Zdalna sonda do wykresu oscyloskopu. Aktywne sondy o niskiej pojemności wejściowej. Sondy z korekcją odpowiedzi częstotliwościowej

Niezależnie od klasy urządzeń, aby przeanalizować określone sygnały, konieczne jest doprowadzenie badanych sygnałów na wejścia urządzeń. Bardzo rzadko udaje się zbliżyć ich źródła do wejść oscyloskopów i analizatorów. Często są one zlokalizowane w odległości od ułamka metra do kilku metrów. Oznacza to, że wyjątkowy pasujące urządzenia, połączone pomiędzy źródłami sygnału i wejściami oscyloskopu i analizatorów.
Zazwyczaj sondy są używane do następujących ważnych celów:

Zdalne połączenie oscyloskop do przedmiotu badań;
zmniejszanie czułości pionowych (czasami poziomych) kanałów odchylających i badanie sygnałów wysokiego poziomu (sondy pasywne);
odsprzęganie obwodów pomiarowych od zespołów oscyloskopowych (sond optycznych);
wysokie tłumienie sygnału i badania sygnałów w obwodach wysokiego napięcia (sondy wysokiego napięcia);
zwiększenie rezystancji wejściowej i zmniejszenie pojemności wejściowej (skompensowane dzielniki i sondy wzmacniakowe);
korekta odpowiedzi amplitudowo-częstotliwościowej układu sonda-oscyloskop;
uzyskanie oscylogramów prądu (sondy prądowe);
selekcja sygnałów przeciwfazowych i tłumienie sygnałów sygnału wspólnego (sondy różnicowe);
zwiększenie czułości oscyloskopów (sond aktywnych);
celów specjalnych (na przykład dopasowanie wyjść szerokopasmowych źródeł sygnału do wejścia 50-omowego oscyloskopu).

Jest całkiem oczywiste, że rola sond jest bardzo ważna i czasami w niczym nie ustępuje znaczeniu samych oscyloskopów i analizatorów. Często jednak rola sond jest niedoceniana i jest to poważny błąd początkujących użytkowników tych urządzeń. Poniżej znajdują się główne typy sond i innych akcesoriów do oscyloskopów, analizatorów widma, analizatorów sygnałów i analizatorów logicznych.

Sondy oparte na kompensowanym dzielniku

Najprostszym i najdłużej stosowanym typem sond są sondy pasywne z kompensowanym dzielnikiem napięcia - rys. 5.1. Dzielnik napięcia zbudowany jest na rezystorach R1 i R2, a R2 może być po prostu rezystancją wejściową oscyloskopu.

Ryż. 5.1. Kompensowany obwód dzielnika

Parametry dzielnika prądu stałego oblicza się ze wzorów:

Na przykład, jeśli R2 = 1 MOhm i R1 = 9 MOhm, to ma RВХ = 10 MOhm i KD = 1/10. W ten sposób rezystancja wejściowa wzrasta 10-krotnie, ale poziom napięcia dostarczanego na wejście oscyloskopu również spada 10-krotnie.

W ogólnym przypadku (na prądzie przemiennym) dla współczynnika przenikania dzielnika można zapisać wyrażenie (τ1= R1C1 i τ2= C2R2):

. (5.3)

Zatem, jeśli stałe czasowe τ1 i τ2 są równe, współczynnik przenikania dzielnika przestaje zależeć od częstotliwości i jest równy jego wartości przy prądzie stałym. Taki dzielnik nazywa się kompensowanym. Pojemność C2 to całkowita pojemność kabla, pojemność montażowa i wejściowa oscyloskopu. W praktyce, aby osiągnąć warunek kompensacji, należy wyregulować pojemność C1 (lub C2) np. Za pomocą trymera o zmiennym kondensatorze - trymer (patrz rys. 5.2.). Regulację przeprowadza się za pomocą specjalnego plastikowego śrubokręta znajdującego się w zestawie akcesoriów sondy. Zawiera różne końcówki, adaptery, kolorowe naklejki i inne przydatne drobiazgi.

