پروب از راه دور برای مدار اسیلوسکوپ. پروب های فعال با ظرفیت ورودی کم. پروب های اصلاح شده با پاسخ فرکانس

صرف نظر از کلاس دستگاه ها برای آنالیز سیگنال های خاص، لازم است سیگنال های مورد مطالعه به ورودی دستگاه ها آورده شود. منابع آنها به ندرت به ورودی های اسیلوسکوپ ها و آنالیزورها نزدیک می شوند. اغلب آنها در فاصله کسری از یک متر تا چند متر قرار دارند. این بدان معنی است که دستگاه های تطبیق ویژه ای بین منابع سیگنال و ورودی های اسیلوسکوپ و آنالایزر مورد نیاز است.
به طور معمول، پروب ها برای اهداف مهم زیر استفاده می شوند:

• اتصال از راه دوراسیلوسکوپ به موضوع مطالعه؛
• کاهش حساسیت کانال های انحراف عمودی (گاهی افقی) و مطالعه سیگنال های سطح بالا (کاوشگرهای غیرفعال).
• جداسازی مدارهای اندازه گیری از گره های اسیلوسکوپ (کاوشگرهای نوری)؛
• تضعیف سیگنال بزرگ و مطالعه سیگنال ها در مدارهای ولتاژ بالا (پروب های ولتاژ بالا).
• افزایش مقاومت ورودی و کاهش ظرفیت ورودی (تقسیم کننده ها و پروب های جبران شده - تکرار کننده ها)؛
• تصحیح مشخصه دامنه فرکانس سیستم پروب-اسیلوسکوپ؛
• به دست آوردن شکل موج فعلی (کاوشگر جریان)؛
• انتخاب سیگنال های ضد فاز و سرکوب سیگنال های حالت مشترک (کاوشگرهای دیفرانسیل).
• افزایش حساسیت اسیلوسکوپ ها (پروب های فعال)؛
• اهداف ویژه (به عنوان مثال، تطبیق خروجی منابع سیگنال پهن باند با ورودی اسیلوسکوپ 50 اهم).

واضح است که نقش پروب ها بسیار مهم است و گاهی کمتر از اهمیت خود اسیلوسکوپ ها و آنالایزرها نیست. اما اغلب نقش پروب ها دست کم گرفته می شود و این یک اشتباه جدی کاربران مبتدی این دستگاه ها است. در زیر انواع اصلی پروب ها و سایر لوازم جانبی اسیلوسکوپ ها، آنالایزرهای طیف و سیگنال و تحلیلگرهای منطقی آورده شده است.

پروب های تقسیم کننده جبرانی

ساده ترین و طولانی ترین نوع پروب ها پروب های غیرفعال با تقسیم کننده ولتاژ جبرانی هستند - شکل 5.1. تقسیم کننده ولتاژ حول مقاومت های R1 و R2 ساخته شده است و R2 می تواند به سادگی امپدانس ورودی اسیلوسکوپ باشد.

برنج. 5.1. مدار تقسیم کننده جبرانی

پارامترهای تقسیم کننده در جریان مستقیم با فرمول های زیر محاسبه می شوند:

به عنوان مثال، اگر R2 = 1 MΩ و R1 = 9 MΩ، آنگاه RIN = 10 MΩ و KD = 1/10. بنابراین، مقاومت ورودی 10 برابر افزایش می یابد، اما سطح ولتاژ در ورودی اسیلوسکوپ نیز 10 برابر کاهش می یابد.

