Статья отредактирована 04.06.2025
Приветствую читателей моей странички, в этот раз хочу поделиться своим опытом изготовления «самодельного» щупа с делителем 1:10 для осциллографа, который получился с полосой пропускания 127 МГц. Слово «самодельный» поставил в кавычки, так как фактически корпус не делал, а взял заводской щуп P6100, разобрал его, заменил кабель и некоторые резисторы, после чего собрал обратно. Данная статья не несёт цели кого-то чему-то научить и не является инструкцией для повторения, а лишь предлагает желающим ознакомиться с результатами эксперимента автора и нюансами, которые возникли при внесении изменений в заводскую схему. Кто хочет более подробно ознакомиться с теоритической частью проектирования щупов осциллографа – рекомендую к прочтению хорошую статью, а также книжку от фирмы Tektronix на английском языке. Её первая и вторая главы были переведены на русский с помощью Google переводчика. Скачать можно в формате .docx, сохранять в pdf не стал, чтобы оставить возможность отредактировать. Моих знаний английского не хватает для грамотного перевода, поэтому, если кто скачает и внесёт правки, прошу поделиться со мной результатом, отправив на почту: sanichbogdan@yandex.ru, а я, в свою очередь, перезалью файл, чтобы и остальные могли воспользоваться откорректированным вариантом.
Первое, что хочется сказать по итогу эксперимента – это то, что я понял, почему хорошие щупы стоят дорого, их изготовление и калибровка, оказывается – это не такой простой процесс, как может показаться на первый взгляд. Скорее всего, каждый серьёзный щуп на 500 МГц калибруется на заводе индивидуально, так как просто собрать его по заранее спроектированной схеме не получится, а это дополнительные затраты, которые влияют на конечную стоимость продукта.
Второе – это то, что для бюджетных осциллографов с полосой пропускания до 100 МГц и частотой дискретизации, если речь о цифровых, до 250 Мвыб/с, с головой хватит китайского P6100 в пластмассовом корпусе. Такие приборы не рассчитан на исследование сигналов больше пары десятков мегагерц, а P6100 довольно неплохо себя показывает на частотах до 35 МГц. Его амплитудно-частотную характеристику, смоделированную в симуляторе LTspice XVII, и схему можно увидеть на рисунке ниже.
По поводу схемы уточню, в реальном щупе R3 состоит из двух SMD резисторов типоразмера 1206, 4,7 и 4,3 МОм, или из трёх резисторов по 3 МОм, кабель применяется с волновым сопротивлением 75 Ом.
Этот щуп полосу пропускания 100 МГц действительно даёт, даже немного больше, но после 2 МГц начинается плавное занижение амплитуды, которое к частоте 35,5 МГц достигает -0,5 Дб, а потом резкое завышение и на частоте 78,7 МГц оно доходит до 1,5 Дб. Этот момент нужно учитывать при использовании данного щупа с высокочастотными сигналами.
Для производства хороших высокочастотных щупов используется кабель с резистивной центральной жилой и волновым сопротивлением 175 – 200 Ом, что позволяет сделать АЧХ более плавной на спаде. Также применяется более сложная схема согласования линии передачи с нагрузкой. Ниже схема и АЧХ советского щупа И22.727.057-01, который шел в комплекте с осциллографом С1-99 на 100 МГц.
По итогам симуляции получилось время наростания 3,7нс при том, что генератор выдаёт 1нс. На сколько это соответствует реальности – сказать трудно, так как индуктивность L1 и L2, которая на самом деле является одной катушкой, намотанной на резисторе 1 кОм, с отводом от средней точки, подобрана в симуляторе, в документации на щуп она не указана.
Ёмкость входа осциллографа С1-99 25 пФ, на схеме у меня 30,5 пФ – это потому, что корпус щупа тоже имеет свою ёмкость, в районе 5,5 пФ, чтобы не указывать её в виде отдельного конденсатора, я просто прибавил её к ёмкости входа. Если сравнить АЧХ этого щупа с P6100 – видно, что на спаде она более гладкая и нигде нет резкого роста амплитуды. Такой результат достигается за счёт использования резистивной центральной жилы. Также, за счёт увеличения волнового сопротивления, снижается ёмкость кабеля, что позволяет установить меньшие номиналы C1 и C3, вследствие чего снижается входная ёмкость осциллографа. Для P6100 она будет равняться:
Для И22.727.057-01:
Думаю, объяснять, почему, чем меньше ёмкость входа – тем лучше, нет необходимости.
