Vzdálená sonda pro schéma osciloskopu. Aktivní sondy s nízkou vstupní kapacitou. Sondy s korekcí frekvenční odezvy

Bez ohledu na třídu zařízení je pro analýzu určitých signálů nutné přivést zkoumané signály na vstupy zařízení. Velmi zřídka je možné přiblížit jejich zdroje velmi blízko vstupům osciloskopů a analyzátorů. Často se nacházejí ve vzdálenosti zlomku metru až několika metrů. To znamená, že speciální odpovídající zařízení, zapojený mezi zdroje signálu a vstupy osciloskopu a analyzátorů.
Sondy se obvykle používají pro následující důležité účely:

vzdálené připojení osciloskop k předmětu studia;
snížení citlivosti vertikálních (někdy horizontálních) vychylovacích kanálů a studium vysokoúrovňových signálů (pasivní sondy);
oddělení měřicích obvodů od jednotek osciloskopu (optických sond);
vysoký útlum signálu a výzkum signálů ve vysokonapěťových obvodech (vysokonapěťové sondy);
zvýšení vstupního odporu a snížení vstupní kapacity (kompenzované děliče a opakovací sondy);
korekce amplitudově-frekvenční odezvy systému sonda-osciloskop;
získávání proudových oscilogramů (proudové sondy);
výběr protifázových signálů a potlačení společných signálů (diferenciální sondy);
zvýšení citlivosti osciloskopů (aktivních sond);
speciální účely (například přizpůsobení výstupů širokopásmových zdrojů signálu s 50-ohmovým vstupem osciloskopu).

Je zcela zřejmé, že role sond je velmi důležitá a někdy není v žádném případě nižší než význam samotných osciloskopů a analyzátorů. Často je však role sond podceňována a to je vážná chyba pro začínající uživatele těchto zařízení. Níže jsou uvedeny hlavní typy sond a dalšího příslušenství pro osciloskopy, spektrální analyzátory, analyzátory signálu a logické analyzátory.

Sondy na bázi kompenzovaného děliče

Nejjednodušším a dlouho používaným typem sond jsou pasivní sondy s kompenzovaným děličem napětí - obr. 5.1. Dělič napětí je postaven na rezistorech R1 a R2 a R2 může být jednoduše vstupní odpor osciloskopu.

Rýže. 5.1. Kompenzovaný dělicí obvod

Parametry stejnosměrného děliče se vypočítají pomocí vzorců:

Pokud například R2 = 1 MOhm a R1 = 9 MOhm, pak má RВХ = 10 MOhm a KD = 1/10. Vstupní odpor se tedy zvýší 10krát, ale úroveň napětí přiváděného na vstup osciloskopu také 10krát klesne.

V obecném případě (na střídavý proud) pro přenosový koeficient děliče můžete napsat výraz (τ1= R1C1 a τ2= C2R2):

. (5.3)

Jsou-li tedy časové konstanty τ1 a τ2 stejné, převodový koeficient děliče přestává záviset na frekvenci a rovná se jeho hodnotě při stejnosměrném proudu. Takový dělitel se nazývá kompenzovaný. Kapacita C2 je celková kapacita kabelu, montážní a vstupní kapacity osciloskopu. V praxi je pro dosažení podmínky kompenzace nutné upravit kapacitu C1 (nebo C2) např. pomocí trimru s proměnným kondenzátorem - trimru (viz obr. 5.2.). Nastavení se provádí speciálním plastovým šroubovákem, který je součástí sady příslušenství sondy. Součástí jsou různé tipy, adaptéry, barevné samolepky a další užitečné drobnosti.

Rýže. 5.2. Standardní pasivní design sondy HP-9250 založený na frekvenčně kompenzovaném děliči

Při kompenzaci nedochází ke zkreslení obdélníkového pulsu (meandru), obvykle vytvářeného kalibrátorem zabudovaným v osciloskopu (viz obr. 5.3). Když vrchol pulsu klesá, je pozorována podkompenzace, a když stoupá, je pozorována překompenzace. Charakter oscilogramů je také znázorněn na Obr. 3 (pořízeno osciloskopem TDS 2024 se sondou P2200). Doporučuje se provést kompenzaci na maximum velký obrázek oscilogramy odpovídajícího kanálu.

Rýže. 5.3. Oscilogramy pulzů kalibrátoru osciloskopu Tektronix TDS 2024 v různých stupních kompenzace (shora dolů): normální kompenzace, překompenzace a podkompenzace

Při práci s vícekanálovým osciloskopem byste měli používat sondy samostatně pro každý kanál. K tomu je třeba je označit (pokud tak již nebylo provedeno ve výrobě) nálepkami různých barev, obvykle odpovídajících barvám čar oscilogramu. Pokud toto pravidlo nedodržíte, pak kvůli nevyhnutelným změnám ve vstupních kapacitách každého kanálu bude kompenzace nepřesná.

