|
Als u de bandbreedte en de stijgtijd van uw oscilloscoop wilt controleren hebt u een zeer snelle puls nodig. Dit kleine goedkope printje levert zo'n puls met een stijgtijd van slechts 180 ps.
|
De noodzaak van een snelle puls
Zijn de specificaties van uw oscilloscoop betrouwbaar?
De specificaties van moderne low-cost oscilloscopen beweren dat de bandbreedte 100 MHz en soms zelfs 200 MHz bedraagt en dat bij stijgtijden van minder dan 5 ns. Sommige, voornamelijk Chinese, leveranciers willen hun specificaties echter nogal eens sterk overdrijven. De bandbreedte en de stijgtijd van uw oscilloscoop moeten echter betrouwbaar zijn om de weergave van snelle signalen goed te kunnen interpreteren. Controleren van die twee parameters is dus nuttig, maar hoe doet u dat?
Definities van bandbreedte en stijgtijd
Misschien is het voor sommige lezers en lezeressen noodzakelijk eerst even toe te lichten wat wordt verstaan onder 'bandbreedte' en 'stijgtijd' van een oscilloscoop.
De bandbreedte is de frequentie waarbij de schermweergave van een sinussignaal 3 dB kleiner is dan de weergave van een even groot 1 MHz sinussignaal. Omgerekend naar lengte-eenheid komt dat overeen met een afname van de scherm-amplitude met een factor 0,707. Als een 1 MHz sinus wordt weergegeven met een hoogte van 10 cm, dan wordt de bandbreedte bepaald door de frequentie van een even groot signaal dat met een hoogte van slechts 7,07 cm op het scherm van uw oscilloscoop verschijnt. In het onderstaande voorbeeld links zou de oscilloscoop een bandbreedte van ongeveer 64 MHz hebben.
De stijgtijd is de tijd die uw oscilloscoop er over doet om 80 % van de voorflank van een extreem snelle puls weer te geven. Zoals uit de rechter afbeelding blijkt rekent men die 80 % van het tijdstip t1 waarop het apparaat 10 % van de amplitude heeft geschreven tot het tijdstip t2 waarop 90 % van de amplitude is geschreven. In dit voorbeeld is de stijgtijd dus gelijk aan het tijdsverloop tussen de tijdstippen t1 en t2.
 |
| Definitie van de bandbreedte en de stijgtijd van een oscilloscoop. (© 2023 Jos Verstraten) |
Methode 1: gebruik van een HF sinusgenerator
De eerste methode om de bandbreedte van uw oscilloscoop te controleren is gebruik te maken van een zeer breedbandige sinusgenerator. Voorwaarde is wél dat dit apparaat gegarandeerd een absoluut rechte amplitude/frequentie-karakteristiek heeft. Hiermee wordt bedoeld dat als u een uitgangsspanning van 1,0 V instelt het apparaat bij alle frequenties een uitgangsspanning van 1,0 V levert. Dat zou u eventueel kunnen controleren met een breedbandige wisselspanningsmeter. In de onderstaande figuur zie u hoe zo'n meting gaat. U voert eerst een signaal toe met een frequentie van 1 MHz en zet de horizontale cursors op de toppen van de sinus. U voert langzaam de frequentie op waarbij u de gevoeligheid van de oscilloscoop uiteraard in dezelfde stand laat staan. De tijdbasis mag u wél sneller instellen. U ziet het signaal op het scherm steeds kleiner worden. Ergens is een frequentie waarbij de top-tot-top waarde van de sinus gelijk wordt aan 70 % van de afstand tussen de twee cursors.
Dát is de bandbreedte van de oscilloscoop. In het onderstaand weergegeven voorbeeld hebben wij de bandbreedte van een oscilloscoop gecontroleerd die volgens de fabrikant een bandbreedte van 100 MHz heeft. U ziet dat dit onzin in, zelfs bij 25 MHz is de top-tot-top waarde van de sinus kleiner dan 70 % van de afstand tussen de cursors.
Een mooie manier voor het meten van de bandbreedte van een oscilloscoop! Het enige probleem van deze methode is dat u waarschijnlijk geen sinusgenerator en een voltmeter hebt die signalen tot 100 MHz leveren of meten en dit met een absoluut vlakke amplitude/frequentie-karakteristiek. Dergelijke apparaten zijn, zelfs tweede- of derdehands, nogal prijzig!
 |
| Controleren van de bandbreedte met een HF-sinusgenerator. (© 2023 Jos Verstraten) |
Methode 2: gebruik van een extreem snelle pulsgenerator
Er bestaat een wiskundig verband tussen de bandbreedte en de stijgtijd van een oscilloscoop:
Bandbreedte (MHz) = 350 / stijgtijd (ns)
Als u een stijgtijd meet van 10 ns, dan heeft uw oscilloscoop een bandbreedte van 35 MHz.
