Oddaljena sonda za diagram osciloskopa. Aktivne sonde z nizko vhodno kapacitivnostjo. Sonde s korekcijo frekvenčnega odziva

Ne glede na razred naprav je za analizo določenih signalov potrebno preučevane signale pripeljati na vhode naprav. Njihove vire je zelo redko mogoče približati vhodom osciloskopov in analizatorjev. Pogosto se nahajajo na razdalji od delčka metra do nekaj metrov. To pomeni posebno ujemajoče se naprave, povezan med vire signala in vhode osciloskopa in analizatorjev.
Običajno se sonde uporabljajo za naslednje pomembne namene:

  • oddaljena povezava osciloskop na predmet študije;
  • zmanjšanje občutljivosti navpičnih (včasih vodoravnih) odklonskih kanalov in preučevanje signalov na visoki ravni (pasivne sonde);
  • ločitev merilnih vezij od osciloskopskih enot (optičnih sond);
  • visoko slabljenje signala in raziskave signala v visokonapetostnih tokokrogih (visokonapetostne sonde);
  • povečanje vhodnega upora in zmanjšanje vhodne kapacitivnosti (kompenzirani delilniki in repetitorske sonde);
  • korekcija amplitudno-frekvenčnega odziva sistema sonda-osciloskop;
  • pridobivanje tokovnih oscilogramov (tokovne sonde);
  • izbira protifaznih signalov in zatiranje skupnih signalov (diferencialne sonde);
  • povečanje občutljivosti osciloskopov (aktivne sonde);
  • posebne namene (na primer usklajevanje izhodov virov širokopasovnega signala s 50-ohmskim vhodom osciloskopa).

Povsem očitno je, da je vloga sond zelo pomembna in včasih ni nič manjša od pomena samih osciloskopov in analizatorjev. Toda pogosto je vloga sond podcenjena in to je resna napaka za začetnike teh naprav. Spodaj so glavne vrste sond in drugih dodatkov za osciloskope, spektralne analizatorje, analizatorje signalov in logične analizatorje.

Sonde na osnovi kompenziranega delilnika

Najenostavnejša in dolgotrajna vrsta sond so pasivne sonde s kompenziranim delilnikom napetosti - slika 5.1. Napetostni delilnik je zgrajen na uporih R1 in R2, R2 pa je lahko preprosto vhodni upor osciloskopa.

riž. 5.1. Kompenzirano delilno vezje

Parametri delilnika DC se izračunajo po formulah:

Na primer, če je R2 = 1 MOhm in R1 = 9 MOhm, potem ima RВХ = 10 MOhm in KD = 1/10. Tako se vhodni upor poveča za 10-krat, vendar se napetost, dovedena na vhod osciloskopa, prav tako zmanjša za 10-krat.

V splošnem primeru (na izmenični tok) za koeficient prenosa delilnika lahko zapišete izraz (τ1= R1C1 in τ2= C2R2):


. (5.3)

Torej, če sta časovni konstanti τ1 in τ2 enaki, koeficient prenosa delilnika ni več odvisen od frekvence in je enak njegovi vrednosti pri enosmernem toku. Tak delitelj se imenuje kompenzirani. Kapacitivnost C2 je skupna kapacitivnost kabla, namestitve in vhodne kapacitivnosti osciloskopa. V praksi je treba za dosego kompenzacijskega pogoja prilagoditi kapacitivnost C1 (ali C2), na primer s trimerjem spremenljivega kondenzatorja - trimerjem (glej sliko 5.2.). Prilagoditev se izvede s posebnim plastičnim izvijačem, ki je priložen kompletu dodatne opreme sonde. Vsebuje različne nasvete, adapterje, barvne nalepke in druge uporabne malenkosti.

riž. 5.2. Standardna zasnova pasivne sonde HP-9250, ki temelji na frekvenčno kompenziranem delilniku

Pri kompenzaciji ni popačenja pravokotnega impulza (meandra), ki ga običajno ustvari kalibrator, vgrajen v osciloskop (glej sliko 5.3). Ko se vrh pulza zmanjša, opazimo podkompenzacijo, ko se dvigne, opazimo prekomerno kompenzacijo. Narava oscilogramov je prikazana tudi na sl. 3 (posneto z osciloskopom TDS 2024 s sondo P2200). Priporočljivo je, da kompenzacijo izvedete največ velika slika oscilograme ustreznega kanala.

riž. 5.3. Oscilogrami impulzov kalibratorja osciloskopa Tektronix TDS 2024 pri različnih stopnjah kompenzacije (od zgoraj navzdol): normalna kompenzacija, prekomerna kompenzacija in podkompenzacija

Pri delu z večkanalnim osciloskopom uporabite sonde posebej za vsak kanal. Da bi to naredili, jih je treba označiti (če to še ni bilo narejeno v tovarni) z nalepkami različnih barv, ki običajno ustrezajo barvam črt oscilograma. Če tega pravila ne upoštevate, bo kompenzacija zaradi neizogibne spremembe vhodnih kapacitivnosti vsakega kanala netočna.

