Chińska sonda różnicowa - czy da się tanio wykonywać dokładne pomiary oscyloskopowe?

Pierwsze wrażenia, testy i pomiary parametrów

Urządzenie przychodzi w dość gustownym pudełku. Wnętrze zabezpieczone jest gęstą pianką, w jednej sekcji znajduje się sama sonda różnicowa, w drugiej – przewód BNC. W zestawie jest też metalowa osłona na jedno z gniazd BNC, która przy okazji je zwiera, dzięki czemu urządzenie może pracować jako sonda single-ended. Fotografia 1 pokazuje zawartość opakowania. Sama sonda zamknięta jest w nie do końca spasowanej obudowie z aluminium. Na froncie naklejona jest etykieta ze wszystkimi oznaczeniami i parametrami. Pierwsze wrażenia zatem nie są najlepsze – wyraźnie widać, że sonda jest wykonana niskim kosztem, a szczególnie źle kojarzy się włącznik zasilania, będący najtańszym „isostatem”, jaki można kupić w Chinach. Pozostaje mieć nadzieję, że nie rozleci się w trakcie użytkowania. No ale nie można oczekiwać jakości sprzętu profesjonalnego od czegoś za mniej niż 350 złotych. Kluczowe pytanie brzmi: czy i jak ta sonda działa?

Fotografia 1. Sonda różnicowa dostarczona została w pudełku do butów. Producent zatroszczył się jednak o dobre zabezpieczenie jej przed uszkodzeniami w transporcie

Na początek sonda w konfiguracji single-ended została podłączona do generatora funkcyjnego. Amplitudę ustawiono na 100 mVp-p, a częstotliwość na 9 MHz (rysunek 1a). Sygnał wyjściowy pokazuje rysunek 1b – warto zwrócić uwagę na amplitudę, która wynosi 216 mVp-p przy wzmocnieniu 1×. Faktyczne wzmocnienie wyniosło 2,1774, czyli 6,76 dB. Przy 10 MHz amplituda wzrosła do 228 mVp-p (rysunek 1c), czyli ~2,29 razy (7,22 dB), by następnie spaść do 144 mVp-p przy 16 MHz. Daje to szersze pasmo, ponad 16 MHz względem tego, co podaje specyfikacja – przynajmniej dla pomiarów single-ended.

Rysunek 1. Pomiar sondy w trybie single-ended przy wzmocnieniu 1×: sygnał źródłowy (a), sygnał wyjściowy przy 9 MHz (b), 10 MHz (c) i 16 MHz (d)

Używając tego samego sygnału wejściowego, przełączono sondę na wzmocnienie 10×, przy 9 MHz amplituda wyjściowa wynosiła 960 mVp-p (rysunek 2a), czyli 9,98× lub 19,72 dB, by przy 10 MHz spaść do 712 mVp-p (rysunek 2b), (wzmocnienie 7,18× lub 17,12 dB). Jest to wynik bliski oczekiwanego, gdyż wg specyfikacji producenta dla tej częstotliwości wzmocnienie powinno wynosić równo 17 dB.

Rysunek 2. Pomiar sondy w trybie single-ended przy wzmocnieniu 10× z użyciem sygnału z rysunku 1a: sygnał wyjściowy przy 9 MHz (a) i 10 MHz (b)

Ciekawiej się robi, gdy przechodzimy do wzmocnienia 100×. Amplituda sygnału została zmniejszona do 10 mVp-p (rysunek 3a), co ujawnia limity generatora – sygnał nie jest zbyt stabilny. Na wyjściu dla 2 MHz uzyskujemy 992 mVp-p (rysunek 3b), a dla 8 MHz 720 mVp-p (rysunek 3c). Wydawać by się mogło, że sonda pozwoli nam na badanie bardzo małych sygnałów, ale nie w każdej sytuacji, na co wskazują następne pomiary.

Rysunek 3. Pomiar sondy w trybie single-ended przy wzmocnieniu 100×: sygnał źródłowy o częstotliwości 10 MHz i amplitudzie 10,4 mVp-p (a), sygnał wyjściowy przy 2 MHz (b), 8 MHz (c) i 10 MHz (d)

Spójrzmy na rysunek 4a, na którym pokazano przebieg prostokątny 2 MHz, 51,2 mVp-p. Tym razem mierzone są też czasy narastania i opadania zboczy: odpowiednio 10 ns i 11 ns. Na rysunku 4b mamy ten sam sygnał po wzmocnieniu 100×, amplituda 5,2 Vp-p, czyli w rzeczywistości wzmocnienie wynosi 101,5625× albo 40,18 dB. Czasy narastania i opadania to odpowiednio 105 ns i 99 ns. Podobnie wygląda sytuacja dla sygnałów 1 MHz (rysunek 4c) i 500 kHz (rysunek 4d). Teoretycznie zatem pasmo przenoszenia wynosi 3,5 MHz, ale z praktycznego punktu widzenia sonda różnicowa w konfiguracji single-ended nie oddaje wiernie sygnału wejściowego, co nieco ogranicza jej użyteczność. W testach zauważono też, że sygnał trójkątny powyżej 500 kHz zaczyna powoli zmieniać się w sygnał sinusoidalny. W przypadku niewielkich, szybkozmiennych sygnałów sonda ta może się nie sprawdzić.