Voor deze meting hebt u dus een pulsgenerator nodig die een mooie rechthoekvormig signaal aflevert met een stijgtijd die veel en veel kleiner is dan de stijgtijd van uw oscilloscoop. U moet immers alleen de stijgtijd van de oscilloscoop meten en niet deze van de oscilloscoop plus de stijgtijd van de ingangpuls!
Maar.... waar haalt u zo'n pulsgenerator vandaan tegen een betaalbare prijs? Een Engelse firma, Leo Bodnar Electronics, heeft een printje ontworpen dat een rechthoekvormig signaal met een frequentie van 10 MHz levert met een gegarandeerde stijgtijd van minder dan 40 ps (picoseconden)! Dat printje wordt gevoed uit een 5 V spanning en heeft een BNC-connector die u rechtstreeks in de ingangsbus van uw oscilloscoop kunt prikken. Die stijgtijd van 40 ps is zoveel kleiner dan de stijgtijd van een betaalbare oscilloscoop dat u de puls als ideaal kunt beschouwen. De stijgtijd die u op het scherm ziet geeft dan uitsluitend de stijgtijd van uw oscilloscoop weer.
Dit printje kost € 75,36 en met een beetje pech komen daar nog eens de BTW en invoerrechten bij. Het Verenigd Koninkrijk is immers geen lid meer van de EU.
Een goedkoop Chinees alternatief
Fast edge pulse generator 180 ps
Door het Chinese bedrijf Changsha Findra Trading Co. wordt uitsluitend via AliExpress een goedkoop alternatief voor het Bodnar-printje aangeboden. Dat heeft weliswaar een stijgtijd van 180 ps in plaats van 40 ps maar voor het testen van de low-cost oscilloscopen waarmee u waarschijnlijk werkt is dat goed genoeg. Dat printje, voorgesteld in de onderstaande figuur, krijgt u al voor € 46,62 in huis. Het is leverbaar in twee versies, namelijk met uitgangsfrequenties van 5 kHz of 1 MHz. Wij bestelden de 1 MHz versie.
Aanklikbare link ➡ Rechtstreeks naar de AliExpress-pagina
Uiterlijk lijkt het al twee druppels water op het Bodnar-printje. Het is 3,6 cm bij 3,6 cm groot en bevat aan de ene kant een USB-B connector voor de voeding en aan de andere kant een BNC-connector voor het aansluiten op de oscilloscoop. Maar daar houdt de gelijkenis dan ook mee op! Dit printje werkt namelijk op een heel andere manier.
 |
| Het 'fast edge pulse generator 180 ps' printje. (© Changsha Findra Trading) |
De elektronica van de schakeling
In de onderstaande foto ziet u beide kanten van het aan ons geleverde printje. Dat ziet er iets andere uit dan het printje op de vorige foto. Er zijn blijkbaar diverse versies in omloop, wij hebben versie 1.0.4 gekregen. De foto op de website van de leverancier is versie 1.0.3.
Rechtsonder zit een driepoot, dat is uiteraard een spanningsstabilisator. Gekozen is voor een 7533-1, een 3,3 V stabilisator die 100 mA kan leveren. Helemaal in de rechteronderhoek zit een weerstandje R3 en een LED D1 die gaat branden op het moment dat u het printje met de meegeleverde USB-A naar USB-B kabel aansluit op een 5 V voeding.
Links boven ziet u een grijs blokje. Dat is een SCTF 1.000 kristaloscillator die een mooie 1 MHz puls levert aan een 6-polig chipje met als SMD-code GOS. Zoeken in de SMD-bijbel levert op dat dit een ADCMP606 moet zijn. Dit is een zeer snelle comparator van Analog Devices met een stijgtijd op de uitgang van slechts 160 ps.
De werking van het printje wordt nu duidelijk. Het uitgangssignaal van de kristaloscillator wordt in deze comparator vergeleken met een gelijkspanning die gelijk is aan de helft van de voedingsspanning. Het gevolg is dat de uitgang van de comparator zeer snel omschakelt tussen 'L' en 'H' en uiteraard vice versa. En voilà, daar is de zeer snelle rechthoekvormige puls met de zeer steile voorflank die u zo graag wilt hebben!
 |
| Beide zijden van het printje. (© 2023 Jos Verstraten) |
De ADCMP606 van Analog Devices
In de onderstaande figuur hebben wij het intern blokschema, de aansluitingen en de schakeling van de eindtrap van dit IC samengevat. De comparator heeft twee uitgangen waarvan er in deze toepassing maar één wordt gebruikt. De twee eindtransistoren hebben 50 Ω weerstanden naar de voedingsspanning.
