Bir osiloskop diyagramı için uzak prob. Düşük giriş kapasitansına sahip aktif problar. Frekans yanıtı düzeltmeli problar
Cihazların sınıfı ne olursa olsun, belirli sinyalleri analiz etmek için incelenen sinyallerin cihazların girişlerine getirilmesi gerekir. Kaynaklarını osiloskopların ve analizörlerin girişlerine çok yaklaştırmak çok nadiren mümkündür. Genellikle bir metreden birkaç metreye kadar bir mesafede bulunurlar. Bu şu anlama gelir: özel eşleşen cihazlar, sinyal kaynakları ile osiloskop ve analizörlerin girişleri arasına bağlanır.
Tipik olarak problar aşağıdaki önemli amaçlar için kullanılır:
- uzak bağlantı osiloskop çalışma nesnesine;
- dikey (bazen yatay) sapma kanallarının hassasiyetinin azaltılması ve yüksek seviyeli sinyallerin (pasif problar) incelenmesi;
- ölçüm devrelerinin osiloskop ünitelerinden (optik problar) ayrılması;
- yüksek voltaj devrelerinde (yüksek voltaj probları) yüksek sinyal zayıflaması ve sinyal araştırması;
- giriş direncinin arttırılması ve giriş kapasitansının azaltılması (dengelenmiş bölücüler ve tekrarlayıcı problar);
- prob-osiloskop sisteminin genlik-frekans tepkisinin düzeltilmesi;
- akım osilogramlarının elde edilmesi (akım probları);
- antifaz sinyallerinin seçimi ve ortak mod sinyallerinin bastırılması (diferansiyel problar);
- osiloskopların (aktif problar) hassasiyetinin arttırılması;
- özel amaçlar (örneğin, geniş bant sinyal kaynaklarının çıkışlarını bir osiloskobun 50 Ohm girişiyle eşleştirmek).
Probların rolünün çok önemli olduğu ve bazen osiloskopların ve analizörlerin öneminden hiçbir şekilde aşağı olmadığı oldukça açıktır. Ancak çoğu zaman probların rolü hafife alınır ve bu, bu cihazların acemi kullanıcıları için ciddi bir hatadır. Aşağıda osiloskoplar, spektrum analizörleri, sinyal analizörleri ve mantık analizörleri için ana prob türleri ve diğer aksesuarlar bulunmaktadır.
Dengelenmiş bölücüye dayalı problar
En basit ve uzun süre kullanılan prob türü, telafi edilmiş voltaj bölücüye sahip pasif problardır - Şekil 5.1. Gerilim bölücü, R1 ve R2 dirençleri üzerine inşa edilmiştir ve R2, osiloskopun giriş direnci olabilir.
Pirinç. 5.1. Kompanzasyonlu bölücü devre
DC bölücü parametreleri aşağıdaki formüller kullanılarak hesaplanır:
Örneğin, R2 = 1 MOhm ve R1 = 9 MOhm ise RВХ = 10 MOhm ve KD = 1/10 olur. Böylece giriş direnci 10 kat artar ancak osiloskop girişine sağlanan voltaj seviyesi de 10 kat düşer.
Genel durumda (alternatif akımda), bölücünün transfer katsayısı için (τ1= R1C1 ve τ2= C2R2) ifadesini yazabilirsiniz:
. (5.3)
Böylece, τ1 ve τ2 zaman sabitleri eşitse, bölücünün transfer katsayısı frekansa bağlı olmaktan çıkar ve doğru akımdaki değerine eşit olur. Böyle bir bölene telafi denir. Kapasitans C2, kablonun toplam kapasitansı, osiloskobun montaj ve giriş kapasitansıdır. Uygulamada, telafi koşulunu elde etmek için, C1 (veya C2) kapasitansının, örneğin değişken bir kapasitör düzeltici - düzeltici kullanılarak ayarlanması gerekir (bkz. Şekil 5.2.). Ayarlama, prob aksesuar kitinde yer alan özel bir plastik tornavidayla yapılır. Çeşitli ipuçları, adaptörler, renkli çıkartmalar ve diğer faydalı küçük şeyleri içerir.
