Je kent dat wel: van die situaties dat je met een oscilloscoop over een (shunt)weerstand in de positieve voedingslijn wilt meten, terwijl de ground van je schakeling al verbonden is met de ground van de oscilloscoop via de ground van je functie-generator. Het komt vaker voor dan je denkt1 😛
Natuurlijk kun je dan 2 kanalen van je oscilloscoop gebruiken, en aan beide kanten van de weerstand meten, A-B doen, en zo de spanning over de weerstand te meten zonder dat 1 van de kanten van de weerstand met ground verbonden hoeft te worden. Of je voedt je functiegenerator uit een accu. Maar je kunt ook een differentiële probe gebruiken.
Ik heb dus een differentiële probe gebouwd. Oorspronkelijk dacht ik het ontwerp van pros te gebruiken, maar gaandeweg veranderde dat plan.
In dit topic op circuitsonline.net is het hele verhaal chronologisch te volgen.
Uiteindelijk kwam ik uit op dit schema, na in een simulator te hebben gespeeld met het circuit van een differentiële versterker op basis van 3 opamps 2.
Om de probe niet met ±15V uit een externe bron, maar vanuit de USB van de ‘scope te voeden zijn een Traco TBA1-0523E, 7812 en 7912 en randcomponenten (condensatoren) toegevoegd, evenals een USB-connector3. SW1 om naar 1:4 om te schakelen heb ik niet geplaatst.
De probe heeft een bandbreedte (-3db) van ongeveer 1 MHz4, een ingangscapaciteit van < 1 pF5 en kan in theorie spanningsverschillen meten tot zo’n 200VDC6, maar gezien de opbouw op eilandjesprint liever niet. (De ingangsdeler is 1:20, de opamps worden met ± 12 V gevoed en kunnen dus tot ± 11 V uitsturen7. )
Als ik er nog een bouw, houd ik vanaf het begin rekening met welk kastje het in moet passen, want de print achteraf pas maken voor het (later gekochte) kastje was erg onhandig.
Alle specificaties8 in een tabelletje:
| Overzetverhouding | 1:20 |
| Onnauwkeurigheid overzetverhouding | 0.5%9 |
| Maximale ingangsspanning (Vpp) | 50 V ivm. opbouw. Theoretisch 220 V10 |
| Bandbreedte | 1 Mhz |
| Offset | < 5 mVpp (typ. -2 mVpp) |
| Uitgangsspanning bij kortgesloten ingang (ruis) | <1.5 mV (typ. 1.3 mVpp) |
| Delay time11 | 290 ns |
| Rise time12 | 250 ns13 |
| Ingangsimpedantie | 482 kOhm + 1 pF |
| Uitgangsimpedantie | 50 Ohm |
| Maximale uitgangsspanning | 11 V (positief of negatief) |
| Voedingsspanning | 5 VDC14 |
| Opgenomen vermogen uit voeding | 605 mW15 |
| CMRR bij 50 Hz | -42 dBV16 |
| CMRR bij 20 kHz | -33 dBV17 |
| CMRR bij 1 MHz | -17,6 dBV 18 |
Interessante links / bronnen:
- https://www.circuitsonline.net/forum/view/162408
- http://prosje.be/Projects/DifferetieleProbe.html
- https://github.com/wingel/diff-probe
- https://circuitcellar.com/research-design-hub/high-voltage-differential-probe/
- Op-Amps for everyone, A3.9 en 3.13
Voetnoten:
- Maar sinds ik een differentiële probe heb gebouwd natuurlijk niet meer… ↩︎
- De simulator is Tina TI, te verkrijgen bij Texas Instruments. Het simulatiebestand staat in het topic op CO en ook hier. ↩︎
- Ik doe niet aan zinnen met maximaal 8 woorden. ↩︎
- Bij gebruik als 1:20 probe. Bij 1:4 zou het in 200 kHz worden, omdat het GBW gelijk blijft en de opamp 5 keer moet versterken. ↩︎
- Minder dan 1 pF geschat op basis van de 8 maal 6.8pF in serie, met nog 2 maal ongeveer 20 pF in serie, plus nog allerhande parasitaire capaciteit die de ingangscapaciteit weer verhoogt. Waardoor ik er eigenlijk niks van kan zeggen. Maar ik ga er toch niet meer aan kristal-oscillatoren meten, want 1 Mhz bandbreedte is daarvoor wat weinig. Dus ook geen zorgen over dat die door teveel capacitieve belasting zouden afslaan. ↩︎
- Dus te weinig om aan de Hollandsche 240VAC netspanning te meten. ↩︎
- https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl081.pdf tabel 5.7 blz 13, positieve en negatieve headroom beiden ongeveer max. 1 V ↩︎
- In plaats van meten mét een differentiële probe, kun je ook meten áán een differentiële probe. 07-2025 deed ik dat en voegde deze tabel aan de blogpost toe. ↩︎
- Dankzij Rcomp. Bij 20,03 V aan de ingang komt er 0,998 V aan de uitgang. Bij 10,02V aan de ingang komt er 0,499 V aan de uitgang. ↩︎
- Overzetverhouding maal maximale uitgangsspanning ↩︎
- Gemeten tijd tussen ingangspuls en uitgangspuls. Ik koos ervoor bij 50% van de opgaande flank te meten (‘nuldoorgang van -2.5 naar +2.5V’), omdat dat makkelijker is dan zien waar de flank begint. ↩︎
- Gemeten ristetime van het uitgangssignaal bij een ingangssignaal van 100 kHz met een risetime van 19 ns, niet gecompenseerd voor ristetime van oscilloscope etc. Dus eigenlijk is de probe net iets sneller. √(250²-3.5²-19²)=249 ns ↩︎
- Op basis daarvan zou de bandbreedte 1.4 MHz moeten bedragen. Het -3dB punt ligt inderdaad boven de 1 MHz, maar niet zo ver. ↩︎
- Wordt intern omgezet naar 12V symmetrisch ↩︎
- Wanneer er niks op de differentiële probe is aangesloten en er niks mee gemeten wordt. ↩︎
- Bij 20Vpp common-mode (tussen ingangen en GND – beide ingangen aan elkaar verbonden dus) komt er 1.3 mVpp uit. 10*log (Vuit/Vin). ↩︎
- 20Vpp CM, 10 mVpp uit ↩︎
- 20Vpp CM, 350 mVpp uit ↩︎
Leave a Reply