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Ich habe noch kleine Änderung in der Schaltung des Tastkopfes gemacht, um Ausgangspannungshub zu verdoppeln. Der neue Tastkopf (Schaltplan und Montageskizze sind im Code) kann schon +/-2 V übertragen, was den Eingangspannungen +/- 10V beim Eigangsteiler 4:1 (Übertragungsfaktor 5:1) und +/-20 V beim 8:1 (10:1) enspricht. Diese kleine Änderung hat kein Einfluß auf Inbetriebsnahme und Parameter des Tastkopfes.
Für alle, die sich den Tastkopf auf Lochrasterplatine aufbauen möchten, habe ich in unterem Code eine Skizze der Seite mit SMD Bauteilen (1206) gemacht, weil ich auf einem Foto die Plazierung der Bauteile nicht gut zeigen kann. Auf meiner Platine sind Kollektor und Basis vom T3 vertauscht, weil ich anderen Transistor montiert habe. Die Transistoren befinden sich auf der Gegenseite und sind mit gebogenen Anschlußpins montiert, so dass sie auf der Platine flach liegen. Alle unbenutzte Lötpunkte habe ich per Hand mit einem 3,5 mm Bohrer entfernt. Die Skizze kann auch für Planung einer geätzter Leiterplatte dienen.
Das 3-adrige Kabel mit Versorgungspannungen wird an die "Schienen" +5 V, -5 V und GND angelötet. Die Spitze, auf die ein Federhaken angesteckt werden kann, wurde aus einem versilbertem ca. 5 cm langem Draht 1 mm und die GND Leitung zu isolierter Krokoklemme mit ca. 10 cm langer isolierter Litze aus dem Mini-Krokoklemmensatz gemacht. Um den Federhaken auf die Drahtspitze anstecken zu können, muss der Durchmesser des Gehäuses auf der Länge etwa 1 cm z.B. mit einer Feile angepasst werden. Um Durchführen der Spitze durch mit 6 mm durchgebortes Gehäuse habe ich 20 mm lange mit 1,5 mm durchgebohrte 6 mm Verlängerungsachse verwendet. Den Einbau des 51 Ohm SMD Abschlußwiderstandes in ein BNC Stecker habe ich im Beitrag vom 18.11.2008, 23:29 erklärt. Alle Bauteile, ausser Gehäuse (Edeka), sind vom Reichelt.
Ich würde empfehlen den Tastkopf, so wie ich es gemacht habe, stufenweise vom Ausgang aufzubauen und das schon fertige gleich prüfen. Weil die Schaltung sehr breitbandig ist (>100 MHz), sollten bei der Inbetriebsnahme sehr kurze vorläufige Verbindungen angewendet werden, weil sonst kann es zu HF Oszillationen kommen. Aus dem Grund wird empfohlen den Tastkopf bei der Inbetriebsnahme zur Kontrolle an Oszilloskop anzuschliessen und kein Multimeter mit langen Messleitungen benutzen. Die Spannungen, die auf den Transistoren nach fehlerfreier Montage seien sollten, sind im Code mit Montageskizze angegeben.
Als erstes wird die Ausgangstufe mit T3, T4, T5 und T6 montiert. Zuerst wird das Basis vom T4 mit GND verbunden und die Spannung am Ausgang gemessen. Nach dem Entfernung des Kurzschlußes, zwischen Basis vom T4 und GND wird ein keramik Kondensator 0,1 µF provisorisch angelötet. Danach wird auf Basis vom T4 eine Gleichspannung um 1 V zugeführt. Auf der Basis muss die Spannung für + und - Polarität kontrolliert werden, weil wegen Basistrom des T4 die Spannung nicht symmetrisch seien kann. Sowohl für positive als auch für negative Spannung soll am Ausgang Spannung mit entsprechender Amplitude sein (mit Berücksichtigung des Unterschieds der Spannungen auf der Basis von T4 und und der, die auf dem Ausgang vorher war). Ich habe 1% Widerstände montiert und der Unterschied war bei mir um 1%. Ich habe es nicht verbessert, da die übliche Genauigkeit des Oszilloskopes ca. 5% ist. Bei Verwendung 1% Widerstände ist eigentlich nur der R3 und Eingangsteiler einzustellen. Wer es genauer haben möchte, kann es mit der Änderung von R9 machen.