Pro dělič 1:10 by měl být rezistor R1 roven 9R2. To znamená, že kapacita C1 musí být 9krát menší než vstupní kapacita C2. Určí se vstupní kapacita děliče sériové připojení C1 a C2:

(5.4)

Přibližná hodnota platí pro KD»1 a C1«C2. Při KD =10 je vstupní kapacita děliče téměř 10x menší než vstupní kapacita osciloskopu. Je třeba si uvědomit, že C2 zahrnuje nejen skutečnou vstupní kapacitu osciloskopu, ale také kapacita C1 je zvýšena o velikost montážní kapacity. Proto ve skutečnosti nebude pokles vstupní kapacity děliče oproti vstupní kapacitě osciloskopu tak patrný. Nicméně právě to vysvětluje výrazné snížení zkreslení čel impulsů při práci s děličem.

Zvýšení aktivní složky vstupního odporu děliče není vždy užitečné, protože také vede ke změně zátěže testovaného zařízení a při absenci děliče a při jeho použití jsou získány různé výsledky. Děliče jsou proto často konstruovány tak, aby vstupní impedance osciloskopu zůstala nezměněna jak při práci bez děliče, tak při práci s ním. V tomto případě dělič nezvyšuje vstupní impedanci osciloskopu, ale stále snižuje vstupní kapacitu.

Zvyšování úrovně studovaných signálů

Maximální napětí na vstupu osciloskopu je určeno součinem počtu dílků jeho měřítkové mřížky koeficientem vertikální odchylky. Je-li například počet dělení rastru 10 a činitel odchylky 5 V/dílek, pak je celkový kolísání napětí na vstupu 50 V. To často nestačí ke studiu signálů i středně vysokých úrovní - nad desítky voltů.

Většina sond umožňuje zvýšit maximální testovací napětí při stejnosměrném proudu a nízké frekvenci z desítek V na 500-600 V. vysoké frekvence ah jalový výkon (a činný výkon, uvolněný při ztrátovém odporu kondenzátorů sondy) prudce roste a je nutné snížit maximální napětí na vstupu sondy - obr. 5.4. Pokud tuto okolnost nezohledníte, můžete vzorek jednoduše vypálit!

Rýže. 5.4. Závislost maximálního napětí na vstupu sondy na frekvenci

Maximální vstupní napětí sondy by nikdy nemělo být překročeno při vysokých frekvencích signálu. To může způsobit přehřátí a selhání sondy.

Typ pasivní sondy je vysokonapěťová sonda. Obvykle mají dělicí poměr 1/100 nebo 1/1000 a vstupní impedanci 10 nebo 100 MΩ. Nízkopříkonové dělicí odpory sondy obvykle vydrží napětí do 500-600 V bez průrazu. Proto je u vysokonapěťových sond nutné rezistor R1 (a kondenzátor C1) vyrobit pomocí sériově zapojených součástek. Tím se zvětší velikost měřicí hlavy sondy.

Pohled na vysokonapěťovou sondu Tektronix P6015A je na Obr. 5.5. Sonda má dobře izolované tělo s vyčnívajícím kroužkem, který zabraňuje vklouznutí prstů do obvodu, jehož průběh napětí je zaznamenáván. Sonda může být použita při napětí až 20 kV při stejnosměrném proudu a až 40 kV při pulzech vysokého pracovního cyklu. Frekvenční rozsah osciloskopu s takovou sondou je omezen na 75 MHz, což je pro měření ve vysokonapěťových obvodech více než dostatečné.

Rýže. 5.5. Vzhled Vysokonapěťová sonda Tektronix P6015A

Při práci s vysokonapěťovými sondami je třeba dbát nejvyšší možné opatrnosti. Nejprve připojte zemnící vodič a teprve potom připojte jehlu sondy k bodu, ve kterém chcete získat průběh napětí. Při měření se doporučuje zajistit sondu a obecně z ní sejmout ruce.