Ryż. 5.2. Konstrukcja standardowej sondy pasywnej HP-9250 oparta na dzielniku z kompensacją częstotliwości

Po skompensowaniu nie ma zniekształceń impulsu prostokątnego (meandera), zwykle wytwarzanego przez kalibrator wbudowany w oscyloskop (patrz rys. 5.3). Gdy szczyt impulsu maleje, obserwuje się niedokompensację, a gdy wzrasta, obserwuje się nadkompensację. Charakter oscylogramów pokazano również na ryc. 3 (wykonane za pomocą oscyloskopu TDS 2024 z sondą P2200). Zaleca się przeprowadzenie kompensacji na maksimum duży obraz oscylogramy odpowiedniego kanału.

Ryż. 5.3. Oscylogramy impulsów kalibratora oscyloskopu Tektronix TDS 2024 przy różnym stopniu kompensacji (od góry do dołu): kompensacja normalna, nadkompensacja i niedokompensacja

Pracując z oscyloskopem wielokanałowym należy stosować sondy indywidualnie dla każdego kanału. W tym celu należy je oznaczyć (jeśli nie zostało to już zrobione fabrycznie) naklejkami w różnych kolorach, zwykle odpowiadających kolorom linii oscylogramu. Jeśli nie zastosujesz się do tej zasady, to ze względu na nieuniknione zmiany pojemności wejściowych każdego kanału kompensacja będzie niedokładna.

W przypadku dzielnika 1:10 rezystor R1 powinien być równy 9R2. Oznacza to, że pojemność C1 musi być 9 razy mniejsza niż pojemność wejściowa C2. Określana jest pojemność wejściowa dzielnika połączenie szeregowe C1 i C2:

(5.4)

Przybliżona wartość obowiązuje dla KD»1 i C1 «C2. Przy KD =10 pojemność wejściowa dzielnika jest prawie 10 razy mniejsza niż pojemność wejściowa oscyloskopu. Należy pamiętać, że C2 obejmuje nie tylko rzeczywistą pojemność wejściową oscyloskopu, ale także pojemność C1 powiększoną o wielkość pojemności montażowej. Dlatego w rzeczywistości spadek pojemności wejściowej dzielnika w porównaniu z pojemnością wejściową oscyloskopu nie będzie tak zauważalny. Niemniej jednak właśnie to wyjaśnia znaczną redukcję zniekształceń frontów impulsów podczas pracy z dzielnikiem.

Zwiększanie składowej czynnej rezystancji wejściowej dzielnika nie zawsze jest przydatne, ponieważ prowadzi również do zmiany obciążenia badanego urządzenia i uzyskuje się inne wyniki w przypadku braku dzielnika i podczas jego używania. Dlatego dzielniki są często projektowane w taki sposób, że impedancja wejściowa oscyloskopu pozostaje niezmieniona zarówno podczas pracy bez dzielnika, jak i podczas pracy z nim. W tym przypadku dzielnik nie zwiększa impedancji wejściowej oscyloskopu, ale nadal zmniejsza pojemność wejściową.

Zwiększanie poziomu badanych sygnałów

Maksymalne napięcie na wejściu oscyloskopu określa się jako iloczyn liczby podziałów siatki jego skali przez współczynnik odchylenia pionowego. Przykładowo, jeśli liczba podziałek siatki wynosi 10, a współczynnik odchylenia wynosi 5 V/dz, to całkowite wahania napięcia na wejściu wynoszą 50 V. Często to nie wystarcza do badania sygnałów nawet o umiarkowanie wysokich poziomach - powyżej dziesiątek woltów.

Większość sond pozwala na zwiększenie maksymalnego napięcia testowego przy prądzie stałym i niskiej częstotliwości od kilkudziesięciu V do 500-600 V. Jednakże wysokie częstotliwości ah moc bierna (i moc czynna, uwalniana przy rezystancji strat kondensatorów sondy) gwałtownie wzrasta i konieczne jest zmniejszenie maksymalnego napięcia na wejściu sondy - rys. 5.4. Jeśli nie weźmiesz pod uwagę tej okoliczności, możesz po prostu spalić próbkę!

Ryż. 5.4. Zależność maksymalnego napięcia na wejściu sondy od częstotliwości

Przy wysokich częstotliwościach sygnału nigdy nie należy przekraczać maksymalnego napięcia wejściowego sondy. Może to spowodować przegrzanie i awarię sondy.