De eindtrap werkt volgens de CML-technologie. Dat letterwoord staat voor 'Current Mode Logic'. Het principe van deze logica is dat een constante stroombron zijn stroom verdeelt tussen de twee eindtransistoren en ofwel de ene ofwel de andere met de grootste stroom stuurt. Hierdoor blijven de eindtransistoren ver weg van verzadiging en van sper, waardoor de halfgeleiders heel snel omschakelen van de ene naar de andere logische toestand. Nadeel is wel dat de amplitude van de uitgangsspanning niet veel meer dan een halve volt bedraagt. Voor deze toepassing is dat uiteraard geen nadeel.
 |
| De ADCMP606 van Analog Devices. (© Analog Devices) |
Het volledig schema van het printje
Het is nu niet erg moeilijk om het schema van de schakeling uit de print lay-out te reconstrueren. Het resultaat is weergegeven in de onderstaande figuur.
 |
| Het totale schema van dit printje. (© 2023 Jos Verstraten) |
De uitgangspuls volgens de leverancier
Op de site van de leverancier staat een mooie screendump van het scherm van een 4 GHz oscilloscoop waarop het uitgangssignaal van de print is te zien. Wij publiceren dit in de onderstaande afbeelding, maar met in ons achterhoofd het gezegde 'de slager keurt zijn eigen vlees'. Wij hebben geen oscilloscoop met een dergelijke bandbreedte, wij kunnen deze claim dus niet controleren. Maar het data-sheet van Analog Devices is duidelijk wat betreft de stijgtijd van de ADCMP606, het zal dus wel kloppen,
 |
| Het uitgangssignaal van het printje volgens de leverancier. (© Changsha Findra Trading) |
Onze praktijkervaring met deze module
Aansluiten
U kunt het printje met de meegeleverde USB-kabel aansluiten op een 5 V netstekker voeding. Nadien plugt u de BNC-connector in een van de ingangen van uw oscilloscoop.
 |
| Het printje aangesloten op onze XDS2192A van OWON. (© 2023 Jos Verstraten) |
Het uitgangssignaal van het printje
In het onderstaand oscillogram ziet u het uitgangssignaal van deze 'fast edge pulse generator'. Volgens onze oscilloscoop bedraagt de amplitude van het uitgangssignaal 579,0 mV en volgens onze TFC-1000L frequentiemeter bedraagt de frequentie 1,000.005 MHz.
 |
| Het uitgangssignaal van het printje. (© 2023 Jos Verstraten) |
Meten van de stijgtijd en bandbreedte van de XDS2192A van OWON
Volgens de specificaties heeft deze oscilloscoop een bandbreedte van 100 MHz en een stijgtijd van 3,5 ns. Volgens de reeds genoemde formule:
Bandbreedte (MHz) = 350 / stijgtijd (ns)
kloppen deze cijfers dus. Tijd om dit te testen!
In de onderstaande foto hebben wij de tijdbasis ingesteld op 5 ns/div. Om de stijgtijd in perspectief te plaatsen hebben wij op het tweede kanaal het uitgangssignaal van onze pulsgenerator PM5704 van Philips aangesloten, ingesteld op 1 MHz en afgesloten met een 50 Ω terminator. Volgens Philips heeft dit apparaat een stijgtijd van 12 ns.
De XDS2192A meet zijn eigen stijgtijd als 2,6 ns en die van de PM5704 als 13,7 ns. In die tijd zit uiteraard ook de stijgtijd van de oscilloscoop zélf verdisconteerd.
Twee stijgtijden zijn niet zonder meer bij elkaar op te tellen. De formule hiervoor is:
stijgtijdgenerator = √ [(stijgtijdgemeten)² - (stijgtijdoscilloscoop)²]
Uitgerekend voor dit voorbeeld:
stijgtijdgenerator = √ [(13,7)² - (2,6)²]
stijgtijdgenerator = √ [187,69 - 6,76]
stijgtijdgenerator = √ 180,93
stijgtijdgenerator = 13,45 ns
Op deze manier kunt u dus met uw stijgtijd-geijkte oscilloscoop de stijgtijd van signalen berekenen.
 |
| Meten van de stijgtijd van de XDS2192A. (© 2023 Jos Verstraten) |
Fast edge pulse generator