Pirinç. 5.2. Frekans Dengelemeli Bölücüyü Temel Alan HP-9250 Standart Pasif Prob Tasarımı
Telafi edildiğinde, genellikle osiloskopun içine yerleştirilmiş kalibratör tarafından oluşturulan dikdörtgen darbede (kıvrımlı) herhangi bir bozulma olmaz (bkz. Şekil 5.3). Nabzın tepe noktası azaldığında yetersiz telafi, yükseldiğinde ise aşırı telafi gözlenir. Osilogramların doğası da Şekil 2'de gösterilmektedir. 3 (P2200 problu TDS 2024 osiloskopla çekilmiş). Tazminatın maksimum düzeyde yapılması tavsiye edilir büyük resimİlgili kanalın osilogramları.
Pirinç. 5.3. Tektronix TDS 2024 osiloskop kalibratör darbelerinin farklı telafi derecelerindeki (yukarıdan aşağıya) osilogramları: normal telafi, aşırı telafi ve yetersiz telafi
Çok kanallı bir osiloskopla çalışırken probları her kanal için ayrı ayrı kullanmalısınız. Bunu yapmak için, genellikle osilogram çizgilerinin renklerine karşılık gelen farklı renklerde çıkartmalarla işaretlenmeleri gerekir (eğer bu fabrikada yapılmadıysa). Bu kurala uymazsanız, her kanalın giriş kapasitanslarındaki kaçınılmaz değişiklik nedeniyle telafi hatalı olacaktır.
1:10 bölücü için R1 direnci 9R2'ye eşit olmalıdır. Bu, C1 kapasitansının giriş kapasitansı C2'den 9 kat daha az olması gerektiği anlamına gelir. Bölücünün giriş kapasitesi belirlenir seri bağlantı C1 ve C2:
(5.4)
Yaklaşık değer KD»1 ve C1«C2 için geçerlidir. KD =10'da bölücünün giriş kapasitansı osiloskobun giriş kapasitansından neredeyse 10 kat daha azdır. C2'nin yalnızca osiloskopun gerçek giriş kapasitansını içermediğini, aynı zamanda C1'in kapasitansının montaj kapasitansı miktarı kadar arttığını da unutmamak gerekir. Bu nedenle aslında osiloskobun giriş kapasitansına kıyasla bölücünün giriş kapasitansındaki azalma o kadar da fark edilmeyecektir. Bununla birlikte, bir bölücüyle çalışırken darbe cephelerinin bozulmasındaki önemli azalmayı açıklayan şey tam olarak budur.
Bölücünün giriş direncinin aktif bileşeninin arttırılması her zaman yararlı değildir, çünkü bu aynı zamanda test edilen cihazdaki yükte bir değişikliğe yol açar ve bölücünün yokluğunda ve kullanıldığında farklı sonuçlar elde edilir. Bu nedenle, bölücüler genellikle osiloskobun giriş empedansının hem bölücü olmadan çalışırken hem de bölücüyle çalışırken değişmeden kalacak şekilde tasarlanır. Bu durumda bölücü osiloskopun giriş empedansını arttırmaz ancak yine de giriş kapasitansını azaltır.
Çalışılan sinyallerin düzeyinin artırılması
Osiloskop girişindeki maksimum voltaj, ölçek ızgarasının bölüm sayısının dikey sapma katsayısına göre çarpımı ile belirlenir. Örneğin, ızgara bölümlerinin sayısı 10 ise ve sapma faktörü 5 V/böl ise, girişteki toplam voltaj salınımı 50 V'tur. Bu genellikle orta derecede yüksek seviyelerdeki (onların üzerinde) sinyalleri incelemek için yeterli değildir. volt.
Çoğu prob, doğru akımda ve düşük frekansta maksimum test voltajını onlarca V'tan 500-600 V'a çıkarmanıza izin verir. Bununla birlikte, yüksek frekanslar ah reaktif güç (ve prob kapasitörlerinin kayıp direncinde serbest bırakılan aktif güç) keskin bir şekilde artar ve prob girişindeki maksimum voltajın azaltılması gerekir - Şekil 5.4. Bu durumu dikkate almazsanız numuneyi kolayca yakabilirsiniz!
Pirinç. 5.4. Prob girişindeki maksimum voltajın frekansa bağımlılığı
Probun maksimum giriş voltajı yüksek sinyal frekanslarında asla aşılmamalıdır. Bu, probun aşırı ısınmasına ve arızalanmasına neden olabilir.