در حالت کلی (در جریان متناوب)، نسبت تقسیم کننده را می توان به صورت (τ1 = R1C1 و τ2 = C2R2) نوشت:

. (5.3)

بنابراین، هنگامی که ثابت های زمانی τ1 و τ2 برابر باشند، ضریب انتقال تقسیم کننده دیگر به فرکانس بستگی ندارد و با مقدار آن در جریان مستقیم برابر است. چنین تقسیم کننده ای جبران شده نامیده می شود. ظرفیت C2 ظرفیت کل کابل، محل نصب و ظرفیت ورودی اسیلوسکوپ است. در عمل، برای دستیابی به شرایط جبران، خازن C1 (یا C2) باید تنظیم شود، به عنوان مثال، با استفاده از یک خازن صاف کننده با ظرفیت متغیر - یک صاف کننده (نگاه کنید به شکل 5.2.). تنظیم با یک پیچ گوشتی پلاستیکی ویژه که در مجموعه لوازم جانبی پروب موجود است انجام می شود. این شامل نکات مختلف، آداپتورها، برچسب های رنگی و سایر چیزهای کوچک مفید است.

برنج. 5.2. طراحی یک کاوشگر غیرفعال استاندارد HP-9250 بر اساس یک تقسیم کننده جبران شده با فرکانس

هنگام جبران اعوجاج یک پالس مستطیلی (پیچان)، که معمولاً توسط کالیبراتور تعبیه شده در اسیلوسکوپ ایجاد می شود، هیچ وجود ندارد (نگاه کنید به شکل 5.3). هنگامی که بالای پالس می افتد، جبران کم مشاهده می شود و زمانی که پالس بالا می رود، جبران بیش از حد مشاهده می شود. ماهیت اسیلوگرام ها نیز در شکل 1 نشان داده شده است. 3 (گرفته شده با اسیلوسکوپ TDS 2024 با پروب P2200). توصیه می شود حداکثر جبران شود تصویر بزرگشکل موج کانال مربوطه

برنج. 5.3. اسیلوسکوپ اسیلوسکوپ Tektronix TDS 2024 شکل موج اسیلوسکوپ اسیلوسکوپ با درجات مختلف جبران (از بالا به پایین): جبران طبیعی، جبران بیش از حد و جبران کم

هنگام کار با یک اسیلوسکوپ چند کاناله، پروب ها باید به صورت جداگانه برای هر کانال استفاده شوند. برای انجام این کار، آنها باید (اگر قبلاً در کارخانه انجام نشده است) پروب ها را با برچسب هایی با رنگ های مختلف که معمولاً مربوط به رنگ خطوط شکل موج است علامت گذاری کنند. اگر این قانون رعایت نشود، به دلیل گسترش اجتناب ناپذیر ظرفیت های ورودی هر کانال، جبران نادرست خواهد بود.

برای تقسیم کننده 1:10، R1 باید 9R2 باشد. این بدان معنی است که ظرفیت C1 باید 9 برابر کوچکتر از ظرفیت ورودی C2 باشد. ظرفیت ورودی تقسیم کننده با تعیین می شود اتصال سریال C1 و C2:

(5.4)

مقدار تقریبی برای KD"1 و C1"C2 معتبر است. با KD = 10، ظرفیت ورودی تقسیم کننده تقریبا 10 برابر کمتر از ظرفیت ورودی اسیلوسکوپ است. لازم به یادآوری است که C2 نه تنها شامل ظرفیت ورودی واقعی اسیلوسکوپ می شود، بلکه ظرفیت C1 نیز با مقدار ظرفیت نصب افزایش می یابد. بنابراین در واقع کاهش ظرفیت ورودی تقسیم کننده نسبت به ظرفیت ورودی اسیلوسکوپ چندان محسوس نخواهد بود. با این وجود، این دقیقاً همان چیزی است که کاهش قابل توجه اعوجاج جلوی پالس ها را هنگام کار با یک تقسیم کننده توضیح می دهد.

