Схема осциллографического пробника: Осциллографический пробник

Содержание

Осциллографический пробник

Осциллографический пробник – простая радиолюбительская конструкция, позволяющая в некоторых случаях заменить осциллограф

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “Радиолюбитель“

В этой статье мы рассмотрим очередную радиолюбительскую схему – осциллографический пробник. Конечно, пробник не заменит осциллограф, но бывают моменты когда такой прибор может пригодится в хозяйстве радиолюбителя.

Преимущества данного пробника перед аналогичными радиолюбительскими конструкциями: в качестве экрана используется графический светодиодный индикатор КИПГО3А-8*8К, поэтому, экран хоть и маленький (2*2 см), но легко читаемый с близкого расстояния; питается пробник от собственного гальванического гальванического источника, или адаптера; можно анализировать как логические, так и аналоговые схемы, включая и схемы с переменным током; максимальная чувствительность (отклонение луча на всю высоту) – 1вольт.

Схема как и у настоящего осциллографа состоит из канала вертикального отклонения (микросхема А1), горизонтальной развертки (узел на микросхемах D1, D2), источника питания и индикаторного устройства. Микросхема А1 – LM3914 индикаторная микросхема с линейной зависимостью индикации. Режим работы установлен – “движущаяся точка”. На резисторах R1 и R2 сделана схема перемещения нулевой линии на любую строчку индикатора и исследовать как постоянные положительные, так и отрицательные и переменные напряжения. Переключатель S1 служит для импульсного режима (как на схеме) или режима переменного тока. Переключатель S2 ступенчато регулирует чувствительность. Положение х3 наиболее удобно при анализе логических схем. Схема развертки состоит из мультивибраторов на логических элементах D2.1 и D2.2 и счетчика D1. Частота мультивибратора ступенчато регулируется переключателем S3, плавная регулировка осуществляется с помощью R5. Положения переключателя подписаны в единицах времени на одно деление по горизонтали (всего 8 делений). Импульсы с выхода мультивибратора поступают на вход счетчика D1, который своими выходами сканирует вертикальные столбцы индикатора, создавая развертку по горизонтали. Питается пробник от 9 вольтовой батареи (аналог Кроны), ток потребления не превосходит 20 мА.

Детали. Использовать вместо микросхемы LM3914 другие LMхххх нежелательно, так как у них логарифмический закон индикации, а нужен исключительно линейный. Микросхемы К561 можно заменить аналогами из других серий. Индикатор можно заменить любым аналогичным графическим светодиодным индикатором, или даже использовать обыкновенные светодиоды.

Налаживание. Включите прибор. Поворотом R2 добейтесь индикации. На экране может быть движущаяся горизонтальная точка или линия. Переключите S1 в положение “=” и отградуируйте шкалу вокруг R3, подавая на вход прибора постоянное напряжение от лабораторного источника питания и измеряя его мультиметром. Нанесите вокруг ручки R3 не менее 10 рисок. Затем проверьте соответствие на всех 4-х пределах (четырех положениях S2). Если нужно подберите сопротивления R3, R4, R15. Погрешность 10-15 процентов вполне приемлема. Точность развертки можно установить подбором R6, а для каждого положения S3 подбором соответствующей емкости. В работе данный пробник во многом сходен с простым импульсным осциллографом. Устойчивого изображения импульсов или формы переменного напряжения добивайтесь регулировкой развертки (R5, S3).

Не смотря на все ограничения, в паре с мультиметром, этот пробник может во многих случаях заменить настоящий осциллограф.



Знакомство со стандартным осциллографическим пробником

Пробник — это во многих случаях недооцениваемая, но очень важная составляющая испытаний с помощью осциллографа. Основное назначение пробника — подключение испытуемого устройства (ИУ) ко входу осциллографа с целью приема сигнала от ИУ и просмотра его формы на экране осциллографа.

Однако следует учитывать, что осциллографический пробник — это не просто кусок провода с присоединенным к нему заостренным наконечником. Есть еще множество вещей, которые необходимо знать о пробниках, если вы хотите получить корректные результаты испытаний. В стандартную комплектацию большинства осциллографов с полосой пропускания до 1 ГГц входят высокоимпедансные пассивные пробники, по одному на каждый канал осциллографа. Именно с этими пробниками и будут работать большинство пользователей.

Сопротивление наконечника пробника обычно составляет 9 МОм, поэтому в сочетании с входным сопротивлением осциллографа, равным 1 МОм, образуется резистивный делитель с коэффициентом 10:1. Таким образом, сигнал на входе пробника будет ослабляться на величину, определяемую коэффициентом, равным 1 МОм/(9 МОм + 1 МОм). Например, если подать на вход пробника сигнал с напряжением 10 В, то с учетом коэффициента ослабления пробника 10:1 на вход осциллографа поступит сигнал с напряжением 1 В. За наконечником пробника следует высокоимпедансный кабель. На конце кабеля располагается компенсаторная или интерфейсная часть, которая соединяется с входом осциллографа.


Рисунок 1. Упрощенная схема высокоимпедансного пассивного пробника с коэффициентом ослабления 10:1

Главной особенностью этого пробника является его очень высокий импеданс. При постоянном токе входной импеданс пробника равен 10 МОм, но с повышением частоты входного сигнала входной импеданс пробника снижается вследствие увеличения емкостного реактивного сопротивления.

Стандартный пассивный пробник является самым прочным, гибким и недорогим пробником, имеющим очень широкий входной динамический диапазон. Поэтому этот пробник отлично подходит для выполнения базовых измерений и поиска и устранения неисправностей.

Компенсация пробника

Большинство стандартных пассивных пробников имеют настраиваемый компенсирующий конденсатор для согласования коэффициента RC пробника с входной емкостью осциллографа. Компенсирующий конденсатор пробника можно отрегулировать так, чтобы нейтрализовать входную емкость осциллографа. Для проведения процедуры компенсации пробник подключают к выходу калибровочного сигнала прямоугольной формы (обычно расположенного на передней панели осциллографа), и конденсатор регулируется так, чтобы прямоугольный сигнал выглядел действительно прямоугольным и имел как можно более плоскую вершину. Перед тем как выполнять любые измерения с помощью осциллографа, необходимо подключить пробники к клемме сигнала компенсации пробника на передней панели, чтобы убедиться, что пробники правильно скомпенсированы.


Рисунок 2. Не забывайте проводить компенсацию пробников перед измерениями
Пробники с двумя коэффициентами ослабления

Большинство пассивных пробников имеют коэффициент ослабления 10:1. Стандартный пассивный пробник обычно имеет два возможных коэффициента ослабления: 10:1 и 1:1. На пробнике 1:1/10:1 имеется переключатель, который вводит в цепь сигнала последовательный резистор с сопротивлением 9 МОм. В осциллографе стоит резистор с сопротивлением 1 МОм, что обеспечивает коэффициент ослабления входного сигнала 10:1. В режиме 1:1 последовательный резистор в пробнике отключается, и общее сопротивление постоянному току, измеренное на наконечнике пробника, составляет лишь 1 МОм, то есть равно сопротивлению на входе осциллографа.


Рис. 3. Пассивные пробники N2140A и N2142A компании Keysight с коэффициентами ослабления 10:1 и 1:1

Основное преимущество использования пробника с двумя коэффициентами ослабления состоит в том, что он поддерживает оба коэффициента ослабления – 10:1 и 1:1. В целом режим пробника 1:1 обеспечивает более низкий уровень шума, что делает его идеальным для измерения слабых сигналов, таких как пульсация и шум источника питания. Однако режим 1:1 вносит значительную емкостную нагрузку, подключенную параллельно входу осциллографа, что приводит к уменьшению полосы пропускания приблизительно до 25 МГц.

В примере ниже пробник 10:1/1:1 используется для измерения выходного шума источника питания с каждым из доступных коэффициентов ослабления. В режиме 1:1 измеренный шум почти наполовину меньше шума, измеренного в режиме 10:1.


Рисунок 4. Осциллограф и исходный уровень шума пробника при коэффициенте ослабления 10:1

Рис.5. Осциллограф и исходный уровень шума пробника при коэффициенте ослабления 1:1
Влияние пробника на устройство

При подключении осциллографического пробника к цепи, пробник становится частью испытуемой цепи, и его электрические характеристики начинают влиять на процесс измерений в целом. Это может привести к снижению точности измерений и ухудшению рабочих характеристик, поскольку новая цепь, включающая в себя пробник, будет вести себя иначе, чем цепь без пробника. Это особенно актуально при измерениях высокочастотных сигналов.

Все пробники создают резистивную, емкостную и индуктивную нагрузки. Необходимо добиться того, чтобы это влияние не выходило за допустимые пределы. Резистивная нагрузка обычно создает наименьшие проблемы среди этих трех нагрузок до тех пор, пока вы используете высокоимпедансный пассивный пробник для измерения низкоскоростных сигналов. Наиболее распространенный эффект от резистивной нагрузки связан с делителем напряжения, который образуют выходное сопротивление цепи и входное сопротивление пробника.

Zsource — это импеданс источника испытуемой цепи. Чем меньше сопротивление пробника относительно Zsource, тем сильнее нагрузка от пробника уменьшает амплитуду измеряемого сигнала. Например, если значение Zsource равно 1 МОм, а значение Zprobe — 10 МОм, измеренная амплитуда сигнала будет примерно на 9 % меньше фактического ее значения до подключения пробника.


