Osiloskop dövrəsi üçün uzaqdan zond. Aşağı giriş tutumu olan aktiv zondlar. Tezlik reaksiyası düzəldilmiş zondlar

Müəyyən siqnalların təhlili üçün cihazların sinfindən asılı olmayaraq, tədqiq olunan siqnalları cihazların girişlərinə gətirmək lazımdır. Onların mənbələri çox nadir hallarda osiloskopların və analizatorların girişlərinə yaxınlaşır. Çox vaxt onlar bir metrdən bir neçə metrə qədər fraksiya məsafəsində yerləşirlər. Bu o deməkdir ki, osiloskop və analizatorların siqnal mənbələri və girişləri arasında xüsusi uyğunlaşdırıcı qurğulara ehtiyac var.
Tipik olaraq, zondlar aşağıdakı mühüm məqsədlər üçün istifadə olunur:

  • uzaqdan əlaqə tədqiqat obyektinə osiloskop;
  • şaquli (bəzən üfüqi) sapma kanallarının həssaslığının azaldılması və yüksək səviyyəli siqnalların öyrənilməsi (passiv zondlar);
  • ölçmə sxemlərinin osiloskop qovşaqlarından (optik zondlardan) təcrid edilməsi;
  • yüksək gərginlikli sxemlərdə (yüksək gərginlikli zondlarda) siqnalların böyük zəifləməsi və siqnalların öyrənilməsi;
  • giriş müqavimətinin artması və giriş tutumunun azalması (kompensasiya edilmiş bölücülər və zondlar - təkrarlayıcılar);
  • zond-ossiloskop sisteminin amplituda-tezlik xarakteristikasının korreksiyası;
  • cari dalğa formalarının əldə edilməsi (cari problar);
  • faza əleyhinə siqnalların seçilməsi və ümumi rejimli siqnalların (diferensial zondlar) boğulması;
  • osiloskopların həssaslığının artırılması (aktiv zondlar);
  • xüsusi məqsədlər (məsələn, genişzolaqlı siqnal mənbələrinin çıxışlarını 50 ohm osiloskop girişi ilə uyğunlaşdırmaq).

Aydındır ki, zondların rolu çox vacibdir və bəzən osiloskopların və analizatorların özlərinin əhəmiyyətindən aşağı deyil. Lakin, tez-tez, zondların rolu lazımi səviyyədə qiymətləndirilmir və bu, bu cihazların təcrübəsiz istifadəçilərinin ciddi səhvidir. Aşağıda osiloskoplar, spektr və siqnal analizatorları, məntiq analizatorları üçün zondların və digər aksessuarların əsas növləri verilmişdir.

Kompensasiya edilmiş bölücü zondlar

Ən sadə və uzun müddət istifadə edilən zond növü kompensasiya edilmiş gərginlik bölücü ilə passiv zondlardır - Şəkil 5.1. Gərginlik bölücü R1 və R2 rezistorları ətrafında qurulur və R2 sadəcə osiloskopun giriş empedansı ola bilər.

düyü. 5.1. Kompensasiya edilmiş bölücü dövrə

Sabit cərəyanda bölücünün parametrləri düsturlarla hesablanır:

Məsələn, R2= 1 MΩ və R1=9 MΩ olarsa, RIN = 10 MΩ və KD=1/10. Beləliklə, giriş müqaviməti 10 dəfə artır, lakin osiloskopun girişindəki gərginlik səviyyəsi də 10 dəfə azalır.

Ümumi halda (dəyişən cərəyanda) bölücünün nisbəti belə yazıla bilər (τ1= R1C1 və τ2= C2R2):


. (5.3)

Beləliklə, τ1 və τ2 zaman sabitləri bərabər olduqda, bölücü ötürmə əmsalı tezlikdən asılılığını dayandırır və onun sabit cərəyandakı dəyərinə bərabər olur. Belə bir bölücüyə kompensasiya deyilir. Capacitance C2 kabelin, montajın və osiloskopun giriş tutumunun ümumi tutumudur. Təcrübədə, kompensasiya vəziyyətinə nail olmaq üçün, C1 (və ya C2) tutumu, məsələn, dəyişən tutumlu bir trimmer kondansatörünü - trimmerdən istifadə edərək tənzimlənməlidir (bax. Şəkil 5.2.). Tənzimləmə zond aksesuarları dəstinə daxil olan xüsusi plastik tornavida ilə həyata keçirilir. Buraya müxtəlif məsləhətlər, adapterlər, rəngli stikerlər və digər faydalı xırda şeylər daxildir.

düyü. 5.2. Tezliyi kompensasiya edən bölücüyə əsaslanan standart HP-9250 passiv zondunun dizaynı