Vysokonapěťové sondy jsou k dispozici pro digitální i analogové osciloskopy. Například sonda HV-P30 je k dispozici pro jedinečné širokopásmové analogové osciloskopy řady ACK7000/8000 s šířkou pásma až 50 MHz, děleným poměrem 1/100, špičkovým sinusovým napětím 30 kV a až 40 kV. špičkové pulzní napětí. Vstupní impedance sondy 100 MΩ, vstupní kapacita 7 pF, délka kabelu 4 m, výstupní konektor BNC. Další sonda, HV-P60, má dělicí poměr 1/2000 a lze ji použít při maximálních napětích do 60 kV pro sinusovou vlnu a do 80 kV pro pulzní signál. Vstupní odpor sondy je 1000 MΩ, vstupní kapacita je 5 pF. O vážnosti těchto produktů výmluvně svědčí jejich vysoká cena - cca 66 000 a 124 000 rublů (podle ceníku společnosti Elix).

Sondy s korekcí frekvenční odezvy

Pasivní sondy se často používají ke korekci frekvenční charakteristiky osciloskopů. Někdy se jedná o korekci určenou k rozšíření frekvenčního pásma, ale častěji se řeší inverzní problém – zúžení frekvenčního pásma pro snížení vlivu šumu při pozorování nízkoúrovňových signálů a eliminace rychlých špiček na okrajích pulzních signálů.
Tyto sondy (P2200) jsou součástí komerčních osciloskopů řady Tektronix TDS 1000B/2000B. Jejich vzhled je znázorněn na Obr. 5.6.

Hlavní parametry sond jsou uvedeny v tabulce. 5.1.

Tabulka 5.1. Základní parametry pasivních sond P2200

Rýže. 5.6. Pasivní sonda P2200 s vestavěným nízkopropustným filtrem v poloze přepínače dělení 1/10

Od stolu 5.1 jasně ukazuje, že použití sondy s dělicím poměrem 1/1 je vhodné pouze při studiu nízkofrekvenčních zařízení, kdy postačuje frekvenční pásmo do 6,5 MHz. Ve všech ostatních případech je vhodné pracovat se sondou v dělicím poměru 1/10. V tomto případě se vstupní kapacita sníží ze 110 pF na přibližně 15 pF a frekvenční pásmo se rozšíří z 6,5 MHz na 200 MHz. Oscilogramy obdélníkové vlny o frekvenci 10 MHz, znázorněné na Obr. 5.7, dobře ilustrují míru zkreslení oscilogramů při dělicích poměrech 1/10 a 1/1. V obou případech bylo použito standardní připojení sondy s do sebe zapadajícím hrotem a dlouhým zemnícím drátem (10 cm) s krokosvorkou. Obdélníková vlna s dobou náběhu 5 ns byla získána z generátoru Tektronix AFG 3101.

Rýže. 5.7. 10 MHz obdélníkové průběhy pomocí 200 MHz osciloskopu Tektronix TDS 2024B se sondami P2200 při dělicích poměrech 1/10 (horní průběh) a 1/1 (spodní průběh).

Je snadné si všimnout, že v obou případech jsou oscilogramy pozorovaného signálu (a u generátorů AFG 3101 na frekvenci 10 MHz se blíží ideálu a má hladké špičky bez náznaku „zvonění“) značně zkreslené. Povaha zkreslení je však odlišná. Při poloze děliče 1/10 se tvar signálu blíží meandru a má krátkodobá čela, ale je zkreslený tlumenými kmity vznikajícími v důsledku indukčnosti dlouhého zemnícího vodiče - Obr. 8. A v poloze děliče 1/1 zmizely tlumené kmity, ale zřetelně byl patrný výrazný nárůst časové konstanty systému sonda-osciloskop. Výsledkem je, že místo meandru jsou pozorovány pilovité pulzy s exponenciálním vzestupem a poklesem.

Rýže. 5.8. Schéma připojení sondy k zátěži RL

Sondy s vestavěnou korekcí musí být používány přísně pro jejich zamýšlený účel, s ohledem na velký rozdíl ve frekvenčních charakteristikách v různých polohách děliče napětí.

Účtování parametrů sondy

Typická data obvodu uvádíme na Obr. 5.8: vnitřní odpor zdroje signálu Ri=50 Ohm, zatěžovací odpor RL>>Ri, vstupní odpor sondy RP=10 MOhm, vstupní kapacita sondy CP=15 pF. Vzhledem k takovým prvkům obvodu se zvrhne v sekvenční oscilační obvod, obsahující odpor R≈Ri, indukčnost zemnícího vodiče L≈LG (asi 100-120 nH) a kapacitu C≈CP.