Рис.6. Резистивный, емкостный и индуктивный компоненты импеданса пробника могут менять отклик испытуемой цепи в зависимости от того, какую нагрузку пробник вносит в цепь

При постоянном токе входной импеданс и нагрузочная характеристика пробника определяются резистивным компонентом его импеданса. Емкостное реактивное сопротивление пробника при этом не влияет на результаты измерений, поскольку емкостное сопротивление (Xc) при постоянном токе равно бесконечности. Однако, по мере увеличения частоты емкостное сопротивление снижается и становится основным источником нагрузки, вызывая рост потребления энергии из испытуемой цепи.

При измерении цепи вы можете обнаружить в вашем сигнале затухающие колебания, или «звон». Что является причиной их появления — испытуемая цепь или пробник? Трудно ответить на этот вопрос, но вопрос сам по себе поставлен верно. Причиной затухающих колебаний в сигнале часто бывает индуктивное сопротивление. Источником затухающих колебаний является резонансная индуктивно-емкостная (LC) цепь, которая состоит из внутренней емкости, а также провода заземления пробника и индуктивности наконечника пробника. Частота затухающих колебаний простой LC-цепи определяется по следующей формуле:

Здесь Fringing — частота (Гц), L — индуктивность (Гн) и C — емкость (Ф).

Провод заземления часто бывает основным источником индуктивности. Простая замена провода заземления с зажимом типа «крокодил» на более короткий может изменить форму измеряемого сигнала. Если это так и происходит, скорее всего, проблема связана с индуктивной нагрузкой, а не с испытуемой цепью.

Заключение

Для получения максимально надежных результатов измерений важно правильно подобрать осциллографические пробники и использовать их надлежащим образом. Выбор правильной комбинации пробника и осциллографа обеспечивает максимальную точность измерений с помощью осциллографа. Вы ознакомились с теоретическими основами функционирования пассивного пробника и с преимуществами его компенсации перед проведением измерений. Пробники с двумя коэффициентами ослабления очень удобны, так как они обеспечивают сразу два коэффициента ослабления – 10:1 и 1:1. Также очень важно знать электрические характеристики пробника, поскольку они могут повлиять на результаты измерений и на работу цепи.

Осциллографический пробник на Arduino: полная схема, спецификация, и мысли о STM32. | Просто Радиолюбитель

Заключительная статья об осциллографическом пробнике на Arduino, некоторые размышления и примеры конструкций других радиолюбителей.

По просьбам в комментариях (к сожалению не на Дзене) публикую полную схему осциллографического пробника на Arduino вместе с спецификацией используемых радиодеталей. Ссылки на  описания составных частей пробника в конце статьи.

Рисунок 1. Полная схема осциллографического пробника на Arduino.

Рисунок 1. Полная схема осциллографического пробника на Arduino.

Ссылка на документ (схема и спецификация в формате pdf )

Так же к вопросу о достигнутых параметрах.

Плюсы: простая схема, минимум настройки схемы и хорошее программное обеспечение (классического типа).

Минусы: надо делать больше диапазонов измерения (1 мВ — 100В), это потянет другие операционные усилители. Второй минус — после 15 кГц уже не понятно, что на входе — меандр или синус, быстродействия АЦП встроенного в atmega2560 явно не хватает. Третий очевидный — полоса пропускания.

Если первый минус устраняется более-менее легко, то остальные требуют значительной переработки «железа».

Использование отдельного АЦП совместно с avr mega 2560 не сильно расширит функционал, натыкаемся на производительность процессора. Вот пример реализации с использованием АЦП TLC5540. Используются только 6 бит от 8 битного АЦП, максимальная частота — до 500 кГц (реально распознавать сигнал возможно до 200кГц). Если к приведенной выше реализации добавить входную часть — получится  аналог DS138 (только DS на STM и встроенный 12 битный АЦП, используют 8 бит)).

Заслуживает внимания проект осциллографического пробника «Импульс 5510 «.  Простота конструкции и достаточно несложное «подтягивание» к Arduino.

Выходом может послужить использование STM32 контроллера, более производительного совместно с быстродействующим АЦП. Вариант реализации такого осциллографа здесь , используется встроенное АЦП, нет входной части.

Еще один вариант с интересной входной частью представлен здесь . В схеме применен кмоп мультиплексор входного аттенюатора, это решает проблему коммутации (микро галеты практически не представлены на рынке, многопозиционных движковых переключателе выбор тоже мал). Применение мультиплексора сомнительно на высокочастотных режимах работы —  емкость мультиплексора имеет зависимость от частоты (по даташиту).

Совершенно в радиолюбительской практике забыты стробоскопические осциллографы (имеется в виду в «эру» быстрых АЦП). Пример реализации входных цепей такого осциллографа приводят сами сотрудники AD (статья в радиолоцмане ). Подключается к звуковой карте компьютера. Правда стоимость усилителя выборки-хранения приведенной схемы в статье в чип и дип приближается к стоимости крыла боинга (4600 руб). Можно применить ключи на классических мостах на диодах шотки, но вызывает трудность схема генератора импульсов длительностью порядка 40 — 100 нс. Можно посмотреть «классическую» реализацию семплера от тектроникса на  диоде с накоплением заряда.

Схема семплера от приставки для осциллографа тектроникс 7 серии (схему читать с права на лево:).

Схема семплера от приставки для осциллографа тектроникс 7 серии (схему читать с права на лево:).

Еще одна любительская конструкция описана здесь . Идея достаточно понятна, но для изготовления самого устройства не обойтись без хороших измерительных приборов.

И как логическое развитие — осциллографы на более мощных контроллерах (ARM) и ПЛИС,  с использованием внешних быстродействующих АЦП. Это уже не дешевые по комплектации конструкции, и стоит задуматься о целесообразности — не легче купить за 8 т.р. готовый lowend осциллограф?

Пока для решения задач достаточно собранного пробника, но все чаще посматриваю на платки разработчика на STM32 (АЦП 12 бит, и ЦАП на борту, и стоимость невысокая).

Осциллографический пробник на Arduino

Осциллографический пробник на Arduino

Цикл статей по созданию осциллографического пробника на дзен:

Осциллографический пробник на базе Arduino (схема)

Простой преобразователь для питания ОУ из подручных деталей

Осциллографический пробник на базе Arduino (ПО)

Осциллографический пробник на базе Arduino (блок питания)

С уважением, к читателям. Прошу комментировать, спасибо.

Мой блог о радио: https://sp8plus.blogspot.com/

Активные и пассивные осциллографические пробники

Rohde & Schwarz и Hameg предлагают профессиональное измерительное оборудование, среди которого осциллографы и высококачественные пробники к ним. Более детально с осциллографами серии RTO, RTE, RTM, HMO вы можете ознакомиться по ссылкам и подобрать себе подходящий вариант.

В этой статье мы расскажем об активных и пассивных пробниках к осциллографам, какая между ними разница и для каких задач они будут использоваться.  

Многие пользователи обычно выбирают осциллограф, ориентируясь в первую очередь на ширину полосы пропускания, частоту дискретизации и количество каналов. И только потом они начинают думать о том, как подать сигнал на вход осциллографа. Выбор подходящего пробника для конкретного приложения и правильное его использование является лишь первым шагом к точным и надежным измерениям с помощью осциллографа.

Выбор подходящего пробника для решения конкретной прикладной задачи является лишь первым шагом к точным и надежным измерениям с помощью осциллографа. Существует несколько различных видов осциллографических пробников, которые подразделяются на два основных класса—активные и пассивные. Основное различие между этими двумя классами состоит в том, что активным пробникам требуется внешний источник для питания активных компонентов устройства, например транзисторов или усилителей. Активные пробники обеспечивают более широкую полосу пропускания, чем пассивные, для которых не требуется внешний источник питания. Каждый тип активных и пассивных пробников предназначен для использования в определенной области, в которой его качества проявляются наилучшим образом.

Пассивные пробники

Сейчас наиболее распространенным типом осциллографических пробников являются пассивные пробники напряжения. Этот тип пробников, в свою очередь, подразделяется на высокоомные пассивные пробники (с высоким входным импедансом) и низкоомные пассивные пробники (с низким входным импедансом) с резисторным делителем напряжения. Чаще всего на практике используются высокоомные пассивные пробники с коэффициентом деления 10:1. Такие пробники входят в комплект поставки большинства современных бюджетных осциллографов и осциллографов среднего ценового диапазона. Входное сопротивление пробника составляет, как правило, 9 МОм, что, при подключении к входу осциллографа с импедансом 1 МОм, позволяет получить коэффициент деления (или коэффициент ослабления) равный 10:1. Общее входное сопротивление, таким образом, составит 10 МОм. Напряжение на входе осциллографа в 10 раз меньше напряжения на входе пробника и может быть описано следующим уравнением: По сравнению с активными пассивные пробники являются более прочным, надежным и недорогим решением. Они имеют широкий динамический диапазон (обычно более 300 В для пробника 10:1) и высокое входное сопротивление для согласования с входным импедансом осциллографа. Вместе с тем по сравнению с активными пробниками или низкоомными (z0) пассивными пробниками с резисторным делителем они имеют более узкую полосу пропускания, а из-за высокой входной емкости могут создавать значительную нагрузку на исследуемую цепь. Рассмотрим низкоомные пассивные пробники с резисторным делителем. Эти пробники имеют входное сопротивление 450 или 950 Ом, что позволяет обеспечить ослабление 10:1 или 20:1 при входном сопротивлении осциллографа 50 Ом. За входным резистором пробника расположен кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, согласованный с 50-омным входом осциллографа. Следует помнить, что для использования этого типа пробников осциллограф обязательнодолжен иметь входное сопротивление 50 Ом. Важнейшее преимущество низкоомных  пассивных пробников — небольшая емкостная нагрузка и широкая полоса пропускания (порядка нескольких гигагерц), что позволяет выполнять точные измерения временных характеристик. Кроме того, такие пробники имеют относительно невысокую стоимость по сравнению с активными пробниками с такой же полосой пропускания. Низкоомные пробники используются при проведении измерений в ЭСЛ-схемах (логические схемы с эмиттерными связями), СВЧ-приложениях, а также в линиях передачи с волновым сопротивлением 50 Ом. Единственным недостатком пробников является относительно высокая резистивная нагрузка, что может сказаться на точности измерений амплитуды сигнала.

