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解決済みの質問

オシロスコープの自作 アッテネータの回路

http://www.ne.jp/asahi/shared/o-family/ElecRoom/AVRMCOM/AVROscilo2/AVROscilo2.html

http://pub.idisk-just.com/fview/6bku9rm6mDiXCtJ00psUq6qedPJwEUsyfzQV9M6vXjXKII7qFZ4qaovOoLY5-1ll__CgeEk5IVK4Hxu31s4jrf9qHKkDb3Ru.gif
この辺りを参考に、

簡易オシロスコープを自作しようと考えているのですが、
アッテネータの仕組みについて質問させて下さい。

回路図中のTC4052はアナログスイッチで、
X0~X3の端子とXcomがスイッチされる仕組みになっています。

参考:TC4052のデータシート
https://www.marutsu.co.jp/data/TC4052B.pdf

オシロの入力インピーダンスは1MΩですが、
この回路図のアッテネータだと、
TC4052のX0~X3のいずれかの端子の入力が
GND(Xcom)に接続に接続された場合、

1MΩ

10KΩ+(1K+51)or(2.4K)or(10K)
の並列の抵抗値がオシロの入力インピーダンスになってしまうので、
この回路図は間違っていると考えていいでしょうか?

そう言った訳で、アッテネータを以下の様な回路で組もうと思うのですが、
……こんな感じでいいのでしょうか?

入力信号

抵9MΩ(プローブ)

|(1/10出力)1
抵500kΩ

|(1/20出力)1/2
抵250kΩ

|(1/40出力)1/4
抵250kΩ


GND

で、1/10、1/20、1/40、出力をTC4052などのアナログスイッチへつなぐ。
本当は上の参考にした回路図の様にアナログスイッチにいれる前にショットキーバリアダイオードで保護したかったのですが、
9MΩのプローブを繋ぐのであれば、±50Vでも、±5Vになるので、大丈夫かな……と。

それよりも、アナログスイッチで信号がどのように変化するかが心配ですが……。

よろしくお願いします。

投稿日時 - 2013-12-12 00:20:04

QNo.8382889

困ってます

質問者が選んだベストアンサー

>電源が入っていない状態でオペアンプに入力電圧が加わった場合、どうなるのでしょうか?
AD8066のデータシートの絶対最大定格の項目に
コモンモード入力電圧. . . . . . .Vee-0.5V~Vcc+0.5V
と有ります。
電源オフではVee=Vcc=0Vなので、入力に許される電圧は-0.5V~+0.5Vです。
実際には9MΩの抵抗(+約15pFコンデンサ)で電流が制限されるのでこれだけの電圧が加わる事は無いでしょう。
ただし、プローブをつなげない場合には直接電圧が加わるので、その場合でも壊れないように考慮する必要が有ります。

オペアンプの入力には保護回路が入っているので多少の静電気などは大丈夫ですが、外部電圧が直接加わるような場合には保護回路を付けくわえる必要が有ります。
保護の範囲を広くすると性能が低下するので、どれぐらいにするのかは設計者の腕の見せ所です。

静電気への耐性については規格が有ります。
http://www.rcj.or.jp/ESDC/ESDCbulletin/ESD%20Standards%202012.pdf
http://ednjapan.com/edn/articles/1202/14/news078.html

投稿日時 - 2013-12-17 09:25:59

お礼

>コモンモード入力電圧. . . . . . .Vee-0.5V~Vcc+0.5Vと有ります。
>電源オフではVee=Vcc=0Vなので、入力に許される電圧は-0.5V~+0.5Vです。

なるほど、データシートはこうやって見るんですね^^
動作電圧内なら大丈夫!と言うのは危ない発想でした。
適当な大きさの保護抵抗を入れる事にします。

>オペアンプの入力には保護回路が入っているので多少の静電気などは大丈夫ですが、外部電圧が直接加わるような場合には保護回路を付けくわえる必要が有ります。
>保護の範囲を広くすると性能が低下するので、どれぐらいにするのかは設計者の腕の見せ所です。

本当にこれです。保護範囲は広く取りたいけれど、広くすれば性能が低下する。
まともに回路を設計するのは今回が初めてですが、世の製品がこういった事を一通り考えて作られている事を思うと、すごいですね。(ダメな製品もありますが……

一応保護ダイオードは付けることになりそうです。


>静電気への耐性については規格が有ります。

規格があった事を知りませんでした。
一読はしましたが、ちょっと難しくて困り者ですね。
耐久試験の方法はいろいろと出てくるのですが、結局何をどのように対策をすればいいのか、まだ良く分かってないです。

取りあえず存在を知ったのでもう何度か調べてたり読み返したりして、分からなければまたお世話になろうと思います。
その時はまだどうぞよろしくお願いします。

本当にいつもtadysさんのご回答は的確で勉強になります。
気が付けば当初の質問内容から逸れてしまいましたけど、親切で的確なご回答大変助かりました。
度々本当にありがとうございました。

投稿日時 - 2013-12-18 18:12:51

ANo.4

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回答(4)