Za delilnik 1:10 mora biti upor R1 enak 9R2. To pomeni, da mora biti kapacitivnost C1 9-krat manjša od vhodne kapacitivnosti C2. Določena je vhodna kapacitivnost delilnika serijsko povezavo C1 in C2:


(5.4)

Približna vrednost velja za KD»1 in C1«C2. Pri KD =10 je vhodna kapacitivnost delilnika skoraj 10-krat manjša od vhodne kapacitivnosti osciloskopa. Ne smemo pozabiti, da C2 ne vključuje samo prave vhodne kapacitivnosti osciloskopa, ampak se tudi kapacitivnost C1 poveča za količino namestitvene kapacitivnosti. Zato dejansko zmanjšanje vhodne kapacitivnosti delilnika v primerjavi z vhodno kapacitivnostjo osciloskopa ne bo tako opazno. Kljub temu je ravno to tisto, kar pojasnjuje znatno zmanjšanje popačenja impulznih front pri delu z delilnikom.

Povečanje aktivne komponente vhodnega upora delilnika ni vedno uporabno, saj vodi tudi do spremembe obremenitve testirane naprave in dobimo različne rezultate v odsotnosti delilnika in pri njegovi uporabi. Zato so delilniki pogosto zasnovani tako, da vhodna impedanca osciloskopa ostane nespremenjena tako pri delu brez delilnika kot pri delu z njim. V tem primeru delilnik ne poveča vhodne impedance osciloskopa, vendar še vedno zmanjša vhodno kapacitivnost.

Povečanje ravni proučevanih signalov

Največja napetost na vhodu osciloskopa je določena z zmnožkom števila delitev njegove lestvice s koeficientom navpičnega odstopanja. Na primer, če je število razdelkov merilne ploščice 10 in je faktor odstopanja 5 V/div, potem je skupno nihanje napetosti na vhodu 50 V. To pogosto ni dovolj za preučevanje signalov celo zmerno visokih ravni - nad desetine voltov.

Večina sond vam omogoča povečanje največje preskusne napetosti pri enosmernem toku in nizki frekvenci z več deset V na 500-600 V. visoke frekvence ah jalova moč (in aktivna moč, sproščena pri izgubnem uporu kondenzatorjev sonde) se močno poveča in je treba zmanjšati največjo napetost na vhodu sonde - sl. 5.4. Če te okoliščine ne upoštevate, lahko vzorec preprosto zažgete!

riž. 5.4. Odvisnost največje napetosti na vhodu sonde od frekvence

Največja vhodna napetost sonde ne sme biti nikoli presežena pri visokih frekvencah signala. To lahko povzroči pregrevanje in okvaro sonde.

Vrsta pasivne sonde je visokonapetostna sonda. Običajno imajo delitveno razmerje 1/100 ali 1/1000 in vhodno impedanco 10 ali 100 MΩ. Delilni upori nizke moči običajno prenesejo napetosti do 500-600 V brez okvare. Zato je treba pri visokonapetostnih sondah upor R1 (in kondenzator C1) izdelati s serijsko povezanimi komponentami. S tem se poveča velikost merilne glave sonde.

Pogled na visokonapetostno sondo Tektronix P6015A je prikazan na sl. 5.5. Sonda ima dobro izolirano telo s štrlečim obročem, ki preprečuje zdrs prstov v vezje, katerega valovna oblika napetosti se beleži. Sonda se lahko uporablja pri napetostih do 20 kV pri enosmernem toku in do 40 kV pri impulzih z visokim delovnim ciklom. Frekvenčno območje osciloskopa s tako sondo je omejeno na 75 MHz, kar je več kot dovolj za meritve v visokonapetostnih tokokrogih.

riž. 5.5. Videz Visokonapetostna sonda Tektronix P6015A

Pri delu z visokonapetostnimi sondami je treba upoštevati največje možne varnostne ukrepe. Najprej priključite ozemljitveno žico in šele nato priključite iglo sonde na točko, kjer želite pridobiti napetostni val. Pri meritvah je priporočljivo pritrditi sondo in na splošno odstraniti roke z nje.