Пассивные пробники хорошо подходят для обычных измерений низкочастотных сигналов с менее строгими требованиями к точности. Пассивный пробник для каждого канала осциллографа входит в стандартную комплектацию прибора.

Пассивные пробники — надежное и недорогое решение для большинства задач общего назначения, тогда как для высокочастотных приложений активные пробники обеспечивают более точные измерения быстрых сигналов. И хотя для многих активных пробников в спецификации указана широкая полоса пропускания, следует помнить, что на характеристики активного пробника в реальных условиях существенным образом влияет способ подключения к исследуемой схеме. Пользователям необходимо запомнить простое практическое правило: если требуется обеспечить высокую точность измерений, для подключения пробника нужно использовать как можно более короткие проводники.

Активные пробники

При работе с осциллографом, имеющим полосу пропускания более 500 МГц, зачастую возникает необходимость использования активных пробников.  Активные пробники наилучшим образом подходят для измерений, для которых требуется широкая полоса пропускания. Как правило, такие пробники дороже пассивных и имеют более узкий диапазон входных напряжений, однако благодаря значительно меньшей емкостной нагрузке они обеспечивают более точные измерения быстрых сигналов. Как уже упоминалось, для работы активного пробника необходим источник питания. Для подключения большинства современных активных пробников используется интеллектуальный интерфейс, который обеспечивает питание пробника и служит каналом связи между пробником и осциллографом. Как правило, интерфейс пробника способен определить тип подключенного пробника, установить нужное значение входного импеданса, коэффициента ослабления и диапазона смещения, а при необходимости — обеспечить питание пробника.

Активные пробники требуются в тех случаях, когда нагрузка на испытываемое устройство должна быть малой или если измеряемый сигнал содержит высокочастотные компоненты, которые не должны быть искажены. Даже сигналы в килогерцовом диапазоне могут содержать на своих фронтах высокочастотные компоненты намного выше 100 МГц. Rohde & Schwarz предлагает полный ассортимент высококачественных активных пробников.

Сравнения активного и пасивного пробников


Немного о полосе пропускания 

Более широкая полоса пропускания является реальным преимуществом активных пробников. Зачастую пользователи не обращают внимания на влияние эффекта подключения пробника к точке измерения, который условно можно назвать «полосой пропускания при подключении». И если в характеристиках конкретного активного пробника приводится высокое значение полосы пропускания, то, скорее всего, оно соответствует идеальным (или близким к идеальным) условиям измерений. В реальных условиях, с учетом возможности подключения к наконечнику пробника различных аксессуаров, характеристики пробника могут быть значительно хуже паспортных показателей. На производительность активного пробника в реальных условиях влияет главным образом «система подключения».

Несколько моделей активных пробников от Rohde & Schwarz:

  • RT-ZS10- активный пробник 1ГГц
  • RT-ZS20 – активный пробник 1.5ГГц
  • RT-ZS30 – активный пробник 3 ГГц

Осциллографические зонды своими руками

Как правило, это не самая лучшая идея. Намного лучше сделать точки захвата для обычных зондов прицела (конечно, убедитесь, что есть точки захвата для заземляющего зажима поблизости).

Существует ряд проблем, большинство из которых вы на самом деле рассмотрели — просто прямое коаксиальное соединение — не способ их решения.

Сигналы могут находиться в диапазоне МГц (например, 10–30 МГц).

Я думал о стандартном коаксиальном кабеле на 50 Ом, есть что-нибудь лучше?

Вот твоя первая проблема. Сигналы 30 МГц будут испытывать видимое ухудшение, если они будут подавать на коаксиальный кабель большой длины, если коаксиальный кабель не будет терминирован. Ваши сигналы будут распространяться на осциллограф, отражаться, затем отражаться снова и искажать сигнал осциллографа и т.д. теория.

Должен ли я его прекратить?

О, конечно. Если вы это сделаете, вы получите отличные сигналы на прицеле. Эммм. Ну, конечно, есть небольшая проблема с проложением кабеля. Для кабеля с сопротивлением 50 Ом необходимо предоставить источник, способный выдерживать нагрузку 50 Ом. Это исключает все «нормальные» операционные усилители и все «нормальные» логические схемы. Это подразумевает наличие на вашей плате ряда высокоскоростных мощных усилителей, которые используются только тогда, когда вы подключаете прицел к плате, и для большинства схем будет значительно увеличиваться рассеиваемая мощность, поэтому вам потребуются более мощные блоки питания. . Но продолжайте во что бы то ни стало.

Для измерения 1:10 мне достаточно простого делителя напряжения. Это правда?

Увы, нет. Хотя это правда, что вы могли бы предоставить что-то вроде делителя 550/55 для получения номинального источника 50 Ом, при подключении к нагрузке 50 Ом вы получите деление примерно на 20. Ваша схема будет иметь нагрузку около 600 Ом, что составляет лучше, чем 50 Ом, но это все еще вне диапазона, с которым могут работать большинство схем.

Как насчет компенсации емкости? Как вообще уменьшить емкость зонда?

Это правда, что это работает для деления на 10 зондов, но только с коаксиальным кабелем с потерями. У вас может возникнуть соблазн попробовать использовать коаксиальный кабель без оконечной нагрузки, но он будет иметь значительную емкостную нагрузку (обычно 25 пФ / фут для RG58, например).

Единственный «хороший» способ сделать то, что вы хотите, — это, как я уже упоминал, установить 50-омный драйвер-усилитель в каждой точке, которую вы хотите контролировать, а затем заделать кабель на осциллографе с сопротивлением 50 Ом. И это, наверное, не очень хорошо.

Выбор активных и пассивных пробников для решения измерительных задач — Компоненты и технологии

Пассивные пробники

Сейчас наиболее распространенным типом осциллографических пробников являются пассивные пробники напряжения (рис. 1). Этот тип пробников, в свою очередь, подразделяется на высокоомные пассивные пробники (с высоким входным импедансом) и низкоомные пассивные пробники (с низким входным импедансом) с резисторным делителем напряжения.

Рис. 1. Пассивный пробник

Чаще всего на практике используются высокоомные пассивные пробники с коэффициентом деления 10:1. Такие пробники входят в комплект поставки большинства современных бюджетных осциллографов и осциллографов среднего ценового диапазона.

Входное сопротивление пробника составляет, как правило, 9 МОм, что, при подключении к входу осциллографа с импедансом 1 МОм, позволяет получить коэффициент деления (или коэффициент ослабления) равный 10:1. Общее входное сопротивление, таким образом, составит 10 МОм. Напряжение на входе осциллографа в 10 раз меньше напряжения на входе пробника и может быть описано следующим уравнением:

По сравнению с активными пассивные пробники являются более прочным, надежным и недорогим решением. Они имеют широкий динамический диапазон (обычно более 300 В для пробника 10:1) и высокое входное сопротивление для согласования с входным импедансом осциллографа. Вместе с тем по сравнению с активными пробниками или низкоомными (z0) пассивными пробниками с резисторным делителем они имеют более узкую полосу пропускания, а из-за высокой входной емкости могут создавать значительную нагрузку на исследуемую цепь (рис. 2).

Рис. 2. Высокоомный пассивный пробник

Рассмотрим низкоомные пассивные пробники с резисторным делителем (рис. 3). Эти пробники имеют входное сопротивление 450 или 950 Ом, что позволяет обеспечить ослабление 10:1 или 20:1 при входном сопротивлении осциллографа 50 Ом. За входным резистором пробника расположен кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, согласованный с 50-омным входом осциллографа. Следует помнить, что для использования этого типа пробников осциллограф обязательно должен иметь входное сопротивление 50 Ом. Важнейшее преимущество низкоомных пассивных пробников — небольшая емкостная нагрузка и широкая полоса пропускания (порядка нескольких гигагерц), что позволяет выполнять точные измерения временных характеристик. Кроме того, такие пробники имеют относительно невысокую стоимость по сравнению с активными пробниками с такой же полосой пропускания. Низкоомные пробники используются при проведении измерений в ЭСЛ-схемах (логические схемы с эмиттерными связями), СВЧ-приложениях, а также в линиях передачи с волновым сопротивлением 50 Ом. Единственным недостатком пробников является относительно высокая резистивная нагрузка, что может сказаться на точности измерений амплитуды сигнала.