ANo.3

>今回は、プローブは自作では無く、一本1000円くらいの秋月電子のプローブ
オシロのプローブを使うのであれば、プローブに直接アッテネータをつなげるのではなく、バッファでインピーダンス変換をしてからアッテネータをつなげます。
こうすればアッテネータに使う抵抗値を数kΩの値に出来るので周波数特性をあまり気にする必要が無くなります。

>秋月の(60Mhzの)プローブが15pF+(10~50pF)
これは、バッファの入力インピーダンスが1MΩ+(10~50pF)の場合に対応できると言う事です。
15pFは調整した後のプローブ先端から見た容量です。

投稿日時 - 2013-12-13 04:48:36

補足

素早いご回答ありがとうございます。
その日の内に読んではいたのですが、悩んだり、(理解の足りない所などを)いろいろと調べている内に随分と返答が遅くなりました。
申し訳ないです。

>オシロのプローブを使うのであれば、プローブに直接アッテネータをつなげるのではなく、バッファでインピーダンス変換をしてからアッテネータをつなげます。
>こうすればアッテネータに使う抵抗値を数kΩの値に出来るので周波数特性をあまり気にする必要が無くなります。

なるほど……。
バッファと言うのはOPアンプの電圧フォロアの事ですよね?(たぶん

しかしオペアンプと言っても入力バイアス電流があるのでどうした物かと思っていましたが、AD8066とかなら帯域も広く、バイアス電流も最大7pAなので大丈夫そうでした。

参考
マルツパーツ館:http://www.marutsu.co.jp/shohin_55269/
データシート:https://www.marutsu.co.jp/data/AD8066.pdf

回答No.2より、
>ショットキーダイオードはリーク電流が多いので注意が必要です。
との事なので、少し悩みましたが、電圧フォロアの最大入力電圧を自作簡易オシロの最大入力電圧としようと思います。(保護されていないと言うのは少し不安ですけど。
(要するに、9Mと1Mで分圧してそこからOPアンプに直結)


>>秋月の(60Mhzの)プローブが15pF+(10~50pF)
>これは、バッファの入力インピーダンスが1MΩ+(10~50pF)の場合に対応できると言う事です。
>15pFは調整した後のプローブ先端から見た容量です。
飛んだ勘違いをしていたようです。
AD8066は、おそらく入力容量(=コモンモード入力インピーダンス??)が

コモンモード入力インピーダンスが「1000||2.1」「GΩ||pF」

としてあるので、おそらく、プローブの校正範囲内には収まるかな?(配線の取り回しが問題になるのは恐ろしいですが、、、


「レール・ツー・レール出力」としてあるのは助かりますね。


ここで問題なのですが、
電源が入っていない状態でオペアンプに入力電圧が加わった場合、どうなるのでしょうか?
>9Mと1Mで分圧してそこからOPアンプに直結
としたので、誤って電圧を加えてしまう事もあると思うので……
オペアンプの駆動電圧内(5~24V)であれば問題はありませんか?


また、
データシートに

注意
ESD(静電放電)の影響を受けやすいデバイスです。人体や試験機器には4,000Vもの高圧の静電放電が容易に蓄積され、検知されないまま放電されます。AD8065/AD8066は当社独自のESD保護回路を内蔵してはいますが、デバイスが高エネルギーの静電放電を被った場合、回復不能の損傷を生じる可能性があります。したがって、性能劣化や機能低下を防止するため、ESDに対する適切な予防措置を講じることをお勧めします。

としてあるのですが、
これはOPアンプを取り付けるところまで気を付ければ問題無いのでしょうか?(素手や導体越しに触らないとか?
それとも取り付けた後にも気を付ける必要があり、例えばOPアンプの入力の前にショットキーバリアダイオードなどを入れて保護する必要があるのでしょうか?

よろしければ引き続き、ご回答お願いいたします。

投稿日時 - 2013-12-15 13:01:46

ANo.2

>この回路図は間違っていると考えていいでしょうか?
間違ってはいません。
間違ってはいませんが、1MΩは有っても無くても大勢に影響は有りません。



9MΩもの抵抗を使用するのであれば、周りにつながる回路の影響を十分考えなくてはなりません。

TC4052の入力端子には25℃で最大100nAのリークが有ります。
端子に5Vかかった時のリークが100nAとすると50MΩの抵抗に相当します。
9MΩに対して50MΩですから約18%の誤差が生じる恐れが有ります。
ショットキーダイオードはリーク電流が多いので注意が必要です。

プリント基板もリークの原因になります。
半田付けの際のフラックスの残渣はIPA(イソプロピルアルコール)等で洗浄して十分に取り除く必要が有ります。
基板が吸湿すると抵抗が低下するので防湿処理が必要です。


部品の浮遊容量の影響で高域が低下するので対策が必要です。
(9MΩと容量でCRのローパスフィルタになる)
TC4052の入力容量は約10pF、出力容量が30pF、AVRの入力容量を10pFとすると、
10pF+10pF+10pF+30pF+10pF=70pFの容量が入力につながる事になります。
(基板の浮遊容量は省く)
70pFの容量のインピーダンスが9MΩになる時の周波数を求めると、
1/(70pF×9MΩ)=1.59kHzなので、この周波数以上の周波数の信号は減衰します。
オシロスコープのプローブでは9MΩの抵抗に並列にコンデンサを入れて補償しています。
http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20070905/138795/

