Изолирующий усилитель (гальваническая развязка) для осциллографа

Автор: Andrey_B
Опубликовано 19.09.2020
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2020!"

 Некоторые специализированные, дорогие модели осциллографов имеют гальванически изолированные друг от друга входные каналы Y, а практически все массовые, бюджетные 2х и 4х-канальных осциллографы такой особенности лишены. Это сильно затрудняет или даже делает невозможным, в некоторых ситуациях применять такой осциллограф. Так в очередной раз столкнувшись с этой проблемой и не найдя ни одной любительской конструкции на эту тему, взялся за ее решение. Результаты копания в загашниках компонентов определили элементную базу и соответственно ожидаемые характеристики.

 Описываемый в этой статье изолирующий усилитель конечно не обладает полноценным входом, как в промышленных осциллографах, но во многих случаях позволит одновременно наблюдать сигналы, имеющие разный потенциал общего провода (земли). Применение этого изолирующего усилителя будет так-же полезно и с 1-канальным осциллографом, оснащенным отдельным входом внешней синхронизации, позволяя увязать процессы в разных цепях по времени. Питание усилителя осуществляется от разъема USB, который как правило, тоже присутствует на осциллографе, или от отдельного адаптера +5VDC.

     ТТХ изолирующего усилителя:

Допустимый потенциал между входом и выходом: 500VDC.
Входное сопротивление: 50кОм.
Переключатель постоянного/переменного входного напряжение.
Плавный входной делитель напряжения: 1:1...1:100.
Диапазон входного напряжения (при 1:1): -1.6В...+1.6В.
Диапазон выходного напряжения аналогового канала: 0В...+3.3В.
Средняя точка выхода аналогового канала: +1.6В.
Входной порог срабатывания логического канала: +150мВ.
Диапазон выходного напряжения логического канала: 0В/+3.3В.
Частота оцифровки аналогового канала: 495кГц.
Полоса пропускания аналогового канала: 240кГц.
Разрядность аналогового канала: 10бит.
Задержка сигнала в аналоговом канале: 5мкс.
Задержка сигнала в логическом канале: 200нс.
Максимальная частота логического канала (меандр 3.3В): 9.3МГц.
Индикация (светодиоды):
  - включение (поток с входной части).
  - лог.1 в логическом канале (регистрация коротких импульсов).
  - перегрузка аналогового входа (в том числе на короткое время).
Ток потребления: 92мА.
Размеры: 92х58х43мм.

 Схема состоит из двух частей, гальванически изолированных друг от друга. В каждой части имеется микроконтроллер, который производит обработку сигнала. Первый микроконтроллер оцифровывает входной аналоговый сигнал встроенным ADC и использую канал DMA отправляет поток в модуль SPI. Далее, через схему гальванической развязки, поток данных попадает на второй микроконтроллер, который из принятого собственным модулем SPI потока, с помощью встроенного DAC, восстанавливает аналоговый сигнал.

 Входной сигнал с коаксиального разъема, проходит через конденсатор, которым можно отсечь постоянное напряжение. Далее сигнал поступает на плавный делитель напряжения, в качестве которого использован переменный резистор. С делителя сигнал идет на встроенный в микроконтроллер компаратор (ножка PA1), а также через повторитель на ОУ, на вход АЦП (ножка PA2). На выходе ЦАП (ножка PA4) формируется напряжение средней точки, которое после еще одного повторителя на ОУ, будет являться входной виртуальной землей. Это необходимо, чтобы АЦП микроконтроллера смог работать и с отрицательными входными сигналами. На резисторах R4R5 собран делитель смещения второго входа встроенного компаратора (ножка PA0). Для ускорения прохождения сигнала логического канала, выход компаратора (ножка PA6) подключен непосредственно к схеме гальванической развязки.

 К микроконтроллеру входной части подключено два светодиода. HL1 индицирует состояние логического канала, обозначая заметными вспышками даже очень короткие импульсы. HL3 аналогично индицирует перегрузку (клиппинг) аналогового канала. Светодиод HL2 выходной части горит при наличии потока данных с входной части.
Питание входной части осуществляется через гальванически развязанный DC-DC преобразователь DC0509C2 или подобный 5В в 9В в корпусе DIP-24. Такие преобразователи, в свое время, массово применялись в сетевых картах с выходом на коаксиальный кабель (с разъемом BNC).

 Проект для микроконтроллеров делался в Keil uVision 5, прошивки написаны с использованием библиотек SPL (Standard Peripherals Library). Прошиваются микроконтроллеры каждый своей прошивкой через SWD (программатором ST-LINK/V2).
Компоненты. Микроконтроллеры STM32F051K6T6 или STM32F051K8T6. ОУ - rail to rail, MCP6022, MCP6002 и др. Изоляторы - ADUM1200 или другие из этой серии, на суммарное количество каналов в одну сторону не менее 4. С существенными переделками возможно применение быстрых оптронов типа 6N137 и подобных. Тумблеры и переменный резистор любые, подходящих размеров. Переменный резистор может иметь сопротивление 50-220кОм или больше.

 Проект печатной платы сделан в PCAD2006. Плата разведена в Topor'е под корпус Sanhe 20-22. Корпус идеально вписался в некрасивую пустоту передней панели осциллографа :-)

Изготовление платы возможно по лазерно-утюговой технологии. Сборка не сложна, достаточно просверлить в корпусе отверстия под разъем, тумблеры, переменный резистор, светодиоды и выходные кабели. После установки всех компонентов в корпус, произвести все соединения проводами наименьшей длины. Напечатать и наклеить на корпус бумажки с подписями.

Усилитель не имеет особой защиты входа, это предъявляет к процессу использования определенные требования. Сначала нужно подключить к исследуемой цепи один канал осциллографа и ориентировочно определить размах сигнала. Затем через изолирующий усилитель подключить второй канал к той-же точке и плавным делителем привести размах сигнала к реальной размерности В/дел. После этого можно переносить первый канал осциллографа на другой участок цепи, с другим потенциалом земли.

Картинки. Желтый луч - входной сигнал, голубой - выход изолирующего усилителя.
Аналоговый канал:

Логический канал:

Файлы:
Наклейки (sPlan)
Прошивка и исходники
Гербер
Проект в PCAD2006
Плата для ЛУТ и монтажка
Принципиальная схема

Все вопросы в Форум.