افزایش مولفه فعال مقاومت ورودی تقسیم کننده همیشه مفید نیست، زیرا هم منجر به تغییر بار روی دستگاه تحت آزمایش می شود و هم در صورت عدم وجود تقسیم کننده و هنگام استفاده از آن، نتایج متفاوتی به دست می آورد. بنابراین، تقسیم کننده ها اغلب به گونه ای طراحی می شوند که امپدانس ورودی اسیلوسکوپ هم هنگام کار بدون تقسیم کننده و هم هنگام کار با آن بدون تغییر باقی می ماند. در این حالت، تقسیم کننده امپدانس ورودی اسیلوسکوپ را افزایش نمی دهد، اما همچنان ظرفیت ورودی را کاهش می دهد.

افزایش سطح سیگنال های مورد مطالعه

حداکثر ولتاژ در ورودی اسیلوسکوپ با حاصل ضرب تعداد تقسیمات گراتیکول آن توسط ضریب انحراف عمودی تعیین می شود. به عنوان مثال، اگر تعداد تقسیمات مقیاس 10 باشد، و ضریب انحراف 5 V/div باشد، ولتاژ ورودی در مقیاس کامل 50 ولت است. اغلب این برای بررسی سیگنال های سطح متوسط ​​​​بالا - بالای ده ها ولت کافی نیست. .

اکثر پروب ها به شما امکان می دهند حداکثر ولتاژ مورد بررسی را در جریان مستقیم و فرکانس پایین از ده ها ولت به 500-600 ولت افزایش دهید. فرکانس های بالاتوان راکتیو ah (و فعال، اختصاص داده شده به مقاومت از دست دادن خازن های پروب) به شدت افزایش می یابد و لازم است حداکثر ولتاژ در ورودی پروب کاهش یابد - شکل 5.4. اگر این شرایط در نظر گرفته نشود، می توانید به سادگی پروب را بسوزانید!

برنج. 5.4. وابستگی حداکثر ولتاژ در ورودی پروب به فرکانس

هرگز از حداکثر سطح ولتاژ ورودی پروب در فرکانس های سیگنال بالا تجاوز نکنید. این می تواند باعث داغ شدن بیش از حد پروب و از کار افتادن آن شود.

گونه‌ای از پروب‌های غیرفعال، پروب‌های ولتاژ بالا هستند. آنها معمولاً دارای نسبت تقسیم 1/100 یا 1/1000 و امپدانس ورودی 10 یا 100 MΩ هستند. مقاومت های تقسیم کننده پروب کم مصرف معمولا ولتاژهای 500-600 ولت را بدون خرابی تحمل می کنند.بنابراین در پروب های ولتاژ بالا، مقاومت R1 (و خازن C1) باید با استفاده از قطعات سری ساخته شوند. این باعث افزایش اندازه سر اندازه گیری پروب می شود.

نمای پروب ولتاژ بالا Tektronix P6015A در شکل نشان داده شده است. 5.5. این کاوشگر دارای یک محفظه عایق خوب با یک حلقه بیرون زده است تا از لغزش انگشتان به مداری که شکل موج ولتاژ آن گرفته می شود جلوگیری کند. پروب را می توان برای ولتاژهای حداکثر 20 کیلو ولت DC و تا 40 کیلو ولت برای پالس های چرخه کاری بالا استفاده کرد. محدوده فرکانس یک اسیلوسکوپ با چنین پروبی به 75 مگاهرتز محدود شده است که برای اندازه گیری در مدارهای ولتاژ بالا بیش از اندازه کافی است.

برنج. 5.5. ظاهرپروب ولتاژ بالا Tektronix P6015A

هنگام کار با پروب های ولتاژ بالا، باید بیشترین اقدامات احتیاطی ممکن را رعایت کرد. ابتدا سیم زمین را وصل کنید و تنها سپس سوزن پروب را به نقطه ای که می خواهید شکل موج ولتاژ به دست آورید وصل کنید. توصیه می شود پروب را محکم کنید و به طور کلی هنگام اندازه گیری دستان خود را از آن جدا کنید.