Und hier noch ein konkretes Beispiel aus meiner Inbetriebsnahme:
Anfangs am Ausgang gemessene Spannung: +17 mV
Auf der Basis vom T4 gemessene Spannungen: +1,045 V und -1,000 V
Gemessene Ausgangsspannungen: +1,026 V und -0,957 V
Soll Ausgangsspannungen: +1,045 V + 17 mV = + 1,062 V und -1,000 V + 17 mV = -0,983 V
Dazugehörige Unterschiede: 1,062 - 1,026 = 36 mV und 0,983 - 0,957 = 26 mV.
Der Unterschied für positive und negative Ausgangsspannung: 36 mV - 26 mV = 10mV, also um 1%.
Danach wird der Kondensator von Basis T4 entfernt und die Eingangstufe mit FETs montiert. Als R3 wird provisorisch ein Trimmpotenziometer ca. 2,5K eingelötet und auf dem Ausgang möglichst genau 0 V eingestellt. Nach dem Messen wird ein fester Widerstand mit nächstem grösserem Standartwert eingelötet und genaue Einstellung wird mit paralell geschaltetem Widerstand durchgeführt.
Als nächste wird der Eingangsteiler für eine Gleichspannung max. 20V mit dem R2 auf Gesamtteilung eingestellt, also z.B. für Eingangspannung 8,573 V soll am Ausgang 0,857 V sein. Abschliessend wird der Eingangsteiler mit C2 frequenzkompensiert. Für beides kann man auch den internen Kalibrator vom Oszilloskop mit min. 1 MHz bzw. ein Quarzoscillator verwenden. Beim Quarzoscillator zum Vergleich kann als Referenz ein passiver Tastkopf 10:1 benutzt werden. Genauere Beschreibung des Vorgehens bei Frequenzkompensierung des Eingangsteilers findet man in meinem Beitrag vom 18.11.2008, 00:40. Oft ist der C1 nicht nötig, wenn die eigene Kapazität des R1 genug groß ist. Ich habe als Beispiel ein Foto von meinem Frequenzkompensiertem Tastkopf im Vergleich mit P150 (150 MHz) gemacht. Oben ist der passive 10:1 P150 und unten meiner mit Federhaken. Die Eistelungen sind für beide 0,2 V/DIV und 0,2 µs/DIV. Mit den Schwingungen nach den Flanken kann ich leben, weil ich als Bastler nicht so viel Zeit wie Tektronix in die Entwicklung investiert habe.
Wenn jemand sehr genau alle Parameter einstellen will (besser als die Bauteiltoleranzen), sollte für mit Stern gezeichnete Bauteile auf einer gefertigter Leiterplatte ein Platz fur zwei seriell/paralell geschaltete Bauteile vorgesehen werden. Die SMD Bauteile lassen sich aber auch sehr gut aufeinander montieren.
Beim vorherigem Tastkopf mit Eingangsteiler ca. 4:1 ist der gesamte Übertragungsfaktor 5:1 bei max +/- 5V. Der letzte Tastkopf mit Eigangsteiler ca. 8:1 hat ein Übertragungsfaktor 10:1 und kann unverzehrt bis max. +/-20 V zum Oszilloskop übertragen. Für höhere Eingangsspannungen würde ich empfehlen einen pasiven Hochspannungstastkopf 100:1 mit Eingangskapazität um 2 pF.
Die Eingangsparameter des Tastkopfes bleiben unverändert, weil die Eingangstufe gleich ist. Bei von mir vorher auf einer Lochrasterplatine eingebautem Tastkopf mit Eingangsteiler 4:1 (gesamter Übertragungsfaktor 5:1) habe ich bei 100 MHz Sinus die Amplitude 0,75 (-2,5 dB), der beim DC gemessen. Beim T4 mit höherer Ft und einem gutem HF Layout sollte es besser werden.
Der aktive Tastkopf eignet sich auch sehr gut als Impedanzwandler 100 kOhm / 1 pF auf 50 Ohm für andere Messgeräte z.B. Frequenzzähler um Messungen ohne Belastung des Messobjektes zu führen. In diesem Fall sollte beachtet werden, dass im BNC Stecker sich schon ein 50 Ohm Widerstand befindet, der eine Belastung für die Ausgangstufe darstellt. Wenn das Messgerät an das der Tastkopf angeschlossen ist auch ein 50 Ohm Widerstand am Eingang hat, könnte es zur Überschreitung den zullässigen Kollektorströmen und Beschädigung der Transistoren T5 und T6 führen.