>アナログスイッチで信号がどのように変化するかが心配ですが……。
メカニカルなスイッチを使った方が安心です。

投稿日時 - 2013-12-12 08:42:09

補足

度々お世話になります。

>間違ってはいません。
>間違ってはいませんが、1MΩは有っても無くても大勢に影響は有りません。
なるほど、確かにそう考えると、納得がいきます。
「オシロ=1MΩ」とばかり考えすぎていた様です。

>TC4052の入力端子には25℃で最大100nAのリークが有ります。
>端子に5Vかかった時のリークが100nAとすると50MΩの抵抗に相当します。
>9MΩに対して50MΩですから約18%の誤差が生じる恐れが有ります。
>ショットキーダイオードはリーク電流が多いので注意が必要です。

なるほど……ICがoffの時にリーク電流が流れる、と言うのは全く考えていませんでした。

しかし、実際はTC4052とアッテネータの抵抗が並列になるはずだから、
18%も誤差は出ないだろうと思って、計算してみましたが、それでも誤差が約11%弱ありました。

最大で100nAなので、普通はそれほどではないと思いますが、最悪の場合、約11%の誤差は大きいですね。
(標準の場合だと誤差は±0.0014%以下となるので大丈夫……とも思ってしまいますが^^)

リーク電流、大変勉強になりました。
(作る前に教えて貰えて良かったです。(まだ構想段階ですけど)

>オシロスコープのプローブでは9MΩの抵抗に並列にコンデンサを入れて補償しています。

今回は、プローブは自作では無く、一本1000円くらいの秋月電子のプローブ
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-00239/
参考:データシート「http://akizukidenshi.com/download/ds/hongkongtexas/texas_60_100.pdf
でも使おうかと考えているので、恐らく校正できるかと。

>10pF+10pF+10pF+30pF+10pF=70pFの容量が入力につながる事になります。
>(基板の浮遊容量は省く)

秋月の(60Mhzの)プローブが
15pF+(10~50pF)
なので、25~65pFの間で調整できる。

オシロの校正で調整されるのは、
参考:この辺り……など。http://news.mynavi.jp/series/oscilloscope2/002/
Rp*Cp=Ro*Co(p:プローブ、o:オシロ)
の式なので
Cp=Ro*Co/Rp
とすれば良く、

Cp=1MΩ*(70pF+α)/9MΩ
≒7.8pF

もう少し浮遊容量が増えるのは確かなのでしょうが、
逆に足りない(プローブで校正しきれない)分は、
基板に信号線とGNDの間にコンデンサを追加すればいいのでしょか?

(逆に浮遊容量が多すぎる場合は、プローブを分解してコンデンサを追加するか、プローブを自作するしかないのかな?)

ブレッドボードで評価しようかと考えていましたが、
この辺りは最後まで作らないと分からなさそうですね。


>>アナログスイッチで信号がどのように変化するかが心配ですが……。
>メカニカルなスイッチを使った方が安心です。
たしかにそうすれば何も心配要らないですね。
……と言いつつアナログスイッチは自作できないのかなぁ?
とか考えている私は救いようが無いorz

投稿日時 - 2013-12-13 00:47:03

ANo.1

> オシロの入力インピーダンスは1MΩですが、
この意味は、「1MΩと高抵抗なので、被測定回路に影響を与えませんよ」というものです。
なので、 アッテネーターのオシロ側を1Mにマッチングを要求するものではありません。

被測定回路側が75/50Ω系であれば、その20倍以上であるところの2.2kと220の逆L回路とすれば電圧1/10の減衰器となり、
被測定回路側より充分大きく、プローブ1Mに対しても充分小さく、両者に影響を与えません。
また、これくらいであれは浮遊容量の影響も受けにくく、雑音インピーダンスも小さくできます。

ご提案の構成抵抗値は高すぎて、浮遊容量や雑音混入が懸念されます。

投稿日時 - 2013-12-12 01:03:41

補足

>なので、 アッテネーターのオシロ側を1Mにマッチングを要求するものではありません。
しかし、これでは、外から見た時の、オシロの入力インピーダンスが1MΩにならず、回路に影響を与えるように思えるのですが……?


>被測定回路側より充分大きく、プローブ1Mに対しても充分小さく、両者に影響を与えません。
>また、これくらいであれは浮遊容量の影響も受けにくく、雑音インピーダンスも小さくできます。
プローブは自作では無く10:1プローブを買ってこようと思ているので9MΩになります。
そのため、(プローブの根本で)校正ができるハズなので、おそらく浮遊容量の問題は解消される?と考えています。(たぶん。

>ご提案の構成抵抗値は高すぎて、浮遊容量や雑音混入が懸念されます。
済みません、抵抗値が高いと雑音が混入する理由が全然理解できていないので、教えていただけませんか?

投稿日時 - 2013-12-13 00:44:48

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