پروب های ولتاژ بالا برای اسیلوسکوپ های دیجیتال و آنالوگ در دسترس هستند. به عنوان مثال، برای اسیلوسکوپ های آنالوگ پهنای باند منحصر به فرد سری ACK7000/8000، پروب HV-P30 با پهنای باند حداکثر 50 مگاهرتز، تقسیم 1/100، ولتاژ موج سینوسی پیک به پیک 30 کیلوولت و پیک 40 کیلوولت موجود است. ولتاژ پالس امپدانس ورودی پروب 100 MΩ، ظرفیت ورودی 7 pF، طول کابل 4 متر، کانکتور خروجی BNC. یکی دیگر از پروب های تقسیم HV-P60 1/2000 را می توان با حداکثر ولتاژ تا 60 کیلو ولت برای موج سینوسی و تا 80 کیلو ولت برای سیگنال پالس استفاده کرد. امپدانس ورودی پروب 1000 MΩ است، ظرفیت ورودی 5 pF است. جدیت این محصولات با قیمت بالای آنها - حدود 66000 و 124000 روبل (طبق لیست قیمت Elix) به وضوح نشان داده می شود.

پروب های اصلاح شده با پاسخ فرکانس

اغلب از پروب های غیرفعال برای اصلاح پاسخ فرکانسی اسیلوسکوپ ها استفاده می شود. گاهی اوقات این اصلاحی است که برای گسترش پهنای باند طراحی شده است، اما بیشتر اوقات مشکل معکوس حل می شود - باریک کردن پهنای باند برای کاهش اثر نویز هنگام مشاهده سیگنال های سطح پایین و حذف اسپک های سریع در لبه های سیگنال های ضربه ای.
این پروب ها (P2200) همراه با اسیلوسکوپ های تولید انبوه Tektronix TDS 1000B/2000B عرضه می شوند. ظاهر آنها در شکل نشان داده شده است. 5.6.

پارامترهای اصلی پروب ها در جدول آورده شده است. 5.1.

جدول 5.1. پارامترهای اساسی پروب های غیرفعال P2200

برنج. 5.6. پروب غیرفعال P2200 با فیلتر پایین گذر داخلی در موقعیت سوئیچ تقسیم ولتاژ 1/10

از جدول. 5.1 به وضوح مشاهده می شود که استفاده از یک پروب با ضریب تقسیم 1/1 تنها در مطالعه دستگاه های فرکانس پایین توصیه می شود، زمانی که یک باند فرکانسی تا 6.5 مگاهرتز کافی است. در سایر موارد، توصیه می شود با یک پروب با نسبت تقسیم 1/10 کار کنید. این باعث کاهش ظرفیت ورودی از 110 pF به حدود 15 pF و افزایش پهنای باند از 6.5 مگاهرتز به 200 مگاهرتز می شود. اسیلوگرام یک پیچ و خم با فرکانس 10 مگاهرتز، نشان داده شده در شکل. 5.7، درجه اعوجاج اسیلوگرام ها را در ضریب تقسیم 1/10 و 1/1 به خوبی نشان می دهد. در هر دو مورد، یک کاوشگر قلاب دار استاندارد با سیم زمین بلند (10 سانتی متر) با یک کروکودیل استفاده شد. یک موج مربعی با زمان افزایش 5 ns از یک ژنراتور Tektronix AFG 3101 به دست آمد.

برنج. 5.7. شکل موج 10 مگاهرتز (موج مربع) با استفاده از اسیلوسکوپ 200 مگاهرتز Tektronix TDS 2024B با پروب P2200 در ضریب تقسیم 1/10 (شکل موج بالایی) و 1/1 (شکل موج پایین)