Rodzaj sondy pasywnej to sonda wysokonapięciowa. Zwykle mają współczynnik podziału 1/100 lub 1/1000 i impedancję wejściową 10 lub 100 MΩ. Rezystory dzielnika sondy małej mocy wytrzymują bez przebicia napięcia do 500-600 V. Dlatego w sondach wysokiego napięcia rezystor R1 (i kondensator C1) muszą być wykonane przy użyciu elementów połączonych szeregowo. Zwiększa to rozmiar głowicy pomiarowej sondy.

Widok sondy wysokonapięciowej Tektronix P6015A pokazano na ryc. 5.5. Sonda posiada dobrze izolowany korpus z wystającym pierścieniem, który zapobiega wsuwaniu się palców w obwód, w którym rejestrowany jest przebieg napięcia. Sonda może być stosowana przy napięciach do 20 kV przy napięciu stałym i do 40 kV przy impulsach o dużym cyklu pracy. Zakres częstotliwości oscyloskopu z taką sondą jest ograniczony do 75 MHz, co jest więcej niż wystarczające do pomiarów w obwodach wysokiego napięcia.

Ryż. 5.5. Wygląd Sonda wysokiego napięcia Tektronix P6015A

Podczas pracy z sondami wysokiego napięcia należy zachować największe możliwe środki ostrożności. Najpierw należy podłączyć przewód uziemiający, a dopiero potem podłączyć igłę sondy do miejsca, w którym chcemy uzyskać przebieg napięcia. Zaleca się zabezpieczyć sondę i ogólnie zdjąć z niej ręce podczas wykonywania pomiarów.

Sondy wysokonapięciowe są dostępne zarówno do oscyloskopów cyfrowych, jak i analogowych. Na przykład sonda HV-P30 jest dostępna dla unikalnych szerokopasmowych oscyloskopów analogowych serii ACK7000/8000 o szerokości pasma do 50 MHz, współczynniku podziału 1/100, napięciu międzyszczytowym fali sinusoidalnej 30 kV i napięciu do 40 kV szczytowe napięcie impulsu. Impedancja wejściowa sondy 100 MΩ, pojemność wejściowa 7 pF, długość kabla 4 m, złącze wyjściowe BNC. Inna sonda, HV-P60, ma współczynnik podziału 1/2000 i może być stosowana przy maksymalnych napięciach do 60 kV dla fali sinusoidalnej i do 80 kV dla sygnału impulsowego. Rezystancja wejściowa sondy wynosi 1000 MΩ, pojemność wejściowa wynosi 5 pF. O powadze tych produktów wymownie świadczy ich wysoka cena - około 66 000 i 124 000 rubli (według cennika firmy Elix).

Sondy z korekcją odpowiedzi częstotliwościowej

Sondy pasywne są często używane do korekcji odpowiedzi częstotliwościowej oscyloskopów. Czasami jest to korekta mająca na celu poszerzenie pasma częstotliwości, ale częściej rozwiązuje się problem odwrotny - zawężenie pasma częstotliwości w celu zmniejszenia wpływu szumu podczas obserwacji sygnałów o niskim poziomie i eliminacji szybkich skoków na krawędziach sygnałów impulsowych.
Sondy te (P2200) są dołączone do komercyjnych oscyloskopów serii Tektronix TDS 1000B/2000B. Ich wygląd pokazano na ryc. 5.6.

Główne parametry sond podano w tabeli. 5.1.

Tabela 5.1. Podstawowe parametry sond pasywnych P2200

Ryż. 5.6. Sonda pasywna P2200 z wbudowanym filtrem dolnoprzepustowym w pozycji przełącznika podziału 1/10

