'angelo di apertura molto piccolo, potrebbe valere la pena estendere la lunghezza della parte divisa in modo da facilitare la misurazione.

Elenco strumentazione

La strumentazione utilizzata in questo articolo è:
1. Analizzatore di spettro Siglent SSA3021X, 9kHz-2.1GHz, con opzione Tracking Generator.
2. Oscilloscopio digitale Rigol MSO5204, con larghezza di banda aggiornata a 350 MHz.
3. Terminazione passante 50 Ω, CT2944C-50, la specifica indica il funzionamento fino a 1 GHz, ma ho scoperto che non sono così prestazionali sopra i 500 MHz, anche se non ho mai usato alternative più costose per fare un confronto.
4. Generatore di funzioni Aim-TTi 240 MHz TGF4242, tempo di salita minimo 3 ns.
5. Mini-Splitter ZFSCJ-2-1 1-500MHz.
6. 3 × cavo coassiale 50 Ω TE Connectivity BNC (m) a BNC (m), lunghezza 500 mm
7. 2 connettori BNC per realizzare le sonde resistive
8. Resistori 200 Ω, 1206; resistori 750 Ω, 1206.
9. Fili di ottone

Riferimento:

[1] DC Smith, La sonda bilanciata estende le misurazioni ad alta frequenza, Circuiti e dispositivi IEEE, Vol.10, No.6, pp 19-23, novembre 1994
[2] D.C. Smith, piani di costruzione della sonda da CC a 1GHz, 1 novembre 2004
[3] D.C. Smith, Tecniche di costruzione migliorate per una terminazione a 50 Ohm
[4] J. Kapsi, Sonda per oscilloscopio a banda larga 1:21 fai da te da 1 kOhm
[5] Paul, Elogi per la sonda a bassa impedenza. Lezioni su sonde ad alta velocità.


(Informazioni sull'autore) Il Dr. Min Zhang è il fondatore e il principale consulente EMC di Mach One Design Ltd (www.mach1design.co.uk), una società di ingegneria con sede nel Regno Unito specializzata in consulenza, risoluzione dei problemi e formazione EMC. La sua profonda conoscenza dell'elettronica di potenza, dell'elettronica digitale, delle macchine elettriche e della progettazione di prodotti ha beneficiato alle aziende in tutto il mondo. Puoi scrivere a Zhang alla mail [email protected]

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