Differentiële probe met TL081

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 functiegenerator. 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.

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:

1. Maar sinds ik een differentiële probe heb gebouwd natuurlijk niet meer… ↩︎
2. De simulator is Tina TI, te verkrijgen bij Texas Instruments. Het simulatiebestand staat in het topic op CO. ↩︎
3. Ik doe niet aan zinnen met maximaal 8 woorden. ↩︎
4. 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. ↩︎
5. 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 kristaloscilatoren meten, want 1 Mhz bandbreedte is daarvoor wat weinig. Dus ook geen zorgen over dat die door teveel capacitieve belasting zouden afslaan. ↩︎
6. Dus te weinig om aan de Hollandsche 240VAC netspanning te meten. ↩︎
7. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl081.pdf tabel 5.7 blz 13, positive en negatieve headroom beiden ongeveer max. 1 V ↩︎