به راحتی می توان مشاهده کرد که در هر دو مورد، نوسان نگارهای سیگنال مشاهده شده (که برای ژنراتورهای AFG 3101 در فرکانس 10 مگاهرتز نزدیک به ایده آل است و دارای قسمت های صاف بدون اشاره ای به "زنگ" است) به شدت اعوجاج دارند. با این حال، ماهیت تحریف متفاوت است. با موقعیت تقسیم کننده 1/10، شکل سیگنال نزدیک به یک پیچ و خم است و دارای جبهه های کوتاه است، اما توسط نوسانات میرا ناشی از اندوکتانس یک سیم زمین بلند مخدوش می شود - شکل. 8. و در موقعیت تقسیم کننده 1/1، نوسانات میرا ناپدید شدند، اما افزایش قابل توجهی در ثابت زمانی سیستم "پروب-اسیلوسکوپ" به وضوح قابل توجه است. در نتیجه به جای پیچ و خم، پالس های دندانه اره ای با افزایش و سقوط تصاعدی مشاهده می شود.

برنج. 5.8. طرح اتصال پروب به بار RL

پروب های دارای تصحیح داخلی باید دقیقاً برای هدف مورد نظر خود مورد استفاده قرار گیرند، با در نظر گرفتن تفاوت شدید در ویژگی های فرکانس در موقعیت های مختلف تقسیم کننده ولتاژ.

در نظر گرفتن پارامترهای پروب

اجازه دهید داده های معمولی مدار را در شکل. 5.8: مقاومت داخلی منبع سیگنال Ri=50 اهم، مقاومت بار RL>>Ri، مقاومت ورودی پروب RP=10 MΩ، ظرفیت ورودی پروب CP=15 pF. با چنین داده هایی از عناصر مدار، به یک سریال تبدیل می شود مدار نوسانیحاوی مقاومت R≈Ri، اندوکتانس سیم زمین L≈LG (از مرتبه 100-120 nH) و ظرفیت C≈CP.

اگر یک افت ولتاژ ایده آل E به ورودی چنین مداری اعمال شود، وابستگی زمانی ولتاژ در C (و ورودی اسیلوسکوپ) به صورت زیر خواهد بود:

(5.5)

محاسبات نشان می‌دهد که این وابستگی می‌تواند برای L بزرگ و R کوچک یک افت قابل توجهی داشته باشد، که در اسیلوگرام بالایی در شکل مشاهده شده است. 5.7. با α/δ=1، این افزایش بیش از 4 درصد دامنه افت نیست، که یک شاخص کاملا رضایت بخش است. برای انجام این کار، مقدار L=LG باید برابر با:

برای مثال، اگر C=15pF و R=50Ω، آنگاه L=19nH. برای کاهش L به چنین مقداری (از مرتبه معمولی 100-120 nH برای یک سیم زمین به طول 10 سانتی متر)، لازم است سیم زمین (احتمالاً سیگنال) را به طول کمتر از 2 سانتی متر کوتاه کنید. برای انجام این کار. ، نازل را از سر پروب بردارید و استفاده از سیم سیم استاندارد زمین را کنار بگذارید. ابتدای پروب در این مورد با یک سوزن تماسی و یک نوار خاکی استوانه ای (شکل 5.9) با اندوکتانس کم نشان داده می شود.

برنج. 5.9. سر پروب با نوک برداشته شده (چپ) و آداپتور به کانکتور کواکس (راست)

اثربخشی اقدامات مورد استفاده برای مبارزه با "زنگ" در شکل 1 نشان داده شده است. 5.10. شکل موج یک موج مربعی 10 مگاهرتز را با پروب به طور معمول روشن و با نوک برداشته شده و بدون سیم زمین بلند روشن می شود. می توان به وضوح حذف تقریباً کامل میرایی آشکار را مشاهده کرد فرآیندهای نوسانیدر شکل موج پایین نوسانات کوچک در بالا با فرآیندهای موج در کابل کواکسیال اتصال همراه است، که در چنین پروب هایی بدون تطبیق در خروجی عمل می کند، که بازتاب سیگنال ایجاد می کند.