Изначально я хотел именно эту схему повторить, даже купил себе такой щуп, чтобы использовать в качестве эталона, но так как он был б/у, оказалось, что в нем повреждена центральная жила. Пришлось укоротить кабель на 7см, а это влечёт за собой необходимость в повторной калибровке и подборе номиналов R6, R7, R8, C3, C4, C5, а также индуктивности L (L1 и L2 на схеме). Кроме того, щуп на заводе был откалиброван под входную ёмкость конкретного осциллографа, конденсатор C3 в нём не подстроечный, а постоянный. Это, конечно, не самая большая проблема, но на данный момент откалибровать этот щуп под свой осциллограф так, чтобы получить вменяемое время нарастания, мне не удалось, поэтому пришлось пойти более лёгким путём. Если в будущем таки осилю настройку И22.727.057-01 – обязательно напишу отдельную статью по этому поводу.
И так, для улучшения АЧХ щупа P6100, необходимо, в первую очередь, заменить кабель на резистивный и с большим волновым сопротивлением. Для изготовления советских щупов применяли РК200-2-31 с волновым сопротивлением 200 Ом и погонной ёмкостью 27 пФ/м, но с его приобретением у меня возникли трудности, импортный аналог тоже не удалось найти, поэтому было принято решение самостоятельно изготовить подобный кабель. Центральная жила РК200-2-31 – это нихромовая нить диаметром 0,07 мм, в местном магазине такой я не нашёл, поэтому заказал на AliΕxpress, правда диаметром 0,08 мм, а пока она в пути – купил проволоку 0,2 мм, чтобы попробовать изготовить кабель с ней. В статье на habr.com написано, что John Kobbe вытащил центральную жилу из коаксиального кабеля и вставил туда высокоомную проволоку, как он это сделал – не знаю, но вытащить провод из современного коаксиального кабеля нереально. Во всяком случае, я не представляю, как это сделать без разделки самого кабеля, поэтому взял многожильный провод, с внешним диаметром изоляции около 2мм, разрезал его вдоль и через образовавшуюся щель вытащил сам проводник. Затем, через эту-же щель, заправил внутрь нихромовую нить 0,2 мм, после чего получившийся провод вставил в термоусадочную трубку диаметром 2 мм и при помощи фена усадил её. Далее, взял коаксиальный кабель 75 Ом – РК75-2-13, разрезал на нём изоляцию вдоль и снял экранирующую оплётку, после чего надел её на свой свежеизготовленный кабель с нихромовой проволокой внутри. Поверх ещё одну термусадочную трубку и коаксиальный кабель с резистивной центральной жилой готов.
Ёмкость этого кабеля вышла 42,3 пФ. Получился довольно жесткий провод с внешним диаметром 4 мм, для хвостовиков щупа и BNC-разъёма P6100 – он толстый, поэтому пришлось переделывать. Для изготовления второго варианта взял термоусадочную трубку 1 мм, вставил в неё нихромовую проволоку, усадил, поверх термоусадка 2 мм, далее экранирующая оплётка, но уже от кабеля 50 Ом с внешним диаметром 3мм, откушенным от ненужной GSM антенны, сверху ещё одна термоусадка и получился кабель с внешним диаметром 3,3 мм – в самый раз. Ёмкость второго кабеля вышла 38 пФ – ещё лучше, длина 0,96 м. Но для подборки компонентов в симуляторе необходимо знать ещё и индуктивность, а измерить её транзистор-тестером не получится, так как сопротивление центральной жилы теперь 29 Ом, поэтому пришлось идти обходным путём. Волновое сопротивление коаксиального кабеля можно рассчитать двумя способами, по соотношению ёмкости к индуктивности, или по геометрическим размерам самого кабеля. Первая формула выглядит так:
Z0 – это волновое сопротивление, Rseries – сопротивление центральной жилы, Gshunt – диэлектрические потери (близки к нулю, поэтому игнорируем), j – мнимая единица, ω – угловая частота, она равна 2πF, L – индуктивность, C – ёмкость. Из неё можно вывести формулу для индуктивности:
Но волновое сопротивление тоже неизвестно, поэтому определим его по геометрическим размерам. Формула выглядит так:
Где ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического заполнения кабеля, d – диаметр центральной жилы, а D – внутренний диаметр экранирующей оплётки, который равен внешнему диаметру изоляции центральной жилы. Чтобы не морочится с расчётами – можно воспользоваться онлайн калькулятором. Но тут возникает новая проблема, нам неизвестна относительная диэлектрическая проницаемость термоусадочной трубки, поэтому для начала я вбил в калькулятор 2,25, он считает не только только волновое сопротивление, но также ёмкость и индуктивность. Далее сравниваю расчётную ёмкость с измеренной и подбираю такое значение ε, чтобы они совпали. Получилось ε=1,58, для сравнения, у кабеля РК200-2-31 – 1,65, у РК75-2-13 – 2,3.
