Vzdialená sonda pre obvod osciloskopu. Aktívne sondy s nízkou vstupnou kapacitou. Sondy s korekciou frekvenčnej odozvy

Bez ohľadu na triedu zariadení na analýzu určitých signálov je potrebné priviesť študované signály na vstupy zariadení. Ich zdroje sa veľmi zriedka dokážu priblížiť k vstupom osciloskopov a analyzátorov. Často sa nachádzajú vo vzdialenosti zlomkov metra až niekoľkých metrov. To znamená, že sú potrebné špeciálne zariadenia na prispôsobenie medzi zdrojmi signálu a vstupmi osciloskopu a analyzátorov.
Sondy sa zvyčajne používajú na tieto dôležité účely:

  • vzdialené pripojenie osciloskop k predmetu štúdia;
  • zníženie citlivosti vertikálnych (niekedy horizontálnych) kanálov odchýlky a štúdium vysokoúrovňových signálov (pasívne sondy);
  • izolácia meracích obvodov od uzlov osciloskopu (optické sondy);
  • veľký útlm signálu a štúdium signálov vo vysokonapäťových obvodoch (vysokonapäťové sondy);
  • zvýšenie vstupného odporu a zníženie vstupnej kapacity (kompenzované deliče a sondy - opakovače);
  • korekcia amplitúdovo-frekvenčnej charakteristiky systému sonda-osciloskop;
  • získavanie priebehov prúdu (prúdové sondy);
  • výber protifázových signálov a potlačenie signálov spoločného režimu (diferenciálne sondy);
  • zvýšenie citlivosti osciloskopov (aktívnych sond);
  • špeciálne účely (napríklad prispôsobenie výstupov širokopásmových zdrojov signálu s 50-ohmovým vstupom osciloskopu).

Je zrejmé, že úloha sond je veľmi dôležitá a niekedy nie je nižšia ako dôležitosť samotných osciloskopov a analyzátorov. Úloha sond sa však často podceňuje a to je vážna chyba začínajúcich používateľov týchto zariadení. Nižšie sú uvedené hlavné typy sond a ďalšie príslušenstvo pre osciloskopy, analyzátory spektra a signálov a logické analyzátory.

Kompenzované deliace sondy

Najjednoduchším a dlhodobo používaným typom sond sú pasívne sondy s kompenzovaným deličom napätia - obr. 5.1. Delič napätia je postavený okolo rezistorov R1 a R2 a R2 môže byť jednoducho vstupná impedancia osciloskopu.

Ryža. 5.1. Kompenzovaný deličový obvod

Parametre deliča pri jednosmernom prúde sa vypočítajú podľa vzorcov:

Napríklad, ak R2 = 1 MΩ a R1 = 9 MΩ, potom RIN = 10 MΩ a KD = 1/10. Vstupný odpor sa teda zvýši 10-násobne, ale úroveň napätia na vstupe osciloskopu tiež 10-násobne klesá.

Vo všeobecnom prípade (pri striedavom prúde) možno pomer deliča zapísať ako (τ1= R1C1 a τ2= C2R2):


. (5.3)

Keď sú teda časové konštanty τ1 a τ2 rovnaké, koeficient prenosu deliča prestáva závisieť od frekvencie a rovná sa jeho hodnote pri jednosmernom prúde. Takýto delič sa nazýva kompenzovaný. Kapacita C2 je celková kapacita kábla, montáže a vstupnej kapacity osciloskopu. V praxi je na dosiahnutie podmienky kompenzácie nutné upraviť kapacitu C1 (alebo C2) napríklad pomocou trimovacieho kondenzátora s premenlivou kapacitou - trimra (viď obr. 5.2.). Nastavenie sa vykonáva pomocou špeciálneho plastového skrutkovača, ktorý je súčasťou súpravy príslušenstva sondy. Súčasťou sú rôzne tipy, adaptéry, farebné nálepky a iné užitočné drobnosti.