Pokud je na vstup takového obvodu aplikován ideální úbytek napětí E, pak bude časová závislost napětí na C (a vstupu osciloskopu) vypadat takto:

(5.5)

Výpočty ukazují, že tato závislost může mít výrazný překmit při velkém L a malém R, což je pozorováno v horním oscilogramu na Obr. 5.7. Při α/δ=1 není toto přepětí větší než 4 % amplitudy rozdílu, což je zcela uspokojivý ukazatel. K tomu je třeba zvolit hodnotu L=LG rovnou:

Pokud například C=15 pF a R=50 Ohm, pak L=19 nH. Pro snížení L na takovou hodnotu (z typického řádu 100-120 nH pro zemnící vodič o délce 10 cm) je nutné zkrátit zemnící (případně signální) vodič na délku menší než 2 cm , vyjměte trysku z hlavy sondy a přestaňte používat standardní zemnicí vodiče. Začátek sondy v tomto případě bude představovat kontaktní jehla a válcový zemnící pásek (obr. 5.9) s nízkou indukčností.

Rýže. 5.9. Hlava sondy s odstraněným hrotem (vlevo) a adaptérem na koaxiální konektor (vpravo)

Účinnost opatření používaných v boji proti kroužkování je znázorněna na Obr. 5.10. Ukazuje průběhy 10 MHz čtvercové vlny, když je sonda normálně zapnutá a když je sonda zapnutá s odstraněným hrotem a bez dlouhého zemnícího vodiče. Jasně je vidět téměř úplná eliminace zjevného tlumení oscilační procesy na spodním oscilogramu. Malé výkyvy v horní části jsou spojeny s vlnovými procesy ve spojovacím koaxiálním kabelu, který u takových sond pracuje bez přizpůsobení na výstupu, což způsobuje odrazy signálu.

Rýže. 5.10. Oscilogramy čtvercové vlny 10 MHz, když je sonda normálně zapnutá (horní tvar vlny) a zapnutá s odstraněnou tryskou a bez dlouhého zemnicího vodiče (spodní tvar vlny)

Pro získání oscilogramů s extrémně krátkou dobou náběhu a zvonění by měla být přijata opatření k minimalizaci indukčnosti měřeného obvodu: odstranění hrotu sondy a připojení sondy pomocí jehly a válcové zemnicí vložky. Měla by být přijata všechna možná opatření ke snížení indukčnosti obvodu, ve kterém je signál pozorován.
Důležitými parametry systému sonda-osciloskop jsou doba náběhu systému (na úrovni 0,1 a 0,9) a šířka pásma nebo maximální frekvence (na úrovni roll-off citlivosti 3 dB). Pokud použijeme známou hodnotu rezonanční frekvence obvodu

, (5.7)
pak můžeme hodnotu R vyjádřit přes rezonanční kmitočet obvodu, který určuje mezní kmitočet dráhy vychylovacího systému:

. (5.8)
Je snadné dokázat, že čas, kdy napětí u(t) dosáhne hodnoty E amplitudy poklesu, se bude rovnat:

. (5.10)

Tato hodnota je obvykle brána jako doba ustálení sondy s optimální přechodovou odezvou. Celkový čas náběhu osciloskopu se sondou lze odhadnout jako:

, (5.11)
kde tosc je doba náběhu osciloskopu (když je signál přiveden přímo na vstup odpovídajícího kanálu). Horní mezní frekvence fmax (což je také frekvenční pásmo) je definována jako

. (5.12).
Například osciloskop s t0=1 ns má fmax=350 MHz. Někdy je násobitel 0,35 zvýšen na 0,4-0,45, protože frekvenční charakteristika mnoha moderních osciloskopů s fmax>1 GHz se liší od gaussovské, která je charakterizována násobitelem 0,35.

Nezapomeňte na další důležitý parametr sond - čas zpoždění signálu tз. Tato doba je určena především lineární dobou zpoždění (na 1 m délky kabelu) a délkou kabelu. Obvykle se pohybuje od jednotek do desítek ns. Aby zpoždění neovlivnilo relativní polohu oscilogramů na obrazovce vícekanálového osciloskopu, musíte použít sondy stejného typu s kabely stejné délky ve všech kanálech.

Připojení sond ke zdrojům signálu

Připojení sond k požadovaným bodům zkoumaných zařízení lze provést pomocí různých hrotů, trysek, háčků a „mikro-krokodýlů“, které jsou často součástí sady příslušenství sond. Nejčastěji se však nejpřesnější měření provádí při připojení pomocí jehly primární sondy - viz obr. 5.11 nebo dvě jehly. Při vývoji vysokofrekvenčních a pulzních zařízení na desce s plošnými spoji jsou k tomuto účelu určeny speciální kontaktní plošky nebo pokovené otvory.

Rýže. 5.11. Připojení sondy k podložkám tištěný spoj studované zařízení

V naší době je obzvláště důležité připojit sondy ke kontaktním ploškám miniaturních desek plošných spojů, hybridních a monolitických. integrované obvody }