Bir tür pasif prob, yüksek voltaj probudur. Tipik olarak 1/100 veya 1/1000 bölme oranına ve 10 veya 100 MΩ giriş empedansına sahiptirler. Düşük güçlü prob bölücü dirençler genellikle 500-600 V'a kadar gerilimlere arıza olmadan dayanabilir. Bu nedenle, yüksek voltajlı problarda direnç R1 (ve kapasitör C1) seri bağlı bileşenler kullanılarak yapılmalıdır. Bu, probun ölçüm kafasının boyutunu arttırır.
Tektronix P6015A yüksek voltaj probunun bir görünümü Şekil 1'de gösterilmektedir. 5.5. Prob, parmakların voltaj dalga formu kaydedilen devrenin içine kaymasını önleyen çıkıntılı bir halkaya sahip, iyi yalıtılmış bir gövdeye sahiptir. Prob, DC'de 20 kV'a kadar ve yüksek görev döngüsü darbelerinde 40 kV'a kadar gerilimlerde kullanılabilir. Böyle bir proba sahip bir osiloskopun frekans aralığı, yüksek voltaj devrelerinde ölçümler için fazlasıyla yeterli olan 75 MHz ile sınırlıdır.
Pirinç. 5.5. Dış görünüş Tektronix P6015A Yüksek Gerilim Probu
Yüksek gerilim problarıyla çalışırken mümkün olan en büyük önlemlerin alınması gerekir. Önce topraklama kablosunu bağlayın ve ancak bundan sonra prob iğnesini voltaj dalga formu elde etmek istediğiniz noktaya bağlayın. Ölçüm yaparken probu sabitlemeniz ve genellikle ellerinizi ondan çıkarmanız önerilir.
Hem dijital hem de analog osiloskoplar için yüksek voltaj probları mevcuttur. Örneğin HV-P30 probu, 50 MHz'e kadar bant genişliği, 1/100 bölünme oranı, 30 kV tepeden tepeye tepe sinüs dalgası voltajı ve 40 kV'a kadar benzersiz ACK7000/8000 serisi geniş bant analog osiloskoplar için mevcuttur. tepe darbe voltajı. Prob giriş empedansı 100 MΩ, giriş kapasitansı 7 pF, kablo uzunluğu 4 m, BNC çıkış konektörü. Başka bir prob olan HV-P60, 1/2000 bölme oranına sahiptir ve sinüs dalgası için 60 kV'ye ve darbe sinyali için 80 kV'a kadar maksimum voltajlarda kullanılabilir. Probun giriş direnci 1000 MΩ, giriş kapasitansı 5 pF'dir. Bu ürünlerin ciddiyeti, yüksek fiyatlarıyla - yaklaşık 66.000 ve 124.000 ruble (Elix şirketinin fiyat listesine göre) açıkça belirtiliyor.
Frekans yanıtı düzeltmeli problar
Pasif problar genellikle osiloskopların frekans tepkisini düzeltmek için kullanılır. Bazen bu, frekans bandını genişletmek için tasarlanmış bir düzeltmedir, ancak çoğu zaman ters problem çözülür - düşük seviyeli sinyalleri gözlemlerken gürültünün etkisini azaltmak ve darbeli sinyallerin kenarlarındaki hızlı ani yükselmeleri ortadan kaldırmak için frekans bandının daraltılması.
Bu problar (P2200), Tektronix TDS 1000B/2000B serisi ticari osiloskoplara dahildir. Görünümleri Şekil 2'de gösterilmektedir. 5.6.
Probların ana parametreleri tabloda verilmiştir. 5.1.