Рис. 3. Низкоомные пассивные пробники с резисторным делителем

Активные пробники

При работе с осциллографом, имеющим полосу пропускания более 500 МГц, зачастую возникает необходимость использования активных пробников. Несмотря на довольно высокую стоимость, активные пробники наилучшим образом подходят для измерений, для которых требуется широкая полоса пропускания. Как правило, такие пробники дороже пассивных и имеют более узкий диапазон входных напряжений, однако благодаря значительно меньшей емкостной нагрузке они обеспечивают более точные измерения быстрых сигналов.

Как уже упоминалось, для работы активного пробника необходим источник питания. Для подключения большинства современных активных пробников используется интеллектуальный интерфейс (рис. 4), который обеспечивает питание пробника и служит каналом связи между пробником и осциллографом. Как правило, интерфейс пробника способен определить тип подключенного пробника, установить нужное значение входного импеданса, коэффициента ослабления и диапазона смещения, а при необходимости — обеспечить питание пробника.

Рис. 4. Интеллектуальный интерфейс

Рассуждения по поводу полосы пропускания

Более широкая полоса пропускания является реальным преимуществом активных пробников. Зачастую пользователи не обращают внимания на влияние эффекта подключения пробника к точке измерения, который условно можно назвать «полосой пропускания при подключении». И если в характеристиках конкретного активного пробника приводится высокое значение полосы пропускания, то, скорее всего, оно соответствует идеальным (или близким к идеальным) условиям измерений. В реальных условиях, с учетом возможности подключения к наконечнику пробника различных аксессуаров, характеристики пробника могут быть значительно хуже паспортных показателей. На производительность активного пробника в реальных условиях влияет главным образом «система подключения». Паразитные элементы, расположенные слева от точки VAtn на рис. 5, являются основными факторами, воздействующими на характеристики активных пробников в реальных условиях работы высокочастотных приложений.

Рис. 5. Паразитные элементы

При использовании наконечника и провода заземления длиной 2 см несимметричный активный пробник Agilent N2796A позволяет получить полосу пропускания 2 ГГц. Такие настройки обеспечивают наиболее благоприятные условия измерений, в результате чего фактическая полоса пропускания равна паспортной величине 2 ГГц. Если снять наконечник и провод заземления и заменить их двухпроводным адаптером длиной 10 см, полоса пропускания пробника снизится до 1 ГГц. Подключение к проводам адаптера дополнительных зажимов приведет к дальнейшему уменьшению полосы пропускания до 500 МГц. Таким образом, для обеспечения более высокой производительности пробника требуется использовать более короткие входные проводники (рис. 6).

Рис. 6. Различные входные проводники

Эффект нагрузки пробника

Несколько слов о входном импедансе пробника. Многие пользователи полагают, что входной импеданс пробника есть величина постоянная. Часто можно услышать, что значение входного импеданса составляет, например, 1 кОм, 1 МОм или даже 10 МОм, но эта величина меняется в зависимости от частоты: с увеличением частоты она быстро уменьшается.

При постоянном токе и в диапазоне низких частот входной импеданс пробника равен приведенной в спецификации на устройство величине, например 10 МОм для пассивного пробника 10:1. По мере увеличения частоты входная емкость пробника уменьшается и, соответственно, падает импеданс пробника. Чем выше входная емкость, тем быстрее снижается импеданс.

На рис. 7 приведено сравнение характеристик пассивного пробника с полосой 500 МГц и активного пробника с полосой 2 ГГц. Видно, что на частоте примерно 10 кГц (точка пересечения графиков) и более входной импеданс активного пробника выше, чем у пассивного. Пробник с более высоким входным импедансом обеспечивает меньшую нагрузку на исследуемый сигнал. Низкая нагрузка, в свою очередь, оказывает меньшее воздействие на тестируемую схему и меньше искажает сигнал.

Рис. 7. Сравнение характеристик пассивного пробника с полосой 500 МГц и активного пробника с полосой 2 ГГц

На частоте 70 МГц входной импеданс пассивного пробника составляет примерно 150 Ом, а активного — около 2,5 кОм. Это существенная разница. Если, к примеру, имеется система с внутренним сопротивлением источника 50 или 100 Ом, то пассивный пробник из-за более высокой нагрузки будет оказывать на нее большее воздействие, чем активный.

В этом частотном диапазоне подключение пассивного пробника равносильно включению в схему резистора на 150 Ом. Для некоторых прикладных задач это допустимо, и тогда можно смело использовать пассивный пробник. В других случаях это совершенно неприемлемо, и тогда вместо этого пассивного пробника лучше подобрать пробник с более высоким входным импедансом в диапазоне высоких частот, например активный пробник.

Выводы

При выборе подходящего измерительного прибора для решения той или иной прикладной задачи о пробниках зачастую забывают. Многие пользователи обычно выбирают осциллограф, ориентируясь в первую очередь на ширину полосы пропускания, частоту дискретизации и количество каналов. И только потом они начинают думать о том, как подать сигнал на вход осциллографа. Выбор подходящего пробника для конкретного приложения и правильное его использование является лишь первым шагом к точным и надежным измерениям с помощью осциллографа.

Пассивные пробники — надежное и недорогое решение для большинства задач общего назначения, тогда как для высокочастотных приложений активные пробники обеспечивают более точные измерения быстрых сигналов. И хотя для многих активных пробников в спецификации указана широкая полоса пропускания, следует помнить, что на характеристики активного пробника в реальных условиях существенным образом влияет способ подключения к исследуемой схеме. Пользователям необходимо запомнить простое практическое правило: если требуется обеспечить высокую точность измерений, для подключения пробника нужно использовать как можно более короткие проводники.

Ez Digital OS-5020 [10/19] 2-2-3. Работа в однолучевом режиме.

10

Подключение через простые провода может быть достаточным, когда амплитуда сигнала велика и

выходное сопротивление источника сигналов мало (например, TTL схемы), но такое подключение

используется нечасто. На неэкранированные провода наводятся шумы, что искажает сигнал, если он

мал. Также существует проблема подключения проводов к входу осциллографа.

Подключение через коаксиальный кабель является наиболее популярным способом подключения

осциллографа к источнику сигналов и оборудованию, имеющему выходные разъемы. При этом экран

кабеля не позволяет наводкам проникнуть на вход осциллографа. Такие коаксиальные кабели имеют

BNC разъем на одном конце и специальные переходники для подключения к различным разъемам на

другом конце.

Осциллографические пробники наиболее популярны для подключения осциллографов к исследуемым

схемам. Имеющиеся пробники имеют затухание Х1 (прямое соединение) и Х10 (10-кратный делитель

сигнала). При переключении на Х10 входной импеданс пробник/осциллограф увеличивается до 10 МОм

при емкости в несколько пикофарад. Уменьшение входной емкости является наиболее важной причиной

использования аттенюаторов пробников при работе с высокими

частотами, когда емкости существенно

нагружают сигнал и вносят искажения. При использовании аттенюатора Х10 коэффициент

переключателя VOLT/DIV необходимо умножать на 10.

Несмотря на свое высокое входное сопротивление на пробники не попадают заметные наводки и шумы.

Как и в случае коаксиального кабеля, центральный сигнальный проводник экранирован внешним

проводником. Пробники также удобны с точки зрения механического крепления к испытуемой схеме.

Для того, чтобы определить, допустимо ли подключать осциллограф к схеме напрямую с помощью

экранированного кабеля, необходимо знать импеданс схемы в точке подключения, емкость кабеля и

верхнюю частоту измерения. Если какой-либо из этих факторов неизвестен, используйте пробник Х10.

Альтернативным методом подключения на высоких частотах является коаксиальный кабель. Импеданс

разъема на кабеле со стороны осциллографа должен быть равен импедансу источника сигнала. Кабель

должен иметь точно такой же импеданс. Такой метод позволяет использовать кабели приемлемой

длины без потерь на затухание сигнала.

Если между осциллографом и исследуемой схемой не существует хорошего контакта по «земле», то на

дисплее осциллографа появятся большие наводки. Обычно контакт по «земле» обеспечивается с

помощью экрана кабеля или пробника. Если измерения проводятся при помощи обычных проводов

необходимо сначала подсоединить шасси (или «землю») схемы к гнезду заземления (28) осциллографа.

<ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ>

Осциллографы серии OS-5020 имеют заземленный корпус (через 3-контактный шнур питания).

Перед подключением осциллографа к схеме убедитесь, что она питается через

развязывающий

трансформатор. НЕ ПОДКЛЮЧАЙТЕ осциллограф к любому другому оборудованию с

бестрансформаторным питанием, с корпусом, находящимся под напряжением.

Аналогично, НЕ подключайте щуп осциллограф напрямую к питающей сети или устройству,

связанному с питающей сетью. Результатом неосторожного обращения может быть поломка

оборудования или поражение электрическим током.

2-2-3. Работа в однолучевом режиме.

Работа с использованием

одного луча и одной развертки с внутренней синхронизацией является

наиболее элементарным использованием осциллографа серии OS-5020. Используйте этот режим при

необходимости наблюдения одного лишь входа или если мешает другой луч на экране. Поскольку

осциллограф двухканальный, можно выбрать требуемый канал. Вход 1 имеет выходной разъем;

используйте вход 1 если Вы хотите наблюдать сигнал и одновременно

измерять его частоту. Вход 2

имеет переключатель, инвертирующий полярность сигнала. Но при работе с одним лучом этот режим не

слишком полезен.