На этом основные параметры самодельного R-кабеля выяснены: R=29Ω, C=38pF, L=460нГ, Z0= 110Ω. Проверить значение индуктивности можно воспользовавшись выше приведённой формулой, но необходимо учитывать, что волновое сопротивление резистивного кабеля зависимо от частоты, и чтобы выйти на соотношение √(L/C), которое справедливо для кабеля без потерь, для расчёта необходимо брать частоту как можно больше. В книжке по проектированию щупов Tektronix написано, что она должна быть 100 МГц, но у меня результат расчётов стал совпадать, только когда я подставил 100 ГГц.
Для самопроверки и сравнения полученных результатов я решил попробовать вбить в онлайн калькулятор данные кабеля РК200-2-31. Диаметр центральной жилы указан вдокументации - 0,07 мм, внутренний диаметр оплётки был измерен штангенциркулем - 2мм, пускай +/- 0,2мм будет погрешность измерений. Относительная диэлектрическая проницаемость не указана, но есть коэффициент укорочения длины волны - 1,25, по нему калькулятор сам рассчитал проницаемость, вышло 1,56. При таких исходных данных погонная ёмкость вышла 25,9 пФ, а в документации 27 пФ. Изменение внутреннего диаметра оплётки от 1,8 до 2,2 не привело к получению погонной ёмкости 27 пФ, тогда я изменил относительную диэлектрическую проницаемость на 1,63. Ниже результат.
Волновое сопротивление вышло 157,4 Ω, а в документации указано 200 Ω, где ошибка? Если мы возьмём погонную ёмкость 27 пФ, индуктивность 670,48 нГн, как выдал калькулятор, подставим значения в формулу 2 и посчитаем Z0 при частоте 100 ГГц - получим волновое сопротивление 157,63 Ω, практически, как выдал калькулятор. Но если мы частоту снизим до 100 МГц - получим 204,78 Ω, почти, как в документации на кабель. Из этого был сделан вывод, что онлайн калькулятор выдаёт значение индуктивности, которое справедливо, как для кабеля без потерь, так и для резистивного кабеля, а вот волновое сопротивление справедливо только для кабеля без потерь, так как для резистивного кабеля оно указывается при частоте 100 МГц. В таком случае волновое сопротивление моего кабеля будет: Z0=√((2*π*100MHz*460,5nH+29Ω)/(2*π*100MHz*38,17pF))
Z0=√((29+2*3,14*100*10^6*460,5*10^-9)/(2*3,14*100*10^6*38,17*10^-12))
Z0=115,2 Ω.
Строго говоря, считать волновое сопротивление для симуляции было не обязательно, достаточно активного сопротивления, ёмкости и индуктивности, но разобраться в расчётах стоило, так как они могут пригодиться в будущем, когда необходимо будет узнать какой-то из параметров заводского кабеля, если в документации он не указан.
Когда все необходимые параметры известны – можно приступить к симуляции.
На рисунке выше АЧХ щупа P6100 c самодельным R-кабелем, волновое сопротивление которого 110 Ом, центральная жила 29 Ом. Снижение ёмкости самого кабеля дало возможность снизить ёмкость C1 с 12 до 10 пФ, что в итоге позволило снизить ёмкость входа осциллографа в режиме Х10 с 9,87 пФ до 9 пФ. Пускай результат и не самый лучший, но всё-же есть.
А это сравнение АЧХ, которое было, и каким стало. Результат очевиден, а это означает, что работа проделана не зря, но это всё симуляция, щуп необходимо проверить и откалибровать на практике, так как результат может не совпадать с ожидаемым. Для этого необходим источник прямоугольных импульсов с максимально быстрым нарастанием, частота подбирается как можно выше, но так, чтобы форму сигнала можно было хорошо рассмотреть на имеющемся осциллографе. Для моего ZEEWEII DSO 3D12, с частотой дискретизации 250 Мвыб/с, оптимальной оказалась частота 5МГц. Взял я её с отладочной платы STM32F407, с выхода тактирования процессора (MCO). ШИМ не подойдёт, там слишком большое время нарастания. Кто не умеет программировать, или не имеет такой отладочной платы – можно купить кварцевый генератор на необходимую частоту и взять прямоугольные импульсы с него, время нарастания у таких генераторов обычно небольшое, для настройки подойдёт. Для начала устанавливаем переключатель делителя в положение Х10 и проводим компенсацию на прямоугольном сигнале 1 кГц, как обычно. Затем переключаем щуп в режим Х1, подключаем к источнику прямоугольных импульсов с минимальным временем нарастания, в моём случае частота 5 МГц, и подбираем номинал R6 таким образом, чтобы форма сигнала была максимально приемлемой. Ожидать чёткого прямоугольника в режиме Х1 не приходится, но стараемся сделать минимально возможное время наростания и максимально ровную полку, для этого удобно установить переменный резистор на 200 Ом и крутить его в разные стороны, пока форма сигнала нас не удовлетворит.