Ryža. 5.2. Dizajn štandardnej pasívnej sondy HP-9250 na báze frekvenčne kompenzovaného deliča

Pri kompenzácii skreslenia pravouhlého impulzu (meandra), zvyčajne vytvoreného kalibrátorom zabudovaným v osciloskope, neexistujú (viď obr. 5.3). Keď vrchol pulzu klesne, pozoruje sa nedostatočná kompenzácia a keď pulz stúpa, pozoruje sa nadmerná kompenzácia. Charakter oscilogramov je tiež znázornený na obr. 3 (snímané osciloskopom TDS 2024 so sondou P2200). Odporúča sa kompenzovať na maximum veľký obraz priebehy príslušného kanála.

Ryža. 5.3. Osciloskop Tektronix TDS 2024 priebehy osciloskopu osciloskopu s rôznymi stupňami kompenzácie (zhora nadol): normálna kompenzácia, nadmerná kompenzácia a podkompenzácia

Pri práci s viackanálovým osciloskopom by sa sondy mali používať samostatne pre každý kanál. Aby sa to dosiahlo, musia byť označené (ak to už nie je urobené vo výrobe) sondy s nálepkami rôznych farieb, zvyčajne zodpovedajúcich farbám čiar priebehu. Ak toto pravidlo nie je dodržané, potom v dôsledku nevyhnutného rozšírenia vstupných kapacít každého kanála bude kompenzácia nepresná.

Pre rozdeľovač 1:10 by R1 malo byť 9R2. To znamená, že kapacita C1 musí byť 9-krát menšia ako vstupná kapacita C2. Vstupná kapacita deliča je určená sériové pripojenie C1 a C2:


(5.4)

Približná hodnota platí pre KD"1 a C1"C2. Pri KD = 10 je vstupná kapacita deliča takmer 10-krát menšia ako vstupná kapacita osciloskopu. Malo by sa pamätať na to, že C2 zahŕňa nielen skutočnú vstupnú kapacitu osciloskopu, ale aj kapacita C1 je zvýšená o hodnotu montážnej kapacity. Preto v skutočnosti nebude pokles vstupnej kapacity deliča v porovnaní so vstupnou kapacitou osciloskopu taký citeľný. Napriek tomu práve toto vysvetľuje výrazné zníženie skreslenia čiel impulzov pri práci s deličom.

Zvýšenie aktívnej zložky vstupného odporu deliča nie je vždy užitočné, pretože vedie k zmene zaťaženia testovaného zariadenia a k získaniu rôznych výsledkov v neprítomnosti deliča a pri jeho použití. Preto sú deliče často navrhnuté tak, aby vstupná impedancia osciloskopu zostala nezmenená ako pri práci bez deliča, tak aj pri práci s ním. V tomto prípade delič nezvyšuje vstupnú impedanciu osciloskopu, ale stále znižuje vstupnú kapacitu.

Zvýšenie úrovne študovaných signálov

Maximálne napätie na vstupe osciloskopu je určené súčinom počtu dielikov jeho mriežky faktorom vertikálnej výchylky. Napríklad, ak je počet dielikov stupnice 10 a faktor odchýlky je 5 V/div, potom vstupné napätie v plnom rozsahu je 50 V. Často to nestačí na preskúmanie aj stredne vysokých signálov - nad desiatky voltov .

Väčšina sond umožňuje zvýšiť maximálne skúmané napätie pri jednosmernom prúde a nízkej frekvencii z desiatok V na 500-600 V. Avšak pri vysoké frekvencie ah jalový výkon (a činný, pridelený stratovému odporu kondenzátorov sondy) prudko narastá a je potrebné znížiť maximálne napätie na vstupe sondy - obr. 5.4. Ak sa táto okolnosť neberie do úvahy, potom môžete sondu jednoducho spáliť!

Ryža. 5.4. Závislosť maximálneho napätia na vstupe sondy od frekvencie

Nikdy neprekračujte maximálnu úroveň vstupného napätia sondy pri vysokých frekvenciách signálu. To môže spôsobiť prehriatie a zlyhanie sondy.