Visokonapetostne sonde so na voljo za digitalne in analogne osciloskope. Na primer, sonda HV-P30 je na voljo za edinstvene širokopasovne analogne osciloskope serije ACK7000/8000 s pasovno širino do 50 MHz, razmerjem delitve 1/100, 30 kV najvišjo sinusno napetostjo od vrha do vrha in do 40 kV najvišja impulzna napetost. Vhodna impedanca sonde 100 MΩ, vhodna kapacitivnost 7 pF, dolžina kabla 4 m, izhodni konektor BNC. Druga sonda, HV-P60, ima delitveno razmerje 1/2000 in se lahko uporablja pri največjih napetostih do 60 kV za sinusni signal in do 80 kV za impulzni signal. Vhodni upor sonde je 1000 MΩ, vhodna kapacitivnost je 5 pF. O resnosti teh izdelkov zgovorno govori njihova visoka cena - približno 66.000 in 124.000 rubljev (po ceniku podjetja Elix).

Sonde s korekcijo frekvenčnega odziva

Pasivne sonde se pogosto uporabljajo za popravljanje frekvenčnega odziva osciloskopov. Včasih je to popravek, namenjen razširitvi frekvenčnega pasu, pogosteje pa je rešen obratni problem - zožitev frekvenčnega pasu za zmanjšanje vpliva šuma pri opazovanju signalov nizke ravni in odpravljanje hitrih konic na robovih impulznih signalov.
Te sonde (P2200) so vključene v komercialne osciloskope serije Tektronix TDS 1000B/2000B. Njihov videz je prikazan na sl. 5.6.

Glavni parametri sond so podani v tabeli. 5.1.

Tabela 5.1. Osnovni parametri pasivnih sond P2200

riž. 5.6. Pasivna sonda P2200 z vgrajenim nizkopasovnim filtrom v položaju delitvenega stikala 1/10

Iz mize 5.1 jasno kaže, da je uporaba sonde z delitvenim razmerjem 1/1 priporočljiva le pri preučevanju nizkofrekvenčnih naprav, ko zadostuje frekvenčni pas do 6,5 MHz. V vseh drugih primerih je priporočljivo delati s sondo pri delitvenem razmerju 1/10. V tem primeru se vhodna kapacitivnost zmanjša s 110 pF na približno 15 pF, frekvenčni pas pa se razširi s 6,5 MHz na 200 MHz. Oscilogrami kvadratnega vala s frekvenco 10 MHz, prikazani na sl. 5.7, dobro ponazarjajo stopnjo popačenja oscilogramov pri delilnih razmerjih 1/10 in 1/1. V obeh primerih je bila uporabljena standardna povezava sonde z zaklepno konico in dolgo ozemljitveno žico (10 cm) s krokodilsko sponko. Kvadratni val s časom vzpona 5 ns je bil pridobljen iz generatorja Tektronix AFG 3101.

riž. 5.7. Valovne oblike pravokotnih valov 10 MHz z uporabo osciloskopa 200 MHz Tektronix TDS 2024B s sondami P2200 pri delitvenem razmerju 1/10 (zgornja valovna oblika) in 1/1 (spodnja valovna oblika).

Preprosto je opaziti, da so v obeh primerih oscilogrami opazovanega signala (in za generatorje AFG 3101 pri frekvenci 10 MHz blizu idealnega in ima gladke vrhove brez namiga "zvonjenja") močno popačeni. Vendar je narava izkrivljanja drugačna. S položajem delilnika 1/10 je oblika signala blizu meandra in ima kratkotrajne fronte, vendar je popačena zaradi dušenih nihanj, ki nastanejo zaradi induktivnosti dolge ozemljitvene žice - sl. 8. In v položaju delilnika 1/1 so dušena nihanja izginila, vendar je bilo jasno opazno znatno povečanje časovne konstante sistema sonda-osciloskop. Posledično se namesto meandra opazijo žagasti impulzi z eksponentnim dvigom in padcem.

riž. 5.8. Shema za priključitev sonde na breme RL

Sonde z vgrajeno korekcijo je treba uporabljati strogo za predvideni namen, ob upoštevanju velike razlike v frekvenčnih karakteristikah na različnih položajih napetostnega delilnika.

Upoštevanje parametrov sonde

Predstavljamo tipične podatke vezja na sl. 5.8: notranji upor vira signala Ri=50 Ohm, upor bremena RL>>Ri, vhodni upor sonde RP=10 MOhm, vhodna kapacitivnost sonde CP=15 pF. Glede na takšne elemente vezja se degenerira v sekvenčno nihajni krog, ki vsebuje upor R≈Ri, induktivnost ozemljitvene žice L≈LG (približno 100-120 nH) in kapacitivnost C≈CP.