Adətən osiloskopa quraşdırılmış kalibrator tərəfindən yaradılan düzbucaqlı nəbzin (meander) təhrifini kompensasiya edərkən, yoxdur (bax. Şəkil 5.3). Nəbz üstü düşdükdə aşağı kompensasiya, nəbz yüksəldikdə isə həddindən artıq kompensasiya müşahidə edilir. Oscilloqramların təbiəti də şəkildə göstərilmişdir. 3 (P2200 probu ilə TDS 2024 osiloskopu ilə çəkilmişdir). Maksimum kompensasiya etmək tövsiyə olunur böyük şəkil müvafiq kanalın dalğa formaları.

düyü. 5.3. Tektronix TDS 2024 osiloskop osiloskop osiloskopu müxtəlif kompensasiya dərəcələrinə malik dalğa formaları (yuxarıdan aşağıya): normal kompensasiya, həddindən artıq kompensasiya və aşağı kompensasiya

Çoxkanallı osiloskopla işləyərkən zondlar hər bir kanal üçün ayrıca istifadə edilməlidir. Bunu etmək üçün, onlar adətən dalğa forması xətlərinin rənglərinə uyğun gələn müxtəlif rəngli stikerlərlə (əgər bu artıq zavodda edilməmişdirsə) zondlar qeyd edilməlidir. Bu qaydaya əməl edilmədikdə, hər bir kanalın giriş tutumlarının qaçılmaz yayılması səbəbindən kompensasiya qeyri-dəqiq olacaqdır.

1:10 bölücü üçün R1 9R2 olmalıdır. Bu o deməkdir ki, C1 tutumu C2 giriş tutumundan 9 dəfə kiçik olmalıdır. Ayırıcının giriş tutumu ilə müəyyən edilir serial əlaqə C1 və C2:


(5.4)

Təxmini dəyər KD"1 və C1"C2 üçün etibarlıdır. KD = 10 ilə bölücünün giriş tutumu osiloskopun giriş tutumundan demək olar ki, 10 dəfə azdır. Yadda saxlamaq lazımdır ki, C2 yalnız osiloskopun həqiqi giriş tutumunu deyil, həm də C1-in tutumu montaj tutumunun dəyəri ilə artır. Buna görə, əslində, osiloskopun giriş tutumu ilə müqayisədə bölücünün giriş tutumunun azalması o qədər də nəzərə çarpan olmayacaq. Buna baxmayaraq, bölücü ilə işləyərkən impulsların cəbhələrinin təhrifinin əhəmiyyətli dərəcədə azalmasını izah edən budur.

Ayırıcının giriş müqavimətinin aktiv komponentinin artması həmişə faydalı deyil, çünki bu, həm sınaqdan keçirilən cihazdakı yükün dəyişməsinə, həm də bölücü olmadıqda və istifadə edildikdə fərqli nəticələr əldə etməyə səbəb olur. Buna görə də, bölücülər tez-tez elə qurulur ki, osiloskopun giriş empedansı həm bölücü olmadan işləyərkən, həm də onunla işləyərkən dəyişməz qalsın. Bu halda bölücü osiloskopun giriş empedansını artırmır, lakin yenə də giriş tutumunu azaldır.

Öyrənilən siqnalların səviyyəsinin artırılması

Osiloskopun girişindəki maksimum gərginlik şaquli əyilmə əmsalı ilə onun qratikulunun bölmələrinin sayının hasili ilə müəyyən edilir. Məsələn, miqyaslı bölmələrin sayı 10, sapma əmsalı isə 5 V/div olarsa, onda ümumi giriş gərginliyi 50 V-dir. Çox vaxt bu, hətta orta səviyyəli siqnalları - onlarla voltdan yuxarı yoxlamaq üçün kifayət etmir.

Əksər zondlar birbaşa cərəyanda və aşağı tezlikdə tədqiq edilmiş maksimum gərginliyi onlarla V-dən 500-600 V-a qədər artırmağa imkan verir. yüksək tezliklər ah reaktiv güc (və aktiv, zond kondensatorlarının itki müqavimətinə ayrılmış) kəskin şəkildə artır və probun girişində maksimum gərginliyi azaltmaq lazımdır - Şəkil 5.4. Bu hal nəzərə alınmazsa, o zaman sadəcə probu yandıra bilərsiniz!

düyü. 5.4. Zond girişindəki maksimum gərginliyin tezlikdən asılılığı

Yüksək siqnal tezliklərində zondun maksimum giriş gərginliyi səviyyəsini heç vaxt aşmayın. Bu, probun həddindən artıq istiləşməsinə və uğursuzluğuna səbəb ola bilər.