Variantom pasívnych sond sú vysokonapäťové sondy. Zvyčajne majú deliaci pomer 1/100 alebo 1/1000 a vstupnú impedanciu 10 alebo 100 MΩ. Nízkoenergetické deličové odpory sondy zvyčajne bez prierazu odolávajú napätiam do 500-600 V. Preto vo vysokonapäťových sondách musí byť rezistor R1 (a kondenzátor C1) vyrobený pomocou sériovo zapojených komponentov. Tým sa zväčší veľkosť meracej hlavy sondy.

Pohľad na vysokonapäťovú sondu Tektronix P6015A je znázornený na obr. 5.5. Sonda má dobre izolované puzdro s vyčnievajúcim krúžkom, aby sa zabránilo vkĺznutiu prstov do obvodu, ktorého priebeh napätia sa sníma. Sonda môže byť použitá pre napätie do 20 kV DC a do 40 kV pre impulzy s vysokým pracovným cyklom. Frekvenčný rozsah osciloskopu s takouto sondou je obmedzený na 75 MHz, čo je viac než dosť na meranie vo vysokonapäťových obvodoch.

Ryža. 5.5. Vzhľad Vysokonapäťová sonda Tektronix P6015A

Pri práci s vysokonapäťovými sondami je potrebné dodržiavať najvyššie možné bezpečnostné opatrenia. Najprv pripojte uzemňovací vodič a až potom pripojte ihlu sondy k bodu, kde chcete získať priebeh napätia. Pri meraní sa odporúča zaistiť sondu a vo všeobecnosti z nej zložiť ruky.

Vysokonapäťové sondy sú dostupné pre digitálne aj analógové osciloskopy. Napríklad pre unikátne širokopásmové analógové osciloskopy série ACK7000/8000 je k dispozícii sonda HV-P30 so šírkou pásma až 50 MHz, delením 1/100, 30 kV špičkovým sínusovým napätím a 40 kV špičkovým impulzné napätie. Vstupná impedancia sondy 100 MΩ, vstupná kapacita 7 pF, dĺžka kábla 4 m, výstupný konektor BNC. Ďalšia sonda HV-P60 s delením 1/2000 môže byť použitá pre maximálne napätie do 60 kV pre sínusový priebeh a do 80 kV pre pulzný signál. Vstupná impedancia sondy je 1000 MΩ, vstupná kapacita je 5 pF. O vážnosti týchto produktov výrečne hovorí ich vysoká cena – cca 66 000 a 124 000 rubľov (podľa cenníka Elix).

Sondy s korekciou frekvenčnej odozvy

Pasívne sondy sa často používajú na korekciu frekvenčnej odozvy osciloskopov. Niekedy ide o korekciu určenú na rozšírenie šírky pásma, ale častejšie sa rieši inverzný problém – zúženie šírky pásma na zníženie vplyvu šumu pri pozorovaní nízkoúrovňových signálov a odstránenie rýchlych špičiek na okrajoch impulzných signálov.
Tieto sondy (P2200) sú dodávané s sériovo vyrábanými osciloskopmi Tektronix TDS 1000B/2000B. Ich vzhľad je znázornený na obr. 5.6.

Hlavné parametre sond sú uvedené v tabuľke. 5.1.

Tabuľka 5.1. Základné parametre pasívnych sond P2200

Ryža. 5.6. Pasívna sonda P2200 so vstavaným dolnopriepustným filtrom v polohe prepínača delenia napätia 1/10

Z tabuľky. 5.1 je jasne vidieť, že použitie sondy s deliacim faktorom 1/1 je vhodné len pri štúdiu nízkofrekvenčných zariadení, kedy postačuje frekvenčné pásmo do 6,5 MHz. Vo všetkých ostatných prípadoch je vhodné pracovať so sondou s deliacim pomerom 1/10. Tým sa zníži vstupná kapacita zo 110 pF na približne 15 pF a zvýši sa šírka pásma zo 6,5 MHz na 200 MHz. Oscilogramy meandru s frekvenciou 10 MHz, znázornené na obr. 5.7, dobre ilustrujú mieru skreslenia oscilogramov pri deliacom faktore 1/10 a 1/1. V oboch prípadoch bola použitá štandardná háčiková sonda s dlhým uzemňovacím drôtom (10 cm) s krokodílom. Štvorcová vlna s dobou nábehu 5 ns bola získaná z generátora Tektronix AFG 3101.