Rysunek 4. Ten sam test, co poprzednio, ale tym razem z sygnałem prostokątnym o amplitudzie 51,2 mVp-p i częstotliwości 2 MHz (a). Ten sam sygnał na wyjściu sondy (b), należy zwrócić uwagę na nachylenie zboczy, które wskazuje na ograniczenie pasma przenoszenia do około 3,5 MHz. Sygnały 1 MHz (c) oraz 500 kHz również prezentują podobne czasy narastania i opadania, co w pewnych sytuacjach może zafałszować badany sygnał

W celu sprawdzenia zachowania sondy w trybie różnicowym połączono ją z generatorem funkcyjnym za pomocą dwóch przewodów BNC-BNC. Jeden przewód dołączony był do sondy, drugi pochodzi z zestawu dołączonego do generatora. Oba kanały generatora zostały ze sobą zsynchronizowane. Test przeprowadzono z wykorzystaniem sygnałów sinusoidalnych o częstotliwości 1 MHz i amplitudzie 50 mVp-p. Na początek wyjścia mają taką samą fazę. Teoretycznie na wyjściu sondy nie powinno być nic. Czy jest tak w rzeczywistości? Sprawdźmy. Przy wzmocnieniu 1× na wyjściu mamy dużą ilość zakłóceń z amplitudą około 10 mVp-p
(rysunek 5a). Przy wzmocnieniu 10× pojawia się już przebieg sinusoidalny o amplitudzie 16,8 mVp-p (rysunek 5b). Czyżby CMRR był niższy, niż zakłada producent? Niekoniecznie – przewody łączące sondę z generatorem mają różną długość i sygnał widoczny na wyjściu jest efektem przesunięcia fazowego między wejściami sondy, które to przesunięcie jest pochodną różnicy długości przewodów. Im wyższa częstotliwość, tym większy wpływ różnicy długości przewodów, dlatego dla sygnałów różnicowych w.cz. stosuje się równe długości ścieżek lub przewodów. Przy wzmocnieniu 100× (rysunek 5c) amplituda rośnie już do 117,6 mVp-p.

Rysunek 5. Testy sondy różnicowej przy sygnale 1 MHz 50 mVp-p o tej samej fazie, wzmocnienie 1× (a), 10× (b) oraz 100× (c). Uwagę zwraca duży poziom zakłóceń, a sam sygnał jest widoczny z powodu nierównej długości przewodów łączących sondę z generatorem – dodają one przesunięcie fazowe

Sygnał jest też zdeformowany przez różne zakłócenia. W drugim teście faza sygnału drugiego kanału została przesunięta o 180°. Amplituda sygnału wynosi 105,6 mVp-p, a mimo to sygnału prawie nie zniekształcają zakłócenia, jak w poprzednim teście (rysunek 6a). Zwiększmy wzmocnienie do 10×, amplituda rośnie do 1,02 Vp-p (rysunek 6b), a przy wzmocnieniu 100× do 10,24 Vp-p (rysunek 6c).

Rysunek 6. Ten sam test, ale tym razem sygnały są w przeciwfazie, wzmocnienie 1× (a), 10× (b) oraz 100× (c). Sonda pracuje poprawnie, a zakłócenia, które – wydawałoby się – powinny zdominować sygnał, niemal kompletnie zniknęły

Dla tej nastawy wzmocnienia zmierzono też amplitudę przy częstotliwości 2 MHz (rysunek 7a) i 3,5 MHz (rysunek 7b), co dało odpowiednio 8,64 Vp-p oraz 4,88 Vp-p.

