Oszi24b 24 Bit Oszilloskop 500kSPS 100kHz

Projekt: Oszi24b 24 Bit Oszilloskop 500kSPS 100kHz

Lizenz: Creative Commons BY-SA

Zielsetzung:
Ein präzises NF Oszilloskop mit geringen rauschen.
Automatische Filter passend zur Abtastrate (Deaktivierbar).
AC hochohmig (bei der 50 Ohm Ausführung wegen der X7S Kondensatoren nur mit Einschränkung verwendbar)
Problem:
Bei Verwendung einer USB Schnittstelle ergibt sich folgendes Problem:
Störsignale vom PC und Fehlströme, dadurch ist eine Trennung von PC USB GND und Analog GND erforderlich.
Daher habe ich mich für einen Differenzial Analog Eingang entschieden, Nachteil erhöhtes Rauschen.

Links : Bananenstecker 2mm für Erdung und der USB Anschluss
Rechts: der SMA Analogeingang und der Klinkenstecker 2.5mm für Ext.Trigger Ein/Ausgang

Bestückung Oszi24b-50:
Empfindlichkeit: 20mV/Div[8Div=+-160mV] 50mV/Div 100mV/Div 200mV/Div 500mV/Div 1V/Div
Max. DC:+-5V
AC max. Offset:+-15V
Input Impedance: 50 Ohm
Bestückung Oszi24b-2k5:
Empfindlichkeit: 50mV/Div 100mV/Div 200mV/Div 500mV/Div 1V/Div 2V/Div 5V/Div
Max. DC:+-25V
AC max. Offset:+-15V
Input Impedance: DC 2.5k Ohm
Bestückung Oszi24b-10k:
Empfindlichkeit: 50mV/Div 100mV/Div 200mV/Div 500mV/Div 1V/Div 2V/Div 5V/Div
Max. DC:+-25V
AC max. Offset:+-30V
Input Impedance: DC 10k Ohm

Linearität: 0.01% (-80% .. +80% 0.005%)
Zeitbasis: 100us/Div bis 20s/Div
Samplingrate: 12.5S - 500kS
Speichertiefe: 2500S – 35000S (70000S)
Kopplung: AC,DC
Ext.Trigger: In oder Out
Schnittstelle: USB 2.0, USB-TMC
Hardware: CPU: STM32H523 240MHz ADC: ADS127L01
Besonderheit: getrennter "GND USB" zu "GND Analog Eingang" mit 68 Ohm max.: +-0.4V

Rauschen: Input 0.0V 50 Ohm

Oszi24b	COND	5V/Div	2V/Div	1V/Div	500mV/Div	200mV/Div	100mV/Div	50mV/Div	20mV/Div	UNIT
50 Ohm 2.5 kOhm 10 kOhm	500kSPS ft 100kHz	--- 67 70	--- 31 34	14 21 24	6.6 6.8 7.0	2.8 3.1 3.4	1.6 2.1 2.4	1.1 1.7 2.1	0.95 --- ---	µVrms
50 Ohm 2.5 kOhm 10 kOhm	50kSPS ft 19.7kHz	--- 28 30	--- 13 15	5.6 8.8 11	2.9 2.9 3.0	1.2 1.3 1.5	0.7 0.9 1.1	0.48 0.75 0.95	0.4 --- ---	µVrms
50 Ohm 2.5 kOhm 10 kOhm	10kSPS ft 4.0kHz	--- 13 14	--- 6.0 6.7	2.7 4.0 4.8	1.3 1.3 1.4	0.6 0.6 0.7	0.35 0.41 0.48	0.22 0.33 0.42	0.19 --- ---	µVrms
50 Ohm 2.5 kOhm 10 kOhm	2.5kSPS ft 1.0kHz	--- 7.0 7.2	--- 3.1 3.5	1.4 2.0 2.5	0.7 0.7 0.72	0.3 0.31 0.35	0.17 0.21 0.25	0.12 0.17 0.21	0.1 --- ---	µVrms

Rauschen: Oszi24b-50 Input 0.0V 50 Ohm 20mV/Div 500kSPS 35000S FFT-Average=64

Rauschen: Oszi24b-50 Input 0.0V 50 Ohm 20mV/Div 2.5kSPS 35000S FFT-Average=32

Downloads:

LE0050_OSZI24B_SCH.pdf
Rev 1.01: Schaltplan, Bestückung, Material Liste

[ ]

LE0050.zip
PCB Layout Daten (RS274X Format / Extended Gerber)
6-Lagen Länge: 100.2mm Breite: 61.0mm
Basismaterial: FR4, 35 µm Cu, 1,6 mm