Nach praktischem Ausprobieren und letzten Überlegungen habe ich mich entschieden, dass ich mir zwei 10:1 aktive DC Tastköpfe ohne AC/DC Umschalter baue. Alle andere Tastköpfe, die ich habe, fast nicht mehr benutzt werden, da ich in der Praxis nur mit Spannungen bis +/-20 V arbeite. Ich habe mein Tastkopf mit Federkaken vor und nach dem Aufbau fotografiert. Das Gehäuse habe ich auf zwei Stellen durchgebohrt und mit kleinen Blechschrauben miteinander verbunden, damit falls nötig, leicht zerlegbar ist.
Für beide Tastköpfe baue ich mir noch ein Netzteil mit 7805 + 7905 das die von meinem Oszi bereitgestellte Spannungen +/- 24V auf +/- 5V reduzieren wird. Ich habe mir als Versuch einen Tastkopf mit Schiebeschalter 2:1/10:1 gebaut, aber wegen Kapazitäten zwischen Kotakten des Umschalters war er leider unbrauchbar.
Und hier noch auf einen Blick die alle wichtigste Parameter des Tastkopfes:
Messbereich der Eingangsspannungen 0 bis +/-20 V
Teilung der Eingangsspannungen 10:1
Eingangsimpedanz 100 k / 1 pF
Bandbreite (-3 dB) DC bis min. 100 MHz
Versorgungsspannungen +/-5 V
Betriebstrom (ohne Eingangssignal) ca. 20 mA
Temperaturkoefizient TK = -2 mV/K im Temperaturbereich 20...40 °C
Max. zulässige Eingangsspannung (abhängig vom C1) +/-240 V DC bzw. 170 V AC.
MfGCode:+-------------------+------+------+---o +5V | | | | | ___ |/ | C4 --- +-|___|-+---+-----| T3 | µ1 --- | R4 3k | | |> | | C1 p4 4mAX | R5|6k8 | | === *|| | | .-. +---+ | GND +---||--+ | | | |C3|µ1 | | | || | |-+ C2--- | | --- .-. | | ___ | | T1 µ1--- '-' --- | |R6 X10mA <----+-|___|-+---+->|-+ | | | | |300 | R1 91k| | | +---+---+ '-' | | .-. | | | |/ Cm --- |*|R2 | === +----| T5 --- | |13k| GND | |> RG174 Oszi | '-' | |< | ____ - | | ~0V+-----------------| T4 0V+---(____(-+-(o) === === | |\ | | | - GND GND .-. | | === .-. | |*|R3 .-. | GND R10| |=== Cm = Montagekapazität | |1k | |R7 | 51| |GND '-' | |150 | '-' T1, T2 = BF245A | '-' | | | | |/ === T3 = BC547 | +----| T6 GND | | |> T4 = BF324 | .-. | GND | | | |R8 .-. === T5, T6 = BFR91A | |-+ | |150 |*|R9 | | | T2 '-' | |24 --- +->|-+ | '-' C5--- | 5mAX | µ1 | +--------------+------+------+---o -5VCode:\ .-------------------------------------------------------------. X------X--o--o--o--X--o--o--X--o--X--o--o--o--o--o--o--X GND | / | | +-|-----|----------\ -5V \ | | # DX| R5 | X--o--X--X | | | | T2 | | | | | | | | | R2 X SX/ X--C2-X R8 /XB R9 C5| | | | | \ | |/ | |/ | |X X X # X--XG R4 | X XC-R7-X T6 XE X | --------------- | | | | | | | | |X X X-R1-GX #R3# X | C3 /XB T4 XC-+->X-> Oszi | | C1 | |/-|--|--|---/ | | | | SX--X--X X X X--R6-XE-------XB | X | | T1 C| B E | | | | DX\ |T3 T5 XE C4 | | \ | | | | \-----X--o--o--o--o--o--o--XC-o--X +5V | '-------------------------------------------------------------' o freigelassene Lötpunkte X benutzte Lötpunkte - | Verbindungen mit emaliertem Draht 0,3 mm Als R2 sind zwei seriell und als R3 zwei paralell geschaltete Widerstände vorgesehen. Spannungen auf Transistoren in V G D S T1 0 0 +5 T2 -4,1 -5 B E C T3 +3,4 +2,7 +5 T4 0 +0,7 -3 T5 -4 -4,7 0 T6 +0,7 0 +5
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