Для работы с использованием только одного луча проделайте следующее:

1. Установите переключатели, как показано ниже. Заметьте, что переключатель входа синхронизации

(Ch2 или Ch3 SOURCE) должен соответствовать выбранному входу.

переключатель POWER (16) включен

переключатели AC/GND/DC (25) (21) в положении AC (вход

по переменной составляющей)

ручки POSITION блока VERTICAL (4) (7) в среднем положении

регулировки VARIABLE (27) (20) по часовой стрелке до упора

переключатель VERTICAL MODE (5) в положении Ch2 (Ch3)

ручка VARIABLE (13) в положении CAL

переключатель синхронизации MODE (14) в положении AUTO

переключатель синхронизации SOURCE (18) в положении VERT

ручка синхронизации

LEVEL (9) в среднем положении

2. Используйте ручки VERTICAL POSITION (4) или (7) для установки луча в средней части экрана.

3. Подключите источник сигнала к соответствующему входу (24) или (22) и отрегулируйте амплитуду

сигнала переключателем (26) или (23), так, чтобы сигнал занимал всю высоту экрана.

<ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ>

не подавайте на вход сигнал амплитудой свыше 400В (постоянный + переменный пиковый)

Знакомство с пробниками осциллографов

В этой статье рассматриваются различные типы пробников осциллографов и способы их использования.

Давайте поговорим об осциллографах … в общих чертах

Осциллограф (также известный как осциллограф или осциллограф) — очень мощный инструмент и, возможно, наиболее часто используемый элемент оборудования для инженеров-электриков или всех, кто желает измерить электрические характеристики электронных устройств. Однако вам понадобится нечто большее, чем просто осциллограф; вам также понадобится хотя бы один зонд.

При выборе датчика для вашего осциллографа лучше всего свериться с руководством по осциллографу, чтобы узнать, какой тип зонда он рекомендует. Если ваше руководство отсутствует (что часто бывает в реальной жизни), перейдите на веб-сайт производителя осциллографа за рекомендациями.

При выборе датчиков следует также учитывать следующую информацию:

  • Убедитесь, что входной разъем датчика соответствует разъему на вашем прицеле.
    • Большинство осциллографов имеют разъемы типа BNC; SMA — еще одна возможность.См. Рисунки 1 и 2 ниже.
  • Выберите пробник, входное сопротивление и емкость которого соответствуют входному сопротивлению и емкости вашего осциллографа. Обычно желательно, чтобы зонд оказывал наименьшее влияние на цепь, в которой проводится измерение — это называется эффектом нагрузки. Согласование сопротивления и емкости имеет решающее значение для обеспечения надлежащей передачи сигнала и точности сигнала.

Рисунок 1. Разъем BNC. Изображение любезно предоставлено Swift.Hg [CC BY-SA 3.0].

Рисунок 2. Разъем SMA . Изображение любезно предоставлено Swift.Hg [CC BY-SA 3.0].

Большинство современных осциллографов позволяют выбирать входное сопротивление 50 Ом или 1 МОм. Для универсального тестирования обычно используется вход 1 МОм. Входное сопротивление 50 Ом используется для высокоскоростных сигналов (например, микроволн), задержек распространения в логических схемах и тестирования импеданса печатной платы.

В отличие от стандартного входного сопротивления осциллографа 1 МОм или 50 Ом, входная емкость осциллографа может варьироваться в зависимости от полосы пропускания осциллографа и других конструктивных особенностей. С учетом сказанного, общая входная емкость для многих осциллографов с сопротивлением 1 МОм составляет 20 пФ. Однако это значение может находиться в диапазоне от 5 до 100 пФ. Наилучший подход для согласования пробника с осциллографом — сначала выбрать пробник, емкость которого находится в пределах диапазона вашего осциллографа, а затем, если возможно, выполнить точную настройку емкости пробника, отрегулировав его схему компенсации с помощью подстроечного конденсатора пробника.Этот процесс известен как компенсация вашего датчика .

Сколько датчиков и какие типы вам нужны

Сколько датчиков и тип датчиков, которые вам могут понадобиться, зависит от конкретной ситуации. Например, если требуются только отдельные измерения постоянного напряжения, то потребуется пассивный несимметричный пробник напряжения 1 МОм. Однако, если вы измеряете время установки и удержания высокоскоростного сигнала, такого как линии данных NAND на твердотельном накопителе (SSD), тогда вы захотите использовать два активных высокоскоростных дифференциальных пробника. .См. Рисунок 4 для примера этого типа измерения.

Рис. 3. Активный дифференциальный пробник Tektronix. Изображение из этой таблицы (PDF). Обратите внимание на селекторный переключатель ослабления 10 × и 1 ×.

Рис. 4. Измерение напряжения во время быстрой установки и удержания.

Пассивные пробники

Пассивные пробники — это наиболее часто используемые пробники для выполнения измерений общего назначения.Пассивные пробники состоят из проводов, разъемов, корпуса и, при необходимости, компенсирующих или ослабляющих резисторов или конденсаторов. В пробниках этого типа не используются активные компоненты, такие как транзисторы или усилители. Вообще говоря, пассивные пробники просты в использовании, относительно недороги и довольно надежны.

Пассивные пробники обычно доступны в следующих конфигурациях:

  • 1 ×: без затухания
  • 10 ×: коэффициент ослабления 10
  • 100 ×: 100-кратное затухание
  • 1000 ×: коэффициент затухания 1000

Пробники ослабления служат для увеличения диапазона измерения напряжения осциллографа с помощью внутреннего резистора, который при использовании вместе с входным сопротивлением осциллографа создает делитель напряжения.Например, в типичном пробнике 10 × имеется внутренний резистор на 9 МОм, который при использовании с осциллографом 1 МОм создает коэффициент ослабления 10: 1 на входном канале осциллографа. Это означает, что отображаемый на осциллографе сигнал будет составлять 1/10 величины фактического измеренного сигнала. Эта функция затухания полезна по следующим причинам:

  • Позволяет измерять сигнал, который может выходить за пределы осциллографа.
  • Схема ослабления приводит к более высокому сопротивлению (как правило, это хорошо) и более низкой емкости, что важно для высокочастотных измерений.

Типичная схема 10-кратного пассивного пробника представлена ​​на рис. 5 ниже.

Рис. 5. Типовая схема 10-кратного пассивного пробника.

Активные пробники

Активные пробники получили свое название, потому что они содержат активные компоненты, такие как полевые транзисторы или усилители (см. Рисунок 6 ниже). Активные пробники обычно используются для высокоскоростных измерений (> 500 МГц) или в цепях с высоким импедансом. Для таких приложений пассивные пробники не подходят: они могут вызвать серьезную нагрузку цепи (поскольку входное сопротивление не намного превышает выходное сопротивление схемы) и ухудшение высокочастотных характеристик (поскольку пробник имеет слишком большую емкость).

В активных пробниках

используются внутренние полевые транзисторы или другие активные компоненты, которые имеют чрезвычайно высокое входное сопротивление и низкую входную емкость (~ 1 пФ). Активные пробники имеют внешнее питание, что позволяет им усиливать сигналы без использования энергии тестируемой цепи.

Рис. 6. Типовая схема несимметричного активного пробника.

Активные пробники имеют полосу пропускания от 500 МГц до 4 ГГц и обычно имеют выходное сопротивление 50 Ом (что соответствует входному сопротивлению 50 Ом осциллографа).Однако также существуют активные пробники с выходным сопротивлением 1 МОм (см. Рисунок 7 ниже).

Рис. 7. Активный пробник (выходное сопротивление 1 МОм). Изображение любезно предоставлено Teledynelecroy.com.

Одним из ограничений активных пробников, как показано на Рисунке 7 выше, является их ограниченный диапазон напряжения. Обычно этот диапазон составляет от ± 0,6 до ± 10 В с максимальным номинальным напряжением ± 40 В.

Дифференциальные пробники

Дифференциальные пробники измеряют дифференциальные сигналы.То есть они измеряют разницу между любыми двумя точками. В этом отличие от несимметричного пробника, который измеряет разницу между одной точкой и землей. Дифференциальные пробники особенно популярны для измерения высокочастотных сигналов или сигналов очень низкой амплитуды (т. Е. Приближающихся к минимальному уровню шума). Дифференциальные пробники используют дифференциальный усилитель для преобразования разницы между двумя сигналами в напряжение, которое может быть отправлено на обычный несимметричный вход осциллографа. См. Рисунок 8 ниже.

Дифференциальные пробники обеспечивают высокую эффективность подавления синфазных помех в широком диапазоне частот.

Рис. 8. Типовая схема активного дифференциального пробника.

Токовые пробники

Токовые пробники обеспечивают неинвазивный метод измерения электрического тока, протекающего по проводнику. В датчике постоянного тока используется датчик Холла для измерения магнитного поля, создаваемого постоянным током, проходящим через ферритовый сердечник датчика.В датчике переменного тока используется трансформатор тока для измерения переменного тока, протекающего через сердечник датчика. Также доступны токовые пробники, которые измеряют как переменный, так и постоянный ток, и они довольно распространены.