Če se na vhod takega vezja uporabi idealen padec napetosti E, bo časovna odvisnost napetosti pri C (in vhodu osciloskopa) videti takole:


(5.5)

Izračuni kažejo, da ima lahko ta odvisnost znatno prekoračitev pri velikem L in majhnem R, kar je opaziti v zgornjem oscilogramu na sliki 1b. 5.7. Pri α/δ=1 ta val ne znaša več kot 4 % amplitude razlike, kar je povsem zadovoljiv pokazatelj. Za to je treba vrednost L=LG izbrati enako:

Na primer, če je C=15 pF in R=50 Ohm, potem je L=19 nH. Za zmanjšanje L na takšno vrednost (s tipičnega reda 100-120 nH za ozemljitveno žico dolžine 10 cm) je treba ozemljitveno (po možnosti signalno) žico skrajšati na dolžino manj kot 2 cm , odstranite šobo iz glave sonde in opustite uporabo standardnih ozemljitvenih žic. Začetek sonde bo v tem primeru predstavljen s kontaktno iglo in cilindričnim ozemljitvenim trakom (sl. 5.9) z nizko induktivnostjo.

riž. 5.9. Glava sonde z odstranjeno konico (levo) in adapterjem za koaksialni konektor (desno)

Učinkovitost ukrepov, uporabljenih za boj proti zvonjenju, je prikazana na sl. 5.10. Prikazuje valovne oblike kvadratnega vala 10 MHz, ko je sonda normalno vklopljena in ko je sonda vklopljena z odstranjeno konico in brez dolge ozemljitvene žice. Jasno je vidna skoraj popolna odprava očitnega dušenja nihajni procesi na spodnjem oscilogramu. Majhna nihanja na vrhu so povezana z valovnimi procesi v povezovalnem koaksialnem kablu, ki pri takih sondah na izhodu deluje brez ujemanja, kar povzroča odboje signala.

riž. 5.10. Oscilogrami kvadratnega vala 10 MHz, ko je sonda normalno vklopljena (zgornja valovna oblika) in vklopljena z odstranjeno šobo in brez dolge ozemljitvene žice (spodnja valovna oblika)

Za pridobitev oscilogramov z izjemno kratkimi časi vzpona in zvonjenja je treba sprejeti ukrepe za zmanjšanje induktivnosti izmerjenega vezja: odstraniti konico sonde in priključiti sondo z iglo in cilindričnim ozemljitvenim vložkom. Treba je sprejeti vse možne ukrepe za zmanjšanje induktivnosti vezja, v katerem opazujemo signal.
Pomembna parametra sistema sonda-osciloskop sta sistemski čas vzpona (pri stopnjah 0,1 in 0,9) in pasovna širina ali največja frekvenca (pri stopnji padca občutljivosti 3 dB). Če uporabimo znano vrednost resonančne frekvence vezja

, (5.7)
potem lahko izrazimo vrednost R skozi resonančno frekvenco vezja, ki določa mejno frekvenco poti odklonskega sistema:

. (5.8)
Enostavno je dokazati, da bo čas, ko napetost u(t) doseže vrednost E amplitude padca, enak:


. (5.10)

Ta vrednost se običajno vzame kot čas uravnavanja sonde z optimalnim prehodnim odzivom. Skupni čas vzpona osciloskopa s sondo je mogoče oceniti kot:

, (5.11)
kjer je tosc čas vzpona osciloskopa (ko je signal dodan neposredno na vhod ustreznega kanala). Zgornja mejna frekvenca fmax (ki je tudi frekvenčni pas) je definirana kot

. (5.12).
Na primer, osciloskop s t0=1 ns ima fmax=350 MHz. Včasih se množitelj 0,35 poveča na 0,4-0,45, saj se frekvenčni odziv mnogih sodobnih osciloskopov s fmax>1 GHz razlikuje od Gaussovega, za katerega je značilen množitelj 0,35.

Ne pozabite na še en pomemben parameter sond - čas zakasnitve signala tз. Ta čas je najprej določen z linearnim časom zakasnitve (na 1 m dolžine kabla) in dolžino kabla. Običajno sega od enot do desetin ns. Da preprečite, da bi zakasnitev vplivala na relativni položaj oscilogramov na zaslonu večkanalnega osciloskopa, morate uporabiti sonde istega tipa s kabli enake dolžine v vseh kanalih.

Povezovanje sond z viri signala

Priključitev sond na želene točke proučevanih naprav je mogoče izvesti z različnimi konicami, šobami, kavlji in »mikrokrokodili«, ki so pogosto vključeni v komplet dodatne opreme sonde. Najpogosteje pa so najnatančnejše meritve opravljene pri povezovanju z iglo primarne sonde - glejte sl. 5.11 ali dve igli. Pri razvoju visokofrekvenčnih in impulznih naprav na tiskanem vezju so v ta namen predvidene posebne kontaktne ploščice ali metalizirane luknje.

riž. 5.11. Priključitev sonde na blazinice tiskano vezje preučevana naprava

V našem času je še posebej pomembno priključiti sonde na kontaktne ploščice miniaturnih tiskanih vezij, hibridnih in monolitnih. integrirana vezja }