Passiv zondların bir variantı yüksək gərginlikli zondlardır. Onlar adətən 1/100 və ya 1/1000 bölmə nisbətinə və 10 və ya 100 MΩ giriş empedansına malikdirlər. Aşağı gücə malik zond bölücü rezistorlar adətən 500-600 V-a qədər gərginliyə tab gətirə bilirlər.Ona görə də yüksək gərginlikli zondlarda rezistor R1 (və kondansatör C1) seriyalı birləşdirilmiş komponentlərdən istifadə etməklə hazırlanmalıdır. Bu, zondun ölçmə başlığının ölçüsünü artırır.

Tektronix P6015A yüksək gərginlikli zondunun görünüşü Şəkildə göstərilmişdir. 5.5. Zond gərginlik dalğa forması götürülən dövrəyə barmaqların sürüşməsinin qarşısını almaq üçün çıxıntılı halqa ilə yaxşı izolyasiya edilmiş korpusa malikdir. Zond 20 kV DC-ə qədər gərginliklər üçün və yüksək iş dövrü impulsları üçün 40 kV-a qədər istifadə edilə bilər. Belə bir zond ilə bir osiloskopun tezlik diapazonu 75 MHz ilə məhdudlaşır ki, bu da yüksək gərginlikli dövrlərdə ölçmələr üçün kifayətdir.

düyü. 5.5. Görünüş Tektronix P6015A Yüksək Gərginlik Zond

Yüksək gərginlikli zondlarla işləyərkən mümkün olan ən böyük ehtiyat tədbirlərinə əməl edilməlidir. Əvvəlcə torpaq telini birləşdirin və yalnız bundan sonra zond iynəsini gərginlik dalğa formasını əldə etmək istədiyiniz nöqtəyə qoşun. Ölçmə apararkən zondun bərkidilməsi və ümumiyyətlə əllərinizi ondan çıxarmaq tövsiyə olunur.

Yüksək gərginlikli zondlar həm rəqəmsal, həm də analoq osiloskoplar üçün mövcuddur. Məsələn, unikal ACK7000/8000 seriyalı geniş diapazonlu analoq osiloskoplar üçün HV-P30 zondu 50 MHz-ə qədər bant genişliyi, 1/100 bölmə, 30 kV-lik zirvədən zirvəyə sinus dalğa gərginliyi və 40 kV-a qədər mövcuddur. pik impuls gərginliyi. Probun giriş empedansı 100 MΩ, giriş tutumu 7 pF, kabel uzunluğu 4 m, BNC çıxış konnektoru. Başqa bir HV-P60 1/2000 bölmə zondu sinus dalğası üçün 60 kV-a qədər və impulslu siqnal üçün 80 kV-a qədər maksimum gərginliklər üçün istifadə edilə bilər. Zondun giriş empedansı 1000 MΩ, giriş tutumu 5 pF-dir. Bu məhsulların ciddiliyi onların yüksək qiyməti ilə aydın şəkildə ifadə edilir - təxminən 66.000 və 124.000 rubl (Elix qiymət siyahısına görə).

Tezlik reaksiyası düzəldilmiş zondlar

Tez-tez osiloskopların tezlik reaksiyasını düzəltmək üçün passiv problar istifadə olunur. Bəzən bu, bant genişliyini genişləndirmək üçün nəzərdə tutulmuş bir düzəlişdir, lakin daha tez-tez tərs problem həll olunur - aşağı səviyyəli siqnalları müşahidə edərkən səs-küyün təsirini azaltmaq və impuls siqnallarının kənarlarında sürətli sıçrayışları aradan qaldırmaq üçün bant genişliyini daraltmaq.
Bu zondlar (P2200) kütləvi istehsal olunan Tektronix TDS 1000B/2000B osiloskopları ilə təchiz edilir. Onların görünüşü Şəkildə göstərilmişdir. 5.6.

Probların əsas parametrləri Cədvəldə verilmişdir. 5.1.