Ферритовые сердечники в токовых пробниках по существу разрезаны пополам, так что сердечник можно «открыть», позволяя помещать тестируемый проводник внутри сердечника; перед снятием текущих показаний сердечник необходимо закрыть.

На рисунке 9 ниже показана внутренняя конструкция токового пробника, а на рисунке 10 показаны устройства для измерения постоянного и переменного тока.

Рис. 9. Датчик тока Fluke для измерения тока. Изображение любезно предоставлено компанией Fluke.

Рис. 10. Слева: трансформатор тока только переменного тока. Справа: датчик Холла, расположенный в воздушном зазоре, для измерения постоянного тока. Изображение любезно предоставлено компанией Fluke.

Рисунок 11. Пример токового пробника. Изображение любезно предоставлено Yokogawa.com.

Предложения по датчикам

В заключение я хотел бы предложить следующие предложения по датчикам:

Всегда компенсируйте свои щупы:

  • Входные данные могут немного отличаться от осциллографа к осциллографу и даже между разными каналами одного и того же осциллографа. Чтобы преодолеть эти различия, всегда рекомендуется компенсировать пробник для конкретного канала осциллографа, который вы будете использовать.

Используйте соответствующие переходники наконечника зонда:

  • По возможности всегда используйте соответствующий наконечник пробника и / или адаптер наконечника пробника.На рис. 3 выше показаны различные типы адаптеров.

Держите заземляющие провода короткими:

  • Излишне длинные заземляющие провода пробника могут вызвать значительную индуктивность, что приведет к звону и / или искажению сигнала.
  • Сохранение короткого замыкания проводов заземления зонда особенно важно при измерении высокоскоростных сигналов и сигналов низкой амплитуды. Длинные заземляющие провода действуют как антенны и могут улавливать шум, что приводит к искажению сигнала.

Дополнительная информация

Активный пассивный X1 X10.. »Электроника Примечания

Обзор или учебное пособие по различным типам пробников осциллографов, которые доступны для использования с осциллографами.


Осциллограф Учебное пособие Включает:
Основы осциллографа Типы осциллографов Характеристики Как пользоваться осциллографом Запуск области видимости Осциллографические щупы Технические характеристики пробника осциллографа

Датчики осциллографа включают: Осциллографические щупы Компенсация датчика Технические характеристики пробника осциллографа


Осциллографы широко используются для проверки и ремонта электронного оборудования всех типов.Однако необходимо иметь способ подключения входа осциллографа к точке на тестируемом оборудовании, которая требует мониторинга.

Для подключения осциллографа к контролируемой точке необходимо использовать экранированный кабель для предотвращения сбора нежелательных сигналов, и в дополнение к этому на входах большинства осциллографов используются коаксиальные разъемы BNC. Хотя можно использовать коаксиальный кабель нестандартной длины с разъемом BNC на одном конце и открытыми проводами с зажимами типа «крокодил» / «крокодил» на другом, это не идеально, и специальные пробники для осциллографов обеспечивают гораздо более удовлетворительное решение.


Пробники осциллографов

Пробники осциллографа

обычно содержат разъем BNC, коаксиальный кабель (обычно около метра в длину) и то, что можно назвать самим пробником. Он состоит из механического зажима, позволяющего прикрепить пробник к соответствующей контрольной точке, и зажима заземления, который должен быть прикреплен к соответствующей точке заземления на тестируемой цепи.

Следует соблюдать осторожность при использовании щупов осциллографа, так как они могут сломаться.Несмотря на то, что они прочно изготовлены, любая лаборатория электроники будет рассматривать пробники осциллографов почти как «живые» предметы, которые через некоторое время можно утилизировать, если они сломаются. К сожалению, тот факт, что они прикреплены к кабелям оборудования, создает огромную нагрузку на механическое устройство зажимов. В конечном итоге это та часть, которая ломается.

Наконечник пробника осциллографа

Пробники осциллографа X1 и X10

Существует два основных типа пассивных пробников для измерения напряжения. Обычно они обозначаются X1 и X10, хотя иногда встречаются 1X и 10X.Обозначение относится к коэффициенту, на который импеданс осциллографа умножается на щуп.

Пробники X1 подходят для многих низкочастотных приложений. Они имеют такое же входное сопротивление, что и осциллограф, которое обычно составляет 1 МОм. Однако для приложений, где требуется более высокая точность и когда частота начинает расти, необходимы другие испытательные щупы.

Для достижения большей точности требуются более высокие уровни импеданса. Для этого в конец пробника, который подключается к тестируемой цепи, встроены аттенюаторы.Самый распространенный тип пробника со встроенным аттенюатором дает ослабление в десять раз и известен как пробник осциллографа X10. Затухание позволяет увеличить импеданс тестируемой цепи в десять раз, что позволяет проводить более точные измерения.

Поскольку пробник X10 ослабляет сигнал в десять раз, сигнал, поступающий в сам осциллограф, будет уменьшаться. Это нужно учитывать. Некоторые осциллографы автоматически настраивают шкалы в соответствии с имеющимся пробником, хотя не все могут это сделать.Это стоит проверить перед чтением.

Некоторые пробники осциллографов могут переключаться между X1 и X10

Пробник осциллографа 10X использует последовательный резистор (9 МОм) для обеспечения ослабления 10: 1, когда он используется с входным сопротивлением 1 МОм самого осциллографа. Импеданс 1 МОм — это стандартный импеданс, используемый для входов осциллографа, поэтому он позволяет заменять пробники осциллографа между осциллографами разных производителей.

Схема пробника осциллографа

Показанная схема пробника осциллографа является типичной, которую можно увидеть — другие варианты с конденсатором переменной компенсации на кончике также распространены.

В дополнение к зондам X1 и X10 также доступны зонды X100. Эти пробники осциллографов обычно используются там, где требуются очень низкие уровни нагрузки схемы и где присутствуют высокие частоты. Сложность использования заключается в том, что сигнал ослабляется в 100 раз.

Компенсация пробника осциллографа X10

Пробник осциллографа X10 фактически является аттенюатором, что позволяет ему значительно меньше нагружать тестируемую цепь. Это достигается за счет уменьшения резистивной и емкостной нагрузки в цепи.Он также имеет гораздо более широкую полосу пропускания, чем традиционный пробник X1.

Пробник осциллографа x10 обеспечивает лучшую высокочастотную характеристику, чем обычный пробник X1, по ряду причин. Это достигается за счет уменьшения резистивной и емкостной нагрузки на пробник X10, который часто можно регулировать или компенсировать для улучшения частотной характеристики.

Типовой пробник осциллографа

Для многих пробников осциллографа существует одна регулировка, обеспечивающая компенсацию пробника, хотя на некоторых пробниках их может быть две: один для компенсации НЧ, а другой — для компенсации ВЧ.

Датчики, у которых есть только одна регулировка, регулируется компенсация НЧ, иногда компенсация ВЧ может быть отрегулирована на заводе.

Для достижения правильной компенсации зонд подключается к генератору прямоугольных сигналов в осциллографе, а подстроечный резистор коррекции настраивается на требуемый отклик — прямоугольный сигнал.

Формы сигналов регулировки компенсации для пробника осциллографа X10.

Как видно, настройка довольно очевидна, ее можно быстро и легко выполнить.Это следует делать каждый раз, когда зонд перемещается с одного входа на другой или с одного осциллографа на другой. Не помешает время от времени проверять его, даже если он остается на том же входе. Как и в большинстве лабораторий, вещи берут взаймы, могут возвращать другой зонд и т. Д. .

Предупреждение: многие пробники осциллографов включают переключатель X1 / X10. Это удобно, но нужно понимать, что резистивная и емкостная нагрузка на схему значительно возрастает в положении X1.Также следует помнить, что компенсационный конденсатор не действует при использовании в этом положении.

В качестве примера представленных уровней нагрузки типичный пробник может иметь сопротивление нагрузки 10 МОм вместе с емкостью нагрузки 15 пФ для цепи в положении X10. Для положения X1 емкость пробника может составлять, возможно, 50 пФ плюс входная емкость осциллографа. Это может быть от 70 до 80 пФ.


Наконечник пробника осциллографа

Другие типы пробника

Помимо стандартных пробников напряжения 1X и 10X доступен ряд других типов пробников.

  • Токовые пробники: Иногда необходимо измерить кривые тока на осциллографе. Этого можно добиться с помощью токового пробника. У него есть зонд, который зажимается вокруг провода и позволяет измерять ток. Иногда, используя математические функции на осциллографе вместе с измерением напряжения на другом канале, можно измерить мощность, а также посмотреть разности фаз.
  • Активные пробники: По мере увеличения частоты стандартные пассивные пробники становятся менее эффективными.Влияние емкости возрастает, и ширина полосы пропускания ограничивается. Чтобы преодолеть эти трудности, можно использовать активные зонды. У них есть усилитель прямо на конце зонда, позволяющий проводить измерения с очень низкими уровнями емкости. Частоты в несколько ГГц достигаются при использовании активных зондов.
  • Дифференциальные щупы: В некоторых случаях может потребоваться измерение дифференциальных сигналов. Низкоуровневый звук, сигналы дисковода и многие другие используют дифференциальные сигналы, и их необходимо измерять как таковые.Один из способов добиться этого — исследовать обе линии дифференциального сигнала, используя по одному пробнику для каждой линии, как если бы было два несимметричных сигнала, а затем использовать осциллограф для сложения, а затем дифференциального добавления (то есть вычитания одного из другого) для получения разницы.