Tablo 5.1. P2200 Pasif Probların Temel Parametreleri
Pirinç. 5.6. 1/10 Bölmeli Anahtar Konumunda Dahili Düşük Geçişli Filtreli P2200 Pasif Prob
Masadan Şekil 5.1, 1/1 bölme oranına sahip bir probun kullanılmasının yalnızca düşük frekanslı cihazlar incelenirken, 6,5 MHz'e kadar bir frekans bandının yeterli olduğu durumlarda tavsiye edildiğini açıkça göstermektedir. Diğer tüm durumlarda probla 1/10 bölme oranında çalışılması tavsiye edilir. Bu durumda giriş kapasitansı 110 pF'den yaklaşık 15 pF'ye düşürülür ve frekans bandı 6,5 MHz'den 200 MHz'e genişletilir. Şekil 1'de gösterilen 10 MHz frekanslı kare dalganın osilogramları. Şekil 5.7, 1/10 ve 1/1 bölme oranlarında osilogramların bozulma derecesini iyi göstermektedir. Her iki durumda da, birbirine kenetlenen uçlu standart bir prob bağlantısı ve timsah tipi klipsli uzun bir topraklama kablosu (10 cm) kullanıldı. Tektronix AFG 3101 jeneratöründen 5 ns yükselme süresine sahip bir kare dalga elde edildi.
Pirinç. 5.7. 1/10 (üst dalga biçimi) ve 1/1 (alt dalga biçimi) bölme oranlarında P2200 problu 200 MHz Tektronix TDS 2024B osiloskop kullanılarak 10 MHz kare dalga dalga biçimleri.
Her iki durumda da gözlemlenen sinyalin osilogramlarının (ve 10 MHz frekanstaki AFG 3101 jeneratörleri için ideale yakın olduğunu ve "zil sesi" olmadan yumuşak tepe noktalarına sahip olduğunu) büyük ölçüde çarpık olduğunu fark etmek kolaydır. Ancak bozulmanın niteliği farklıdır. 1/10 bölücü konumuyla sinyal şekli kıvrımlıya yakındır ve kısa süreli cephelere sahiptir, ancak uzun topraklama kablosunun endüktansı nedeniyle ortaya çıkan sönümlü salınımlar nedeniyle bozulur - Şekil 1. 8. Ve 1/1 bölücü konumunda sönümlü salınımlar ortadan kalktı, ancak prob-osiloskop sisteminin zaman sabitinde önemli bir artış açıkça fark edildi. Sonuç olarak, bir menderes yerine üstel yükseliş ve düşüşe sahip testere dişi darbeleri gözlenir.
Pirinç. 5.8. Probu RL yüküne bağlama şeması
Gerilim bölücünün farklı konumlarındaki frekans özelliklerindeki güçlü fark dikkate alınarak, yerleşik düzeltmeli problar kesinlikle amaçlarına uygun olarak kullanılmalıdır.
Prob Parametrelerinin Hesaplanması
Şekil 2'de tipik devre verilerini sunuyoruz. 5.8: sinyal kaynağının iç direnci Ri=50 Ohm, yük direnci RL>>Ri, probun giriş direnci RP=10 MOhm, probun giriş kapasitansı CP=15 pF. Devrenin bu tür elemanları göz önüne alındığında, sıralı bir yapıya dönüşür salınım devresi R≈Ri direncini, topraklama kablosunun L≈LG endüktansını (yaklaşık 100-120 nH) ve C≈CP kapasitansını içeren.
Böyle bir devrenin girişine ideal bir voltaj düşüşü E uygulanırsa, C'deki (ve osiloskop girişindeki) voltajın zamana bağımlılığı şöyle görünecektir:
(5.5)
Hesaplamalar, bu bağımlılığın, Şekil 2'deki üst osilogramda gözlemlenen büyük L ve küçük R'de önemli bir aşmaya sahip olabileceğini göstermektedir. 5.7. α/δ=1'de bu dalgalanma, farkın genliğinin %4'ünden fazla değildir ve bu tamamen tatmin edici bir göstergedir. Bunu yapmak için L=LG değeri şuna eşit seçilmelidir:
Örneğin, eğer C=15 pF ve R=50 Ohm ise L=19 nH'dir. L'yi böyle bir değere düşürmek için (10 cm uzunluğundaki bir topraklama kablosu için tipik 100-120 nH düzeyinden), toprak (muhtemelen sinyal) kablosunu 2 cm'den daha kısa bir uzunluğa kısaltmak gerekir. , memeyi prob kafasından çıkarın ve standart topraklama kablolarının kullanımını bırakın. Bu durumda probun başlangıcı, bir kontak iğnesi ve düşük endüktanslı silindirik bir topraklama şeridi (Şekil 5.9) ile temsil edilecektir.