Cədvəl 5.1. P2200 passiv zondlarının əsas parametrləri

düyü. 5.6. 1/10 gərginlik bölücü açar mövqeyində quraşdırılmış aşağı ötürücü filtrli P2200 passiv prob

Cədvəldən. 5.1-dən aydın görünür ki, bölmə əmsalı 1/1 olan zonddan istifadə yalnız 6,5 MHz-ə qədər tezlik diapazonu kifayət olduqda aşağı tezlikli cihazların tədqiqində məqsədəuyğundur. Bütün digər hallarda, 1/10 bölmə nisbətində bir zondla işləmək məsləhətdir. Bu, giriş tutumunu 110 pF-dən təxminən 15 pF-ə qədər azaldır və bant genişliyini 6,5 MHz-dən 200 MHz-ə qədər artırır. Şəkildə göstərilən 10 MHz tezliyi olan bir menderin oscilloqramları. 5.7, 1/10 və 1/1 bölmə əmsalında oscilloqramların təhrif dərəcəsini yaxşı təsvir edin. Hər iki halda, timsah ilə uzun torpaq teli (10 sm) olan standart bir qarmaqlı zond istifadə edilmişdir. Tektronix AFG 3101 generatorundan qalxma vaxtı 5 ns olan kvadrat dalğa alınmışdır.

düyü. 5.7. 1/10 (yuxarı dalğa forması) və 1/1 (aşağı dalğa forması) bölmə əmsalında P2200 zondları ilə 200 MHz Tektronix TDS 2024B osiloskopundan istifadə edərək 10 MHz dalğa formaları (kvadrat dalğa)

Hər iki halda müşahidə olunan siqnalın oscilloqramlarının (10 MHz tezliyində AFG 3101 generatorları üçün ideala yaxındır və "zəng" işarəsi olmadan hamar zirvələrə malik olduğunu görmək asandır. Ancaq təhrifin təbiəti fərqlidir. Bölünmə mövqeyi 1/10 ilə siqnal forması bir menderəyə yaxındır və qısa cəbhələrə malikdir, lakin uzun bir torpaq telinin endüktansından yaranan sönümlü salınımlarla təhrif olunur - şək. 8. Və bölücü 1/1 vəziyyətində sönümlü salınımlar yox oldu, lakin "zond-ossiloskop" sisteminin vaxt sabitində əhəmiyyətli bir artım aydın nəzərə çarpır. Nəticədə, menderin əvəzinə eksponensial yüksəliş və enmə ilə mişar dişi impulsları müşahidə olunur.

düyü. 5.8. Zondun RL yükünə qoşulma sxemi

Quraşdırılmış korreksiyası olan zondlar, gərginlik bölücüsünün müxtəlif mövqelərində tezlik xüsusiyyətlərində güclü fərq nəzərə alınmaqla, ciddi şəkildə təyinatı üzrə istifadə edilməlidir.

Zond parametrlərinin nəzərə alınması

Şəkildə dövrənin tipik məlumatlarını təqdim edək. 5.8: siqnal mənbəyinin daxili müqaviməti Ri=50 Ohm, yük müqaviməti RL>>Ri, zond giriş müqaviməti RP=10 MΩ, zond girişinin tutumu CP=15 pF. Dövrə elementlərinin bu cür məlumatları ilə seriyaya çevrilir salınım dövrəsi müqavimət R≈Ri, torpaq naqili L≈LG induktivliyi (100-120 nH sifarişi) və C≈CP tutumu olan.

Belə bir dövrənin girişinə ideal bir gərginlik düşməsi E tətbiq edilərsə, C-də (və osiloskopun girişində) gərginliyin zamandan asılılığı belə görünəcəkdir:


(5.5)

Hesablamalar göstərir ki, bu asılılıq böyük L və kiçik R üçün əhəmiyyətli dərəcədə üst-üstə düşə bilər ki, bu da Şəkil 1-də yuxarı osilloqramda müşahidə olunur. 5.7. α/δ=1 olduqda bu artım düşmə amplitüdünün 4%-dən çoxunu təşkil etmir ki, bu da kifayət qədər qənaətbəxş göstəricidir. Bunun üçün L=LG dəyəri bərabər seçilməlidir:

Məsələn, əgər C=15pF və R=50Ω, onda L=19nH. L-ni belə bir dəyərə endirmək üçün (10 sm uzunluğunda bir torpaq naqili üçün 100-120 nH tipik bir sıradan) torpaq (bəlkə siqnal) telini 2 sm-dən az uzunluğa qısaltmaq lazımdır.Bunu etmək üçün , zond başlığından burun çıxarın və standart torpaq naqillərinin istifadəsindən imtina edin. Bu vəziyyətdə probun başlanğıcı bir kontakt iynəsi və aşağı endüktansa malik silindrik torpaq şeridi (Şəkil 5.9) ilə təmsil olunacaq.

düyü. 5.9. Ucu çıxarılan zond başlığı (solda) və koaksiyal birləşdiriciyə adapter (sağda)