Ze stołu 5.1 wyraźnie pokazuje, że użycie sondy o współczynniku podziału 1/1 jest wskazane tylko przy badaniu urządzeń o niskiej częstotliwości, gdy wystarczające jest pasmo częstotliwości do 6,5 MHz. We wszystkich pozostałych przypadkach zaleca się pracę z sondą przy współczynniku podziału 1/10. W tym przypadku pojemność wejściowa zmniejsza się z 110 pF do około 15 pF, a pasmo częstotliwości rozszerza się z 6,5 MHz do 200 MHz. Oscylogramy fali prostokątnej o częstotliwości 10 MHz pokazane na ryc. 5.7 dobrze ilustrują stopień zniekształcenia oscylogramów przy współczynnikach podziału 1/10 i 1/1. W obu przypadkach zastosowano standardowe złącze sondy z końcówką blokującą oraz długi przewód uziemiający (10 cm) z zaciskiem krokodylkowym. Z generatora Tektronix AFG 3101 otrzymano falę prostokątną o czasie narastania 5 ns.

Ryż. 5.7. Przebiegi prostokątne 10 MHz przy użyciu oscyloskopu Tektronix TDS 2024B 200 MHz z sondami P2200 przy współczynniku podziału 1/10 (przebieg górny) i 1/1 (przebieg dolny).

Łatwo zauważyć, że w obu przypadkach oscylogramy obserwowanego sygnału (a dla generatorów AFG 3101 przy częstotliwości 10 MHz są one bliskie ideału i mają gładkie szczyty bez cienia „dzwonienia”) są mocno zniekształcone. Jednak charakter zniekształceń jest inny. Przy położeniu dzielnika 1/10 kształt sygnału jest zbliżony do meandrowego i ma krótkotrwałe fronty, ale jest zniekształcony przez tłumione oscylacje powstałe na skutek indukcyjności długiego przewodu uziemiającego - rys. 8. Natomiast w położeniu dzielnika 1/1 oscylacje tłumione zniknęły, natomiast wyraźnie dało się zauważyć znaczny wzrost stałej czasowej układu sonda-oscyloskop. W rezultacie zamiast meandra obserwuje się impulsy piłokształtne o wykładniczym narastaniu i opadaniu.

Ryż. 5.8. Schemat podłączenia sondy do obciążenia RL

Sondy z wbudowaną korekcją należy używać ściśle zgodnie z ich przeznaczeniem, biorąc pod uwagę dużą różnicę charakterystyk częstotliwościowych w różnych położeniach dzielnika napięcia.

Uwzględnianie parametrów sondy

Typowe dane obwodu przedstawiamy na ryc. 5.8: rezystancja wewnętrzna źródła sygnału Ri=50 Ohm, rezystancja obciążenia RL>>Ri, rezystancja wejściowa sondy RP=10 MOhm, pojemność wejściowa sondy CP=15 pF. Biorąc pod uwagę takie elementy obwodu, degeneruje się on w sekwencyjny obwód oscylacyjny, zawierający rezystancję R≈Ri, indukcyjność przewodu uziemiającego L≈LG (około 100-120 nH) i pojemność C≈CP.

Jeżeli na wejście takiego obwodu przyłożymy idealny spadek napięcia E, wówczas zależność napięcia na C (i wejściu oscyloskopu) od czasu będzie wyglądać następująco:

(5.5)

Z obliczeń wynika, że zależność ta może mieć znaczne przekroczenie przy dużym L i małym R, co widać na górnym oscylogramie na rys. 5.7. Przy α/δ=1 wzrost ten wynosi nie więcej niż 4% amplitudy różnicy, co jest wskaźnikiem w pełni zadowalającym. W tym celu należy wybrać wartość L=LG równą:

Na przykład, jeśli C=15 pF i R=50 Ohm, to L=19 nH. Aby zredukować L do takiej wartości (z typowego rzędu 100-120 nH dla przewodu uziemiającego o długości 10 cm), należy w tym celu skrócić przewód uziemiający (ewentualnie sygnałowy) do długości mniejszej niż 2 cm , zdejmij dyszę z głowicy sondy i zrezygnuj ze stosowania standardowych przewodów uziemiających. Początek sondy w tym przypadku będzie reprezentowany przez igłę kontaktową i cylindryczny pasek uziemiający (ryc. 5.9) o niskiej indukcyjności.

