量測工具製作 - 低成本的示波器差動探棒/電流探棒

forest162

相信有示波器的朋友們都有想過要測量一個電路的電流波形。好比說想量測A4988調整成微步進模式時輸出的電流波形，當我們想同時觀測輸入的時脈信號及輸出的電流以得知兩者之間的關係，這時就會遇到"共地"的問題。得知電流最簡單的辦法就是在負載上多串聯一顆電阻值極小電阻當作分流電阻，並測得兩端之電壓，由歐姆定律I=V/R及克希荷夫定律即可得知負載之電流。然而A4988為H橋輸出，若我們要測量串聯在步進馬達上的電阻則會發生短路的現象。

如下電路圖，這種H橋又有人稱之全橋，功用是使用單電源供應電路即可讓負載得到"有正有負"的電壓或電流。當Q1及Q4導通時L1左邊為VDD、右邊為GND；當Q2及Q3導通時則L1左邊為GND、右邊為VDD。另外一些手持電鑽若有正反轉的功能，很多也是用一個雙刀雙擲開關來切換直流馬達的電源極性。
那麼我們要測量L1的電流波形則是將示波器的探棒夾在電阻兩端，問題就來了如果要量測A4988輸入的時脈信號與輸出電流的關係，一般示波器各通道接地端(探棒上的鱷魚夾)是相通的，並且與插頭上的接地線相通，意思就是說，示波器的CH1測試勾勾在時脈信號上、鱷魚夾夾在電源地；CH2測試勾勾在電阻其中一端、鱷魚夾夾在電阻另一端，當Q1及Q4導通時電流就經由Q1 >> R1 >> CH2的鱷魚夾流過，發生了短路現象。


那麼如何解決這個問題呢? 我們需要的是任一端對地都呈現高阻抗輸入狀態的探棒，也就是差動探棒了。市售差動探棒一般都是上萬元，做個小實驗要看電流波形花上萬元買個探棒實在很不划算，況且規格(頻寬、耐壓)可能也用不到那麼好，自己做是個不錯的選擇。以前遇到這種狀況的時候都是在麵包板插一插弄個儀表放大器來用。近期做電源、做控制等等的對差動探棒的需求慢慢變大，常常在麵包板上插插拔拔也不是辦法，就乾脆lay板子、送廠洗把這項好用的工具做起來吧。

下面這張是我設計好最終版本的電路，具1倍及10倍增益可透過開關調整。考量到供電的方便性及回授補償，如果量測的電壓不高可以使用一顆9V電池供電，電路自己產生一個1/2Vdd；如果測量的電壓較高，則可以透過Jumper (P4)切換成雙電源供電模式。


電路板的部分如下



零件選用的部分除了IC腳座使用可靠度較高的鍍金圓孔IC座、BNC連接器選用台廠製品，比較大的特色是增益切換開關是跟台廠訂製的防水防塵黃金接點搖頭開關，黃金接點可以增加信號傳輸的可靠性，IP67防水防塵等級使得電路長期存放依然能正常工作。整體來說，電路兼顧了實用性、方便性、CP值高、耐用性，希望他是一次做好能夠用一輩子的工具。


再來進行測量基本的特性，包含頻寬、相位差、上升時間、下降時間。CH1為輸入、CH2為輸出
一、100Hz 100mVp-p 正弦波、1倍增益


二、1KHz 100mVp-p正弦波、1倍增益


三、10KHz 100mVp-p正弦波、1倍增益


四、100KHz 100mVp-p正弦波、1倍增益
由math相減運算可稍微看出波形有些許差異


五、1MHz 100mVp-p正弦波、1倍增益
由math相減運算可稍微看出波形有明顯差異


六、利用示波器X-Y mode觀測100KHz下的李沙育圖形，透過cursor量測相位差


七、利用示波器X-Y mode觀測1MHz下的李沙育圖形，透過cursor量測相位差


八、送入1KHz、增益1倍，並將示波器觸發調整為上升緣觸發、time scale拉到200ns/div觀察上升時間


九、送入1KHz、增益1倍，並將示波器觸發調整為下降緣觸發、time scale拉到200ns/div觀察下降時間


十、1KHz 100mVp-p正弦波、10倍增益


十一、10KHz 100mVp-p正弦波、10倍增益


十二、100KHz 100mVp-p正弦波、10倍增益
在這邊與1倍增益的比較，輸入&輸出有較大的落差了


十三、1MHz 100mVp-p正弦波、10倍增益
震幅完全不行了


十四、送入1KHz、增益10倍，並將示波器觸發調整為上升緣觸發、time scale拉到1us/div觀察上升時間


十五、送入1KHz、增益10倍，並將示波器觸發調整為下降緣觸發、time scale拉到1us/div觀察下降時間


最後，謝謝大家的收看，料備得還蠻多的，各位朋友如果有需要可以進我的露天拍賣下標!
http://goods.ruten.com.tw/item/show?21812782612167

forest162

補上A4988 16階微步進模式下激磁線圈的電流波形

SIMON1016

TL084 Slew Rate 轉動率 8~13 V/us  (  頻寬 3MHz)
想不到 實作升降速率 跟想像中差很大  

forest162

SIMON1016 發表於 2018-3-19 12:18 PM
TL084 Slew Rate 轉動率 8~13 V/us  (  頻寬 3MHz)
想不到 實作升降速率 跟想像中差很大   ...

Simon, 由datasheet第七頁"6.6 Electrical Characteristics for TL08xM and TL084x"得知，BW 3MHz是在Unity-gain的情況下，也就是將OP接成電壓隨偶器1倍的放大倍率測得的哦!

剛好我另一台25MHz的信號產生器故障準備送修，不然就能實測3MHz看看了

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl082a.pdf

SIMON1016

forest162 發表於 2018-3-19 12:48 PM
Simon, 由datasheet第七頁"6.6 Electrical Characteristics for TL08xM and TL084x"得知，BW 3MHz是在Uni ...

我知道, 我比較了 不同增益條件升降時間 附圖
增益  1 使用了 200nS/div   附圖 粗估為 200nS  ; 0.35 /上升時間   粗估BW 約有1.75Mhz
增益10 使用了     1uS/div   附圖 粗估為   1 uS  ; 0.35 /上升時間   拉下BW 剩    0.35Mhz

因而稍稍感慨了一下,  運算放大器增益對於頻率(寬)的依賴關係。

補充內容 (2018-3-19 04:25 PM):
而且整個系統,還得算成 兩OPA 二階串接  .

雨知波自行維修

共地，意思是這個可以量交流電嗎，不用隔離變壓器嗎，

forest162

雨知波自行維修 發表於 2018-3-19 10:22 PM
共地，意思是這個可以量交流電嗎，不用隔離變壓器嗎，

OPA耐壓的問題，應不能直接測量市電。測量市電還是建議用高壓差動探棒

duke83

Layout 時應該考慮使用內部只有一組 OPA 的 8-DIP 封裝，14-DIP 封裝的沒看過有高速寬頻 OPA，例如 LF357 的回轉率速度就還不錯也不會太難買到，很多高速的 OPA 封裝內都是只有一組。
反正都是使用 IC 座，標準隨機附普通 OPA 有高速寬頻需求的人就自己去買高速 OPA 來換。許多 Video 用途的 OPA 頻寬都很寬，或者就直接使用這種 SMD 封裝的直接焊好在板子上。

要測量交換式電源這種差動平衡式的轉換器最好用，只要輸入端配上衰減電阻就能量測高電壓。板子上輸入端的 R1/R2 的電阻最好是裝上否則輸入阻抗過高是很容易感應到許多雜訊。