Pirinç. 5.9. Ucu çıkarılmış prob kafası (solda) ve koaksiyel konnektöre adaptör (sağda)
Zil sesiyle mücadelede kullanılan önlemlerin etkinliği Şekil 1'de gösterilmektedir. 5.10. Prob normal şekilde açıldığında ve prob ucu çıkarılmış halde ve uzun topraklama kablosu olmadan açıldığında 10 MHz kare dalganın dalga şekillerini gösterir. Bariz sönümlemenin neredeyse tamamen ortadan kaldırıldığı açıkça görülebilir salınımlı süreçler alt osilogramda. Üstteki küçük dalgalanmalar, bu tür problarda çıkışta eşleşmeden çalışan ve sinyal yansımalarına yol açan bağlantı koaksiyel kablosundaki dalga süreçleriyle ilişkilidir.
Pirinç. 5.10. Prob normal olarak açıldığında (üst dalga formu) ve nozul çıkarılmış halde ve uzun topraklama kablosu olmadan açıldığında (alt dalga formu) 10 MHz kare dalganın osilogramları
Son derece kısa yükselme süreli ve çınlamalı osilogramlar elde etmek için, ölçülen devrenin endüktansını en aza indirecek önlemler alınmalıdır: prob ucunun çıkarılması ve probun bir iğne ve silindirik bir topraklama parçası kullanılarak bağlanması. Sinyalin gözlendiği devrenin endüktansını azaltmak için mümkün olan tüm önlemler alınmalıdır.
Prob-osiloskop sisteminin önemli parametreleri sistemin yükselme süresi (0,1 ve 0,9 seviyelerinde) ve bant genişliği veya maksimum frekanstır (3 dB hassasiyet azalması seviyesinde). Devrenin rezonans frekansının bilinen değerini kullanırsak
, (5.7)
o zaman R'nin değerini, sapma sistemi yolunun sınırlayıcı frekansını belirleyen devrenin rezonans frekansı aracılığıyla ifade edebiliriz:
. (5.8)
U(t) geriliminin düşme genliğinin E değerine ulaştığı zamanın şuna eşit olacağını kanıtlamak kolaydır:
. (5.10)
Bu değer genellikle optimum geçici yanıtla probun yerleşme süresi olarak alınır. Problu bir osiloskobun toplam yükselme süresi şu şekilde tahmin edilebilir:
, (5.11)
burada tosc osiloskopun yükselme süresidir (bir sinyal doğrudan ilgili kanalın girişine uygulandığında). Üst sınır frekansı fmax (aynı zamanda frekans bandıdır) şu şekilde tanımlanır:
. (5.12).
Örneğin t0=1 ns olan bir osiloskop fmax=350 MHz'dir. Bazen 0,35 çarpanı 0,4-0,45'e yükseltilir, çünkü fmax>1 GHz olan birçok modern osiloskopun frekans tepkisi, 0,35 çarpanı ile karakterize edilen Gaussian'dan farklıdır.
Probların bir diğer önemli parametresini unutmayın - sinyal gecikme süresi tз. Bu süre öncelikle doğrusal gecikme süresi (1 m kablo uzunluğu başına) ve kablo uzunluğu ile belirlenir. Genellikle birimlerden onlarca n'ye kadar değişir. Gecikmenin, çok kanallı bir osiloskopun ekranındaki osilogramların göreceli konumunu etkilemesini önlemek için, tüm kanallarda aynı uzunlukta kablolarla aynı tipte problar kullanmanız gerekir.
Probları Sinyal Kaynaklarına Bağlama
Probların, incelenen cihazların istenen noktalarına bağlanması, genellikle prob aksesuar kitinde bulunan çeşitli uçlar, nozullar, kancalar ve "mikro timsahlar" kullanılarak yapılabilir. Ancak çoğu zaman en doğru ölçümler birincil prob iğnesi kullanılarak bağlantı yapılırken yapılır - bkz. 5.11 veya iki iğne. Baskılı devre kartı üzerinde yüksek frekanslı ve darbeli cihazlar geliştirilirken, bu amaç için özel kontak pedleri veya metalize delikler sağlanır.
Pirinç. 5.11. Probun pedlere bağlanması baskılı devre kartı incelenmekte olan cihaz
Günümüzde probları hibrit ve monolitik minyatür baskılı devre kartlarının kontak pedlerine bağlamak özellikle önemlidir. Entegre devreler }