    Использование двух зондов осциллографа таким образом может вызвать ряд проблем. Главный из них заключается в том, что измерения такого рода с несимметричным выходом не дают требуемого подавления каких-либо синфазных сигналов (т. Е. Коэффициента подавления синфазного сигнала, CMMR), и, вероятно, будет присутствовать дополнительный шум.На каждом датчике может быть разная длина кабеля, что может привести к разнице во времени и небольшому перекосу между сигналами.

    Для преодоления этого можно использовать дифференциальный зонд. При этом в точке измерения используется дифференциальный усилитель для обеспечения необходимого дифференциального сигнала, который затем передается по проводу пробника осциллографа к самому осциллографу. Такой подход обеспечивает гораздо более высокий уровень производительности.

  • Высоковольтные пробники: Большинство стандартных пробников напряжения осциллографов, таких как X1 или X10, предназначены только для работы при напряжении до нескольких сотен вольт.Для работы выше указанного необходим соответствующий высоковольтный зонд со специально изолированным зондом. Он также снизит напряжение на входе осциллографа, чтобы испытательный прибор не был поврежден высоким напряжением. Часто пробники напряжения могут быть X50 или X100.

Резюме

Пробники осциллографа

являются важным дополнением к любому осциллографу. В большинстве случаев можно использовать пассивные зонды 10X, но необходимо учитывать другие типы тестовых зондов в зависимости от предполагаемых приложений.

Другие темы тестирования:
Анализатор сети передачи данных Цифровой мультиметр Частотомер Осциллограф Генераторы сигналов Анализатор спектра Измеритель LCR Дип-метр, ГДО Логический анализатор Измеритель мощности RF Генератор радиочастотных сигналов Логический зонд Тестирование и тестеры PAT Рефлектометр во временной области Векторный анализатор цепей PXI GPIB Граничное сканирование / JTAG Получение данных
Вернуться в тестовое меню.. .

Выберите подходящий щуп осциллографа для вашего приложения

В этом разделе будут проиллюстрированы два примера эффектов нагрузки, вызванных измерительными цепями. В каждом примере эффекты, возникающие в результате исследования схемы, могут привести к тому, что устройство коренным образом изменит поведение или полностью перестанет функционировать.

Емкостная нагрузка

LC-цепь, также известная как бак-цепь, содержит параллельно включенные индуктивность и конденсатор.Конечным эффектом этой схемы является то, что катушка индуктивности излучает резонансную частоту с заданным значением, определяемым индуктором и конденсатором. Частота определяется уравнением 3.

Уравнение 3. Это уравнение определяет резонансную частоту LC-контура.

Эта схема используется в коммерческих RFID-метках, так что это будет пример, демонстрирующий влияние нагрузки. На рисунке 5 показана очень распространенная LC-схема в микросхеме RFID.

Рис. 5. Цепи LC используются в RFID-метках. Это очень распространенная LC-схема RFID.

Инженер, проектирующий или тестирующий эту схему, может захотеть проверить линию, содержащую конденсатор. Если инженер подключит пробник SP500X к точке с высоким потенциалом этой цепи, емкость пробника будет добавлена ​​параллельно с C1 между высоким потенциалом и землей, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6. Входная емкость пробника будет добавлена ​​к цепи, если она не будет проверена способом, препятствующим протеканию тока.

Дополнительная емкость зонда вызовет изменение резонансной частоты LC-контура в соответствии с уравнением 4.

Уравнение 4 . Дополнительная емкость, вносимая датчиком SP500X, изменит резонансную частоту LC-контура в 0,93 раза от ее исходной частоты.

Из-за этого изменения частоты метка RFID теперь будет излучать частоту, сильно отличающуюся от предполагаемой частоты передатчика, которая не будет накапливать достаточно энергии для обнаружения датчиком или функциональной характеристики для правильной работы.

Резистивная нагрузка

Схема генератора на Рисунке 7 содержит резистор номиналом 10 МОм, подключенный параллельно КМОП-инвертору. Датчики имеют входное сопротивление 10 МОм, чтобы предотвратить протекание значительного тока через датчик и не повлиять на тестируемую цепь.В этом случае в тестируемой цепи присутствует высокоомный элемент.

Рисунок 7 . Схема часового генератора может быть функционально упрощена, чтобы показать, как резистивная нагрузка может повлиять на ее работу.

Инженер может быть заинтересован в потенциале на стыке CTRA In, резистора 10 МОм и источника питания кварцевого генератора, как показано на рисунке 8. Эта точка пробника помещает входное сопротивление пробника 10 МОм параллельно. с резистором 10 МОм, который создаст делитель напряжения.Кварцевый генератор в этой схеме рассчитывает работать с заданным напряжением. Если генератор получает половину ожидаемого напряжения, он может работать спорадически или вообще не работать.

Рисунок 8 . При параллельном подключении к резистору 10 МОм в цепи кварцевого генератора будет создан делитель напряжения, который может привести к прекращению его работы.

Датчики 1: 1

Пробники

1: 1 (один к одному), также известные как пробники 1x, подключают вход импеданса осциллографа 1 МОм к измеряемой цепи.Они разработаны с учетом минимальных потерь и простого подключения, но в остальном они эквивалентны использованию кабеля для подключения прицела. На рисунке 4 показана принципиальная схема входа высокоомного осциллографа, подключенного к тестируемой цепи. Тестируемая схема моделируется как источник напряжения с последовательным резистором. Пробник (или кабель) 1: 1 вносит значительную емкость, которая появляется параллельно входу осциллографа. Пробник 1: 1 может иметь емкость от 40 до 60 пФ, что обычно больше входной емкости осциллографа.

Конструкция пробников 1: 1 не обеспечивает того уровня характеристик, который вы ожидаете от пробника с ослаблением, как будет объяснено в разделе «Пробник 10: 1».

Зонды 10: 1

Пробники

10: 1 (также называемые пробниками 10x, пробниками делителя или ослабляющими пробниками) имеют резистор и конденсатор (подключенные параллельно), встроенные в пробник. На рисунке 8 показана схема пробника 10: 1, подключенного к высокоомному входу осциллографа. Если R 1 C 1 = R 2 C 2 , то эта схема дает удивительный результат: действие обоих конденсаторов в точности компенсируется.На практике это условие может не соблюдаться в точности, но может быть приближено. Конденсатор обычно делается регулируемым, и его можно настроить для почти идеального соответствия. Уравнение 5 показывает отношение Vs к V IN в этих условиях.

Уравнение 5. Ослабляющие пробники, такие как пробники 10Х, используют принцип делителя напряжения, описанный в этом уравнении.

Это уравнение напоминает уравнение делителя напряжения.R 2 — это входное сопротивление высокого входного сопротивления осциллографа (1 МВт), а R 1 = 9R 2 . Уравнение 6 показывает результат уравнения 5 с использованием датчика 10X.

Уравнение 6. Пробник 10X дает 1/10 напряжения на входе осциллографа.

Таким образом, конечный результат — комбинация входов пробника и осциллографа, которая имеет гораздо более широкую полосу пропускания, чем пробник 1: 1, из-за эффективного нейтрализации двух конденсаторов.Наказанием является потеря напряжения. Осциллограф теперь видит только одну десятую исходного напряжения (отсюда и название пробник 10: 1). Также обратите внимание, что в измеряемой цепи сопротивление нагрузки составляет R 1 + R 2 = 10 МВт, что намного выше, чем у датчика 1: 1. Некоторые датчики предназначены для удобного переключения между режимами работы 1: 1 и 10: 1.

Рисунок 9. Влияние конденсаторов в пассивном пробнике отменяется при правильной настройке C 1 .

С датчиком 10: 1 уменьшаются эффекты резистивной и емкостной нагрузки (по сравнению с датчиком 1: 1). Хотя входная емкость осциллографа в идеале исключена, остаточная емкость связана с датчиком CPROBE. Эта емкость, указанная производителем, будет нагружать тестируемую цепь.

Коэффициент потери напряжения 10 не является проблемой, если измеряемое напряжение не настолько мало, что деление его на 10 делает его нечитаемым для осциллографа.Это означает, что чувствительность осциллографа и напряжение сигнала могут быть факторами при принятии решения об использовании щупа 10: 1. На большинстве осциллографов пользователь должен помнить, что используется пробник 10: 1, и должен умножать полученные измерения в 10 раз. Это неприятно, поэтому на некоторых осциллографах есть две отметки шкалы: одна действительна для пробника 1: 1 и другой действителен для датчика 10: 1. Другие осциллографы пошли еще дальше и автоматически корректируют показания на правильную величину при использовании ослабляющего щупа.

Обратите внимание, что некоторые пробники 10: 1 имеют резистор на входе пробника, так что резистивная нагрузка составляет 1 МОм. Эти пробники не улучшают резистивную нагрузку по сравнению с пробником 1: 1, но имеют меньшую емкостную нагрузку.

Другие затухающие пробники

Датчики затухания бывают разных значений, например, датчики 50: 1 и 100: 1. Общие принципы этих пробников те же, что и пробники с делителем 10: 1: уровень напряжения и полоса пропускания изменяются для получения более широкой полосы пропускания, в пробнике возникают большие потери и на вход осциллографа подается меньшее напряжение.Это может потребовать более чувствительного прицела для низкоуровневых измерений. Существуют также определенные пассивные пробники с сопротивлением 50 Ом, которые имеют более широкую полосу пропускания, но ограниченное применение.