Ryža. 5.7. 10 MHz priebehy (štvorcová vlna) pomocou 200 MHz osciloskopu Tektronix TDS 2024B so sondami P2200 s deliacim faktorom 1/10 (horný priebeh) a 1/1 (dolný priebeh)

Je ľahké vidieť, že v oboch prípadoch sú oscilogramy pozorovaného signálu (ktorý je blízko ideálu pre generátory AFG 3101 na frekvencii 10 MHz a má hladké vrcholy bez náznaku „zvonenia“) silne skreslené. Povaha skreslenia je však odlišná. Pri polohe deliča 1/10 je tvar signálu blízky meandru a má krátke čelá, ale je skreslený tlmenými kmitmi vznikajúcimi od indukčnosti dlhého uzemňovacieho vodiča - obr. 8. A v polohe deliča 1/1 tlmené kmity zmizli, ale zreteľne je badateľný výrazný nárast časovej konštanty systému „sonda-osciloskop“. Výsledkom je, že namiesto meandru sú pozorované pílovité impulzy s exponenciálnym vzostupom a poklesom.

Ryža. 5.8. Schéma pripojenia sondy k záťaži RL

Sondy so zabudovanou korekciou by sa mali používať striktne na určený účel, berúc do úvahy veľký rozdiel vo frekvenčných charakteristikách v rôznych polohách deliča napätia.

Zohľadnenie parametrov sondy

Uvedieme typické údaje obvodu na obr. 5.8: vnútorný odpor zdroja signálu Ri=50 Ohm, odpor záťaže RL>>Ri, vstupný odpor sondy RP=10 MΩ, vstupná kapacita sondy CP=15 pF. S takýmito údajmi obvodových prvkov sa zvrhne na sériový oscilačný obvod obsahujúci odpor R≈Ri, indukčnosť uzemňovacieho vodiča L≈LG (rádovo 100-120 nH) a kapacitu C≈CP.

Ak sa na vstup takéhoto obvodu aplikuje ideálny pokles napätia E, potom bude časová závislosť napätia na C (a vstupe osciloskopu) vyzerať takto:


(5.5)

Výpočty ukazujú, že táto závislosť môže mať významný prekmit pre veľké L a malé R, čo je pozorované v hornom oscilograme na obr. 5.7. Pri α/δ=1 tento nárast nie je väčší ako 4 % amplitúdy poklesu, čo je celkom uspokojivý ukazovateľ. Na tento účel by sa mala hodnota L=LG zvoliť rovná:

Napríklad, ak C=15pF a R=50Ω, potom L=19nH. Na zníženie L na takúto hodnotu (z typickej rady 100-120 nH pre zemniaci vodič s dĺžkou 10 cm) je potrebné skrátiť zemniaci (prípadne signálový) vodič na dĺžku menšiu ako 2 cm. , vyberte trysku z hlavy sondy a nepoužívajte štandardné uzemňovacie drôty. Začiatok sondy bude v tomto prípade reprezentovaný kontaktnou ihlou a valcovým hlineným pásikom (obr. 5.9) s nízkou indukčnosťou.