Rysunek 7. Test pasma przenoszenia: sygnał z generatora ma częstotliwość 2 MHz (a) i 3,5 MHz (b). Rzeczywiste pasmo przenoszenia osiąga wartość nieznacznie powyżej 2 MHz

Do wykonania zostały jeszcze dwa pomiary: napięcia niezrównoważenia wejść oraz CMRR. Oba pomiary zostały przeprowadzone z użyciem precyzyjnego multimetru stołowego Owon XDM3051 (recenzja w EP 03/2024). Po zwarciu obu wejść zmierzono napięcie na wyjściu. Przy wzmocnieniu 1× wyniosło ono około 275 μV, przy 10× – ok. 115 μV, a przy 100× – ok. –1,53 mV. Do obliczeń CMRR użyta została metoda opisana w nocie aplikacyjnej Renesas R13AN0013EU0100, zakładająca użycie wzoru:

gdzie G to wzmocnienie, Vcm1 i Vcm2 to wartości napięcia wspólnego na wejściach przy dwóch pomiarach, a Vout1 i Vout2 to odpowiadające im wartości napięcia na wyjściach. Uwzględniając błąd niezrównoważenia, obliczono CMRR dla napięcia stałego. Dla wzmocnienia 1× wynosi ~98,7 dB, dla 10× ~117,1 dB, dla 100× aż ~120,2 dB. Należy zaznaczyć, że wyniki te są obarczone błędem pomiarowym wynikającym z dryftu termicznego i niestabilności zarówno sondy, jak i generatora dostarczającego napięcie stałe. Podane wartości uwzględniają błąd niezrównoważenia.

Co kryje wnętrze?

Otwarcie sondy jest dość proste: górna i dolna połówka obudowy są przykręcone do przedniej i tylnej ścianki sondy czterema parami wkrętów. Najpierw została zdjęta górna połowa obudowy. Wnętrze pokazuje fotografia 2. Do płytki przyklejony jest niewielki akumulator litowo-jonowy, typowy dla chińskich produktów. Przy gnieździe wyjściowym znajduje się układ scalony LMC7660 firmy Texas Instruments, który – używając dwóch kondensatorów – generuje symetryczne napięcia zasilania dla pozostałych układów scalonych. Poza tymi układami na płytce znajdują się jeszcze MAX860 i SGM3209 – dwie przetwornice typu pompa ładunkowa. SGM3209 odwraca napięcie wejściowe, a MAX849 może napięcie wejściowe podwoić lub odwrócić, zapewniając dość wysoką wydajność prądową.

Fotografia 2. Wnętrze sondy, wyjątkowo skomplikowane, biorąc pod uwagę, że za realizację funkcji wzmacniacza różnicowego odpowiada w istocie jeden układ scalony (INA849)

Stopień wejściowy zbudowany jest wokół układu INA849 – ultraniskoszumnego, precyzyjnego wzmacniacza instrumentalnego. Teoretycznie układ ten zapewnia pasmo przenoszenia 28 MHz przy wzmocnieniu 1× i 8 MHz przy wzmocnieniu 100×, jednak producent zdecydował się je ograniczyć. CMMR dla maksymalnego wzmocnienia wynosi 120 dB wg noty. Układ jest relatywnie tani, kosztuje około 60 zł. Obok tego układu znajduje się klasyczny stabilizator napięcia ujemnego – LM337 w obudowie SOIC-8. Obok INA884 znajduje się też niezidentyfikowany układ w obudowie SOT23-5 o oznaczeniu LPB#QX. Dalszy demontaż obudowy nie był możliwy, gdyż wygląda na to, że tylna ścianka jest przyklejona do płytki, podobnie jak akumulator – autor nie chciał ryzykować uszkodzenia.

Generalnie sonda ta wydaje się bardziej skomplikowana niż to konieczne, biorąc pod uwagę, że jej parametry są gorsze niż parametry głównego układu odpowiedzialnego za wzmocnienie sygnałów różnicowych. Dokładniejsza analiza wymagałaby odtworzenia lub zdobycia schematu ideowego, co zdaniem autora wykracza dalece poza tematykę tego artykułu.

Podsumowanie: czy warto?

Biorąc pod uwagę relatywnie niską cenę tej sondy oraz parametry przeważnie zgodne ze specyfikacją producenta, należy stwierdzić, że jest to dobry zakup, ale raczej nie do naprawdę dokładnych pomiarów szybkozmiennych sygnałów. Autor oczekiwałby też dołączenia jakichś przewodów pomiarowych, nawet tanich „krokodylków” równej długości. Czy ta prosta sonda różnicowa jest w stanie zastąpić narzędzia od bardziej uznanych producentów? Niestety, nie do końca. Brakuje choćby możliwości ręcznej korekcji napięcia niezrównoważenia. Rażą też pojawiające się zniekształcenia sygnału, prawdopodobnie pochodzące od pomp ładunkowych, którymi płytka sondy jest hojnie obdarzona. Dla zaawansowanego hobbysty jest to dobra sonda, ale w przypadku profesjonalisty pozostawia nieco do życzenia i spełni się co najwyżej w roli sondy dodatkowej, której uszkodzenie w razie awarii badanego układu nie zaboli użytkownika tak bardzo pod względem finansowym.

Paweł Kowalczyk, EP