Тут обращу внимание, что проводить такую калибровку щупа, а точнее – согласование линии передачи, с земляным крокодильчиком не получится, на частоте 5 МГц будут сильные искажения сигнала из-за паразитной индуктивности его провода. Необходимо использовать специальную земляную пружинку. В комплекте с P6100 они не идут, я докупал отдельно на AliExpress. Если её нет – можно взять медную проволочку, обмотать ею земляную часть наконечника щупа и согнуть так, чтобы можно было подключиться к земле источника сигнала как можно ближе, к самому источнику. Это не особо удобно, но, как выход из положения, если нет пружинки, сойдёт.
На рисунке ниже показано сравнение прямоугольника 5 МГц, который показывает осциллограф со щупом P6100 и с модернизированным щупом. Чтобы их различать, назовём его PR6127. Добавил букву R, так как кабель теперь с резистивной центральной жилой и 100 изменил на 127, так как согласно данным симулятора, полоса пропускания расширена до 127 МГц.
Можно увидеть, что у P6100 нарастание фронта быстрее, но вначале полки есть всплеск и сама полка волнистая. Настроить R6, чтобы получилось такое-же время нарастания можно было, но так как режим Х1 не предназначен для исследования частот выше 1 МГц – я сделал выбор в пользу ровной полки, время нарастания при этом увеличилось. Теперь можно выпаять переменный резистор, измерить его сопротивление, у меня вышло 75 Ом, и впаять постоянный. Я так и поступил. После этого переключаем делитель в режим X10 и смотрим этот-же сигнал, резистор R5 пока родной – 240 Ом. Подбираем его номинал таким образом, чтобы звон на фронтах был как можно меньше, но при этом, не в ущерб времени нарастания.
Здесь форма сигнала очень похожа, что не удивительно, так как на частоте 5 МГц АЧХ P6100 с родным кабелем – ровная, но всё-же заметно, что с резистивной центральной жилой звон немного меньше, а время нарастания такое самое. Такой формы сигнала удалось добиться с сопротивлением R5=307Ω. Такого номинала нет, поэтому я установил параллельно два резистора: 560 и 680 Ом, так как они в SMD корпусе – разместил один поверх другого, «бутербродом». Номиналы могли быть разными, я подбирал из тех, которые имелись в наличии. Формула для сопротивления параллельно соединённых резисторов выглядит следующим образом: R=(R1*R2)/(R1+R2).
При симуляции щуп P6100 показал максимальный всплеск амплитуды на частоте 78,7 МГц. Так как переписывать код для STM32 мне лень, чтобы получить на выходе MCO 78 МГц, сравнил измерения двумя щупами на ближайшей к ней, которую выдаёт моя отладочная плата – это 84 МГц.
На левом рисунке курсоры Y установлены на пиках красного сигнала, который захвачен щупом PR6127, dY = 3,28В, то есть размах сигнала не особо изменился по сравнению с тем, который мы видели на частоте 5 МГц. Тут следует учесть, что на этой частоте мой осциллограф включает интерполяцию, , в данном случае – sin(x, x), поэтому напряжение всё-таки немного завышено. На 5 МГц оно было 3,11В, но это скорее связано с частотой дискретизации осциллографа, чем со щупом.
На правом рисунке курсоры уже установлены на пиках желтого сигнала, который захвачен щупом P6100, dY = 3,76В. Это тот самый резкий рост амплитуды, который мы видели в симуляторе. Выходит, результат симуляции оказался верным, замена кабеля на резистивный дала свой результат, АЧХ удалось сделать более плавной. Таким щупом уже можно исследовать сигналы в пределах всей его полосы пропускания, если характеристики осциллографа позволяют.
Подводя итоги, скажу, что в целом, результатом эксперимента доволен. Щуп, который получился, буду использовать при работе с осциллографом, так как его характеристики вышли лучше, чем с родным кабелем. Если кому-то нужны схемы – на рисунках ниже они в удобном формате со всей необходимой информацией.
Благодарю всех, кто дочитал до конца, в видео на Дзен и на YouTube показано, как разбираются щупы P6100, на тот случай, если кто-то захочет повторить мой эксперимент и модернизировать свой щуп. Как приедет из Китая нихромовая проволока 0,08 мм – обязательно продолжу эксперименты, если будут успешными, и получится сделать щуп, хотя-бы на 200 МГц – напишу о нём отдельную статью.