"Zənglə" mübarizə aparmaq üçün istifadə edilən tədbirlərin effektivliyi Şəkildə göstərilmişdir. 5.10. O, 10 MHz kvadrat dalğanın dalğa formalarını göstərir ki, zond normal olaraq işə salınıb və ucu çıxarılaraq işə salınıb və uzun torpaq naqili olmadan. Aşkar sönümün demək olar ki, tamamilə aradan qaldırıldığını aydın görmək olar salınım prosesləri alt dalğa şəklində. Yuxarıdakı kiçik dalğalanmalar birləşdirici koaksial kabeldə dalğa prosesləri ilə əlaqələndirilir, bu cür zondlarda çıxışda uyğunlaşmadan işləyir və bu, siqnal əksini yaradır.

düyü. 5.10. Zond normal olaraq işə salınmış (yuxarı dalğa forması) və nozzle çıxarılaraq işə salınmış və uzun torpaq naqili (aşağı dalğa forması) ilə 10 MHz kvadrat dalğanın oscilloqramları

Həddindən artıq qısa yüksəlmə müddəti və "zəng" ilə oscilloqramları əldə etmək üçün ölçülmüş dövrənin endüktansını həddə qədər azaltmaq üçün tədbirlər görülməlidir: zond ucunu çıxarın və iynə və silindrik torpaq əlavəsindən istifadə edərək zondu birləşdirin. Siqnalın müşahidə olunduğu dövrənin endüktansını azaltmaq üçün bütün mümkün tədbirlər görülməlidir.
Zond-ossiloskop sisteminin mühüm parametrləri sistemin yüksəlmə vaxtı (0.1 və 0.9 səviyyələrində) və bant genişliyi və ya maksimum tezlikdir (3 dB yuvarlanma səviyyəsində). Əgər dövrənin rezonans tezliyinin məlum qiymətindən istifadə etsək

, (5.7)
onda R-nin qiymətini dövrənin rezonans tezliyi ilə ifadə edə bilərik ki, bu da yayınma sisteminin yolunun məhdudlaşdırıcı tezliyini təyin edir:

. (5.8)
U(t) gərginliyinin düşmə amplitüdünün E dəyərinə çatması vaxtının aşağıdakılara bərabər olacağını sübut etmək asandır:


. (5.10)

Bu dəyər adətən optimal keçici reaksiya ilə zondun çökmə vaxtı kimi qəbul edilir. Zond ilə osiloskopun ümumi yüksəlmə müddəti aşağıdakı kimi təxmin edilə bilər:

, (5.11)
burada tosc osiloskopun yüksəlmə vaxtıdır (siqnal birbaşa müvafiq kanalın girişinə tətbiq edildikdə). Üst kəsmə tezliyi fmax (həmçinin tezlik diapazonudur) kimi müəyyən edilir

. (5.12).
Məsələn, t0=1 ns olan osiloskop fmax=350 MHz-ə malikdir. Bəzən 0,35 faktoru 0,4-0,45-ə qədər artırılır, çünki fmax> 1 GHz olan bir çox müasir osiloskopların tezlik reaksiyası 0,35 əmsalı ilə xarakterizə olunan Gaussdan fərqlənir.

Probların başqa bir vacib parametri - siqnalın gecikmə müddəti ts haqqında unutmayın. Bu vaxt ilk növbədə xətti gecikmə vaxtı (kabel uzunluğunun 1 m-i üçün) və kabel uzunluğu ilə müəyyən edilir. Adətən vahidlərdən onlarla ns-ə qədər dəyişir. Gecikmənin çoxkanallı osiloskopun ekranındakı osilloqramların nisbi mövqeyinə təsir etməməsi üçün bütün kanallarda eyni uzunluqda kabellərlə eyni tipli zondlardan istifadə edilməlidir.

Zondların siqnal mənbələrinə qoşulması

Probların sınaqdan keçirilən cihazların istənilən nöqtələrinə qoşulması, tez-tez zond aksesuarları dəstinə daxil olan müxtəlif uclar, ucluqlar, qarmaqlar və mikro timsahlardan istifadə etməklə həyata keçirilə bilər. Bununla belə, çox vaxt ən dəqiq ölçmələr birincil zond iynəsi ilə birləşdirildikdə aparılır - şək. 5.11 və ya iki iynə. Çap dövrə lövhəsində yüksək tezlikli və nəbzli cihazları inkişaf etdirərkən bunun üçün xüsusi əlaqə yastiqləri və ya metalləşdirilmiş deliklər təmin edilir.

düyü. 5.11. Probun Yastiqciqlara Birləşdirilməsi çap dövrə lövhəsi cihaz araşdırılır

Bizim dövrümüzdə xüsusilə aktual olan zondların hibrid və monolit miniatür çap dövrə lövhələrinin kontakt yastıqlarına qoşulmasıdır. inteqral sxemlər }