Ryż. 5.9. Głowica sondy ze zdjętą końcówką (po lewej) i adapterem do złącza koncentrycznego (po prawej)

Skuteczność środków stosowanych w walce z obrączkowaniem ilustruje ryc. 5.10. Pokazuje przebieg fali prostokątnej 10 MHz, gdy sonda jest włączona normalnie oraz gdy sonda jest włączona ze zdjętą końcówką i bez długiego przewodu uziemiającego. Wyraźnie widać niemal całkowitą eliminację oczywistego tłumienia procesy oscylacyjne na dolnym oscylogramie. Niewielkie wahania u góry związane są z procesami falowymi w łączącym kablu koncentrycznym, który w takich sondach pracuje bez dopasowania na wyjściu, co powoduje odbicia sygnału.

Ryż. 5.10. Oscylogramy fali prostokątnej 10 MHz, gdy sonda jest włączona normalnie (przebieg górny) i włączona przy wyjętej dyszy i bez długiego przewodu uziemiającego (przebieg dolny)

Aby uzyskać oscylogramy o wyjątkowo krótkich czasach narastania i dzwonienia, należy podjąć działania minimalizujące indukcyjność mierzonego obwodu: zdjąć końcówkę sondy i podłączyć sondę za pomocą igły i cylindrycznej wkładki uziemiającej. Należy podjąć wszelkie możliwe działania, aby zmniejszyć indukcyjność obwodu, w którym obserwowany jest sygnał.
Ważnymi parametrami układu sonda-oscyloskop są czas narastania układu (na poziomach 0,1 i 0,9) oraz szerokość pasma lub częstotliwość maksymalna (przy poziomie spadku czułości 3 dB). Jeśli użyjemy znanej wartości częstotliwości rezonansowej obwodu

, (5.7)
wówczas możemy wyrazić wartość R poprzez częstotliwość rezonansową obwodu, która określa częstotliwość graniczną ścieżki układu odchylania:

. (5.8)
Łatwo wykazać, że w momencie osiągnięcia przez napięcie u(t) wartości E amplitudy spadku będzie ona równa:

. (5.10)

Wartość tę przyjmuje się zwykle jako czas ustalania sondy przy optymalnej odpowiedzi na stany przejściowe. Całkowity czas narastania oscyloskopu z sondą można oszacować jako:

, (5.11)
gdzie tosc jest czasem narastania oscyloskopu (gdy sygnał jest podawany bezpośrednio na wejście odpowiedniego kanału). Górną częstotliwość graniczną fmax (która jest jednocześnie pasmem częstotliwości) definiuje się jako

. (5.12).
Na przykład oscyloskop z t0=1 ns ma fmax=350 MHz. Czasami mnożnik 0,35 zwiększa się do 0,4-0,45, ponieważ charakterystyka częstotliwościowa wielu nowoczesnych oscyloskopów z fmax>1 GHz różni się od odpowiedzi Gaussa, która charakteryzuje się mnożnikiem 0,35.

Nie zapomnij o jeszcze jednym ważnym parametrze sond - czasie opóźnienia sygnału tз. O czasie tym decyduje przede wszystkim czas opóźnienia liniowego (na 1 m długości kabla) oraz długość kabla. Zwykle waha się od jednostek do dziesiątek ns. Aby zapobiec wpływowi opóźnienia na względną pozycję oscylogramów na ekranie oscyloskopu wielokanałowego, należy we wszystkich kanałach używać sond tego samego typu z kablami o tej samej długości.

Podłączanie sond do źródeł sygnału

Podłączenie sond do wybranych punktów badanych urządzeń może odbywać się za pomocą różnych końcówek, dysz, haczyków i „mikrokrokodyli”, które często znajdują się w zestawie akcesoriów sondy. Najczęściej jednak najdokładniejsze pomiary wykonuje się przy podłączeniu za pomocą igły sondy pierwotnej – patrz rys. 5.11 lub dwie igły. Podczas opracowywania urządzeń wysokiej częstotliwości i impulsów na płytce drukowanej przewidziano w tym celu specjalne pola stykowe lub metalizowane otwory.

Ryż. 5.11. Podłączenie sondy do elektrod płytka drukowana badane urządzenie

Szczególnie ważne w naszych czasach jest podłączanie sond do pól stykowych miniaturowych płytek drukowanych, hybrydowych i monolitycznych. obwody scalone }