برنج. 5.10. اسیلوگرام های موج مربعی 10 مگاهرتز با پروب روشن به طور معمول (شکل موج بالایی) و روشن با نازل برداشته شده و بدون سیم زمین بلند (شکل موج پایین تر)

برای به دست آوردن اسیلوگرام هایی با زمان خیز بسیار کوتاه و "زنگ"، باید اقداماتی برای کاهش القایی مدار اندازه گیری شده تا حد مجاز انجام داد: نوک پروب را بردارید و پروب را با استفاده از یک سوزن و یک درج زمین استوانه ای وصل کنید. تمام اقدامات ممکن برای کاهش القایی مداری که سیگنال در آن مشاهده می شود باید انجام شود.
پارامترهای مهم سیستم پروب-اسیلوسکوپ زمان افزایش سیستم (در سطوح 0.1 و 0.9) و پهنای باند یا حداکثر فرکانس (در سطح roll-off 3 dB) است. اگر از مقدار شناخته شده فرکانس تشدید مدار استفاده کنیم

, (5.7)
سپس می توانیم مقدار R را بر حسب فرکانس تشدید مدار بیان کنیم که فرکانس محدود کننده مسیر سیستم انحراف را تعیین می کند:

. (5.8)
به راحتی می توان ثابت کرد که زمان رسیدن ولتاژ u(t) به مقدار E دامنه افت برابر است با:

. (5.10)

این مقدار معمولاً به عنوان زمان ته نشینی پروب با پاسخ گذرا بهینه در نظر گرفته می شود. کل زمان خیز یک اسیلوسکوپ با پروب را می توان به صورت زیر تخمین زد:

, (5.11)
جایی که tosc زمان خیز اسیلوسکوپ است (زمانی که یک سیگنال مستقیماً به ورودی کانال مربوطه اعمال می شود). فرکانس قطع بالایی fmax (این همچنین باند فرکانسی است) به صورت تعریف شده است

. (5.12).
به عنوان مثال یک اسیلوسکوپ با t0=1 ns دارای fmax=350 مگاهرتز است. گاهی اوقات ضریب 0.35 به 0.4-0.45 افزایش می یابد، زیرا پاسخ فرکانسی بسیاری از اسیلوسکوپ های مدرن با fmax> 1 گیگاهرتز با گاوسی متفاوت است که با ضریب 0.35 مشخص می شود.

یکی دیگر از پارامترهای مهم پروب ها - زمان تاخیر سیگنال ts را فراموش نکنید. این زمان در درجه اول توسط زمان تاخیر خطی (به ازای هر 1 متر طول کابل) و طول کابل تعیین می شود. معمولاً از واحد تا ده ها ns متغیر است. برای جلوگیری از تأثیر تأخیر بر موقعیت نسبی اسیلوسکوپ‌ها روی صفحه یک اسیلوسکوپ چند کاناله، باید از پروب‌هایی از همان نوع با کابل‌هایی با طول یکسان در همه کانال‌ها استفاده شود.

اتصال پروب ها به منابع سیگنال

اتصال پروب ها به نقاط مورد نظر دستگاه های مورد آزمایش را می توان با استفاده از نوک ها، نازل ها، قلاب ها و میکرو کروکودیل های مختلفی انجام داد که اغلب در کیت لوازم جانبی پروب موجود است. با این حال، اغلب دقیق ترین اندازه گیری ها هنگام اتصال با استفاده از سوزن پروب اولیه انجام می شود - شکل را ببینید. 5.11 یا دو سوزن. هنگام توسعه دستگاه های فرکانس بالا و پالس بر روی برد مدار چاپی، پدهای تماس ویژه یا سوراخ های متالایزه برای این کار ارائه می شود.

برنج. 5.11. اتصال پروب به پدها تخته مدار چاپیدستگاه در دست بررسی

مخصوصاً در زمان ما، اتصال پروب ها به پدهای تماس تخته های مدار چاپی مینیاتوری، هیبریدی و یکپارچه است. مدارهای یکپارچه }