[ ]

Oszi24b_LE0050-0.0.0.tar.bz2
Sourcecode + HEX-File für CPU

[ ]

LE0050_OSZI24B_SCPI.pdf
USBTMC SCPI commands

[ ]

x86_64 ARM-M Cross Compiler "arm_m10_x86_64.tar.xz"
Mit diesen Compiler sind die Binaries in "Oszi24b_LE0050-0.0.0.tar.bz2" Kompiliert

Oder installiere die rpm Files http://www.aldccp.at/ftp/packages/RPMS/
1. x86_64/2.0/Cross/arm_m10/Compiler/binutils-arm_m10-2.42-0.x86_64.rpm
2. x86_64/2.0/Cross/arm_m10/Compiler/gcc/12.4.0/gcc-arm_m10-12.4.0-0.x86_64.rpm
3. noarch/2.0/Cross/arm_m10/newlib-arm_m10-libc-4.2.0-2s.noarch.rpm
4. noarch/2.0/Cross/arm_m10/newlib-arm_m10-libc_nano-4.2.0-2s.noarch.rpm

Und zum Programmieren der CPU STM32H523 openocd-0.12.0-4 (mit ST-H5 patch) installieren
x86_64/2.0/Compiler/openocd-0.12.0-4.x86_64.rpm

   > openocd -f board/st_nucleo_h5.cfg -c "program main_10k.hex verify reset exit"

Beispiel für die Wirkung des Differenzial Analogeingangs:
Mein Arbeits-PC --> 1.5m USB Kabel --> Oszi24b-50 --> 60cm RG316 --> 50 Ohm Abschluss.
"PC" und "50 Ohm Abschluss" mit der Erdung verbunden (Stromschleife !!!)
Oszi24b-50: DC 20mV/Div 500kSPS 35000S

Oszi24b-50 geerdet.
DC Offset: ca. 0 µV

Oszi24b-50 nicht geerdet.
DC Offset: 5.5 µV

Oszi24b-50 Differenzialeingang deaktiviert und nicht geerdet.
DC Offset: 295 µV !!!

Das Rauschen kann man reduzieren: (nicht empfehlenswert)
1. Um ~10% GND-OP (U4) Verstärkung auf 1 setzen (R30=0) , R27,43,48 halbieren,
C37 entfernen und R15,C8,C11,C12 anpassen.
Dadurch reduziert sich jedoch CMRR (Common-mode rejection ratio) um ca. 20dB bei 60kHz
Oszi24b-50 20mV/Div 500kSPS = 0.85µVrms

2. Um ~20% GND-OP (U4) entfernen und eine Brücke über Pin2,3,6 , R27,43,48 halbieren,
C8,C11,C12,C37 entfernen und R15,R30,R151=0 CMRR=0 dB
Und die Verwendung von einen Notebook im Akkubetrieb.
Oszi24b-50 20mV/Div 500kSPS = 0.74µVrms

Differential Amplifier:
Ich habe mich für Differential OP OPA1633 entschieden, wegen des geringeren rauschen.
OPA1633 bei 0.1Hz=~90 nV/√Hz 1Hz=~28 nV/√Hz
THS4551 bei 0.1Hz=~260 nV/√Hz 1Hz=~80 nV/√Hz

Rauschen mit Spannung: Oszi24b-10k
Zum Beispiel mit 500mV/Div und am Analogeingang +2.495V

COND	1Hz	10Hz	100Hz	1kHz	UNIT
Grund Rauschen 0V Interne Referenz +3V Ext. Quelle +2.495V Rauschen	49 33 25	25 15 8.5	20 4 8.5	19 4 8.5	nV/√Hz
Theoretische Summe	64.1	30.4	22.1	21.2	nV/√Hz
R54,55=39 C46=470p C47=470p Gemessen	950	240	100	33	nV/√Hz
R54,55=39 C46=560p C47=560p Gemessen	110	35	23	21.3	nV/√Hz
R54,55=39 C46=680p C47=680p Gemessen	260	76	36	21.5	nV/√Hz

Dies zeigt eine extreme Empfindlichkeit der Eingangskondensatoren C46,47,48 vom U14 ADC ADS127L01
R54,55=39 C46,47=560p oder. R54,55=15 C46,47=1500p geben ein gutes Ergebnis, ist jedoch zu überprüfen
????? Beim Oszi 50,2k5 sind "R=15 C=1500pF" und bei Oszi 10k "R=39 C=560pF" die gute Wahl ????? !!!

Frequenzgang: Normal