Ryža. 5.9. Hlava sondy s odstráneným hrotom (vľavo) a adaptérom na koaxiálny konektor (vpravo)

Účinnosť opatrení používaných na boj proti „zvoneniu“ je znázornená na obr. 5.10. Zobrazuje priebehy 10 MHz štvorcovej vlny so sondou normálne zapnutou a zapnutou s odstráneným hrotom a bez dlhého uzemňovacieho vodiča. Je jasne vidieť takmer úplnú elimináciu zjavného tlmenia oscilačné procesy na spodnom tvare vlny. Malé výkyvy v hornej časti sú spojené s vlnovými procesmi v prepojovacom koaxiálnom kábli, ktorý pri takýchto sondách pracuje bez prispôsobenia na výstupe, čo generuje odrazy signálu.

Ryža. 5.10. Oscilogramy 10 MHz štvorcovej vlny so sondou zapnutou normálne (horná vlna) a zapnutou s odstránenou tryskou a bez dlhého uzemňovacieho vodiča (spodná forma vlny)

Na získanie oscilogramov s extrémne krátkymi časmi nábehu a „zvonením“ by sa mali prijať opatrenia na zníženie indukčnosti meraného obvodu na limit: odstráňte hrot sondy a pripojte sondu pomocou ihly a valcovej uzemňovacej vložky. Mali by sa prijať všetky možné opatrenia na zníženie indukčnosti obvodu, v ktorom je signál pozorovaný.
Dôležitými parametrami systému sonda-osciloskop sú čas nábehu systému (pri úrovniach 0,1 a 0,9) a šírka pásma alebo maximálna frekvencia (na úrovni 3 dB roll-off). Ak použijeme známu hodnotu rezonančnej frekvencie obvodu

, (5.7)
potom môžeme hodnotu R vyjadriť pomocou rezonančnej frekvencie obvodu, ktorá určuje medznú frekvenciu dráhy vychyľovacej sústavy:

. (5.8)
Je ľahké dokázať, že čas, kým napätie u(t) dosiahne hodnotu E amplitúdy poklesu, sa bude rovnať:


. (5.10)

Táto hodnota sa zvyčajne berie ako čas ustálenia sondy s optimálnou prechodovou odozvou. Celkový čas nábehu osciloskopu so sondou možno odhadnúť ako:

, (5.11)
kde tosc je čas nábehu osciloskopu (keď je signál privedený priamo na vstup príslušného kanála). Horná medzná frekvencia fmax (je to aj frekvenčné pásmo) je definovaná ako

. (5.12).
Napríklad osciloskop s t0=1 ns má fmax=350 MHz. Niekedy sa faktor 0,35 zvýši na 0,4-0,45, pretože frekvenčná odozva mnohých moderných osciloskopov s fmax> 1 GHz sa líši od gaussovskej, ktorá je charakterizovaná faktorom 0,35.

Nezabudnite na ďalší dôležitý parameter sond - čas oneskorenia signálu ts. Tento čas je určený predovšetkým lineárnym časom oneskorenia (na 1 m dĺžky kábla) a dĺžkou kábla. Zvyčajne sa pohybuje od jednotiek do desiatok ns. Aby oneskorenie neovplyvnilo relatívnu polohu oscilogramov na obrazovke viackanálového osciloskopu, mali by sa vo všetkých kanáloch použiť sondy rovnakého typu s káblami rovnakej dĺžky.

Pripojenie sond k zdrojom signálu

Pripojenie sond k požadovaným bodom testovaných zariadení je možné vykonať pomocou rôznych hrotov, trysiek, háčikov a mikrokrokodílov, ktoré sú často súčasťou súpravy príslušenstva sond. Najčastejšie sa však najpresnejšie merania vykonávajú pri pripojení pomocou ihly primárnej sondy - pozri obr. 5.11 alebo dve ihly. Pri vývoji vysokofrekvenčných a pulzných zariadení na doske plošných spojov sú na to určené špeciálne kontaktné podložky alebo metalizované otvory.

Ryža. 5.11. Pripojenie sondy k podložkám vytlačená obvodová doska vyšetrované zariadenie

V našej dobe je obzvlášť dôležité pripojenie sond ku kontaktným podložkám miniatúrnych dosiek plošných spojov, hybridných a monolitických integrované obvody }