Пробники осциллографа

: измерения влияния | Электронный дизайн

Осциллограф и тестируемое устройство (DUT) фактически составляют систему. В нем самым упускаемым из виду элементом является интерфейс между ними: щупы осциллографа. Персонал по тестированию просто берет и использует зонды. Эти инженеры редко задумываются о влиянии зонда на измерения.Однако зонды являются одними из наиболее важных элементов сигнальной цепи в любом сценарии тестирования.

Идеальный пробник осциллографа должен входить в контакт с тестируемым устройством и передавать свой сигнал от наконечника пробника на вход прибора с безупречной точностью. Он также будет демонстрировать нулевое затухание, бесконечную полосу пропускания и линейные фазовые характеристики на всех частотах. К сожалению, этого зонда в реальном мире не существует.

ИУ имеет определенные электрические характеристики для данного сигнала, которые мы и хотим измерить.Однако сам зонд представляет собой цепь со своими электрическими характеристиками. Когда наконечник пробника встречается с ИУ, пробник внезапно становится частью более крупной схемы, и его характеристики сочетаются с характеристиками интересующего объекта, что влияет на результаты измерения.

Для проведения измерения пробник должен «украсть» часть энергии, присутствующей в тестируемом устройстве, и передать эту энергию на входы осциллографа. Во-первых, мы вводим в схему входное сопротивление пробника.Для ИУ пробник представляет собой нагрузку, представляющую сопротивление, емкость и индуктивность. Эта нагрузка в цепи может изменить форму сигнала и / или поведение тестируемого устройства.

Как датчики влияют на DUT

Вообще говоря, есть три возможных результата, когда пробник подключен к цепи. В лучшем случае осциллограф точно воспроизводит сигнал на экране. Однако зонд может изменить сигнал таким образом, чтобы мы не могли понять, что находится в точке зондирования.В худшем случае работа ИУ радикально меняется, что приводит к неисправности хорошо спроектированного устройства или схемы (или наоборот).

Датчики

спроектированы с высоким сопротивлением в точке контакта с целью уменьшения энергии, потребляемой от цепи, и, таким образом, уменьшения нагрузки. Высокое входное сопротивление важно, но оно имеет значение только при постоянном или низкочастотном переменном токе. На разных частотах разные характеристики зонда имеют значение (рис.1).

1. При разных частотах сигнала разные характеристики пробника определяют общий входной импеданс.

На постоянном токе или низких частотах высокое входное сопротивление преобладает над общим импедансом. По мере увеличения частоты емкость преобладает над импедансом и резко снижает общий импеданс. Результат высокой емкости зонда отображается в форме сигнала на экране.

При 1 Гц полное сопротивление типичного пассивного пробника составляет 10 МОм. На 1 МГц это значение уменьшается до 17.4 кОм. На частоте 100 МГц полное сопротивление составляет всего 174 Ом. При таком резком падении общего импеданса неудивительно, что пробник может оказывать такое сильное влияние на то, что видно на экране.

Есть еще один важный момент в загадке воздействия пробника на ИУ: индуктивность. В типичных сценариях измерения пользователь осциллографа не может просто подключить наконечник пробника к ИУ, за исключением случаев проведения плавающих измерений. Заземляющий провод щупа должен быть прикреплен к заземлению или как можно ближе к нему.Все измерения принципиально различаются в том смысле, что для измерения напряжения должна быть какая-то контрольная точка. Обычно такой точкой отсчета является заземление.

Таким образом, важно знать, что любой вывод, добавленный к наконечнику пробника или заземляющему проводу, увеличивает индуктивность цепи. Индуктивность от проводов может добавить выбросы и звенящие сигналы к сигналу, отображаемому на дисплее осциллографа. Кроме того, провода могут служить антеннами и улавливать электрические шумы из окружающей среды.Этот шум может присутствовать или не присутствовать в цепи, которую вы пытаетесь измерить. Поэтому делайте выводы как можно короче, чтобы свести к минимуму нежелательные эффекты индуктивности.

Длина провода пробника будет представлять некоторую индуктивную нагрузку на входные заземляющие провода (рис. 2). Заземляющий провод — это первичный обратный путь для тока, возникающего в результате воздействия входного напряжения на входное сопротивление пробника. Индуктивности заземляющего и входного проводов в сочетании с входной емкостью пробника образуют последовательную LC-сеть.Импеданс этой сети существенно падает на резонансной частоте. Этот эффект, известный как повреждение заземляющего провода, является причиной звонка, часто наблюдаемого после переднего фронта импульсов.

2. Типичный пассивный пробник с высоким сопротивлением имеет коэффициент затухания 10: 1.

Как можно уменьшить коррупцию заземления? Один из способов — повысить резонансную частоту LC-цепи за счет уменьшения индуктивности, емкости или того и другого. На самом деле, поскольку входная емкость уже очень мала, единственный вариант — уменьшить входную индуктивность, используя как можно более короткие входные и заземляющие провода.

Емкостная нагрузка может оказаться непростой задачей, поскольку она может повлиять на время нарастания, полосу пропускания и измерения задержки. На высоких частотах емкостная нагрузка может влиять на амплитуду и форму измеряемых сигналов.

Типы датчиков и их характеристики

На рынке представлено множество типов пробников для осциллографов с различными функциями и электрическими / физическими характеристиками. Некоторые подходят для низкочастотных приложений. Другие хорошо работают на высоких частотах или высоких напряжениях.Вот некоторые из основных характеристик распространенных типов зондов с некоторыми советами о том, какие из них лучше всего подходят в данных обстоятельствах:

Пассивный зонд:

• Стандартный пробник осциллографа, поставляемый всеми производителями осциллографов

• Нет активных устройств, только пассивные части

• Физически и электрически прочный; выдерживает сотни вольт

• Максимальная полоса пропускания составляет 500 МГц для большинства пассивных пробников, но загрузка пробника становится проблемой на более высоких частотах

Активный зонд:

• Обычно дополнительный пробник с питанием от осциллографа

• На основе активного устройства, такого как транзистор или полевой транзистор

• Не такой надежный, как пассивный пробник, но имеет гораздо более широкую полосу пропускания и гораздо меньшую емкость.

• Идеальный пробник для высокочастотных измерений

Дифференциальный зонд:

• Измеряет разницу между двумя сигналами при отсутствии заземления.

• Поставляется в двух вариантах: высокое напряжение для плавающих измерений в источнике питания, осветительный балласт, моторный привод и т. Д.и высокая пропускная способность для дифференциальных потоков последовательных данных

Датчик тока:

• Активное устройство, измеряющее ток в сигнале, а не напряжение

• Три основных типа: трансформаторные; Устройства на эффекте Холла; или комбинированный трансформатор / на эффекте Холла

• Большинство современных накладных токоизмерительных клещей представляют собой комбинацию типа трансформатор / эффект Холла

Пассивные пробники: универсальный размер

Пассивный пробник по существу представляет собой схему аттенюатора из-за импеданса пробника и осциллографа.Если подключение пробника к осциллографу установлено неправильно, результатом может быть чрезмерное ослабление сигнала. К счастью, современные пассивные пробники автоматически устанавливают правильный коэффициент связи и затухания.

Пассивные пробники с высоким импедансом и малой емкостью (или с низким импедансом) также представлены на рынке. Пассивные пробники с высоким импедансом (Hi-Z) являются наиболее часто используемыми пробниками для осциллографов и предлагают коэффициенты затухания 10: 1 (X10) и / или 100: 1 (X100), типичное максимальное входное напряжение 600 В и номинальную полосу пропускания. примерно до 500 МГц.Но будьте осторожны с полосой пропускания выше 50 МГц. Пробники Hi-Z представляют собой значительную емкостную нагрузку на высоких частотах.

Таким образом, пассивные пробники Hi-Z лучше всего подходят для универсальных приложений на частоте 50 МГц или меньше. Поскольку в них используются только пассивные компоненты, они имеют тенденцию быть прочными как механически, так и электрически. Они также обеспечивают широкий динамический диапазон, при этом нижняя часть диапазона амплитуды ограничивается коэффициентом ослабления пробника и вертикальной чувствительностью осциллографа.

Пассивные пробники

с низким импедансом (Low-Z) обычно обеспечивают коэффициент ослабления 10: 1 на 50-омной входной нагрузке осциллографа.Если пробник с высоким импедансом использует емкостную компенсацию для обеспечения плоской частотной характеристики с минимальной емкостной нагрузкой, пробник с низкой емкостью использует методы линии передачи для достижения чрезвычайно широкой полосы пропускания с очень низкой емкостью.

Пассивные пробники

Low-Z лучше всего подходят для широкополосных измерений или измерений быстрых переходных процессов в цепях, которые могут управлять импедансом 50 Ом. В таких случаях они предлагают отличную частотную характеристику. И, в отличие от пробников Hi-Z, пробники с малым Z не требуют компенсации для соответствия входному сопротивлению осциллографа.

Для обеспечения согласования импеданса на сигнальных входах осциллографа пассивные пробники Hi-Z всегда имеют подстроечный конденсатор, расположенный на конце разъема. Подстроечный резистор реализует простую схему RC-компенсации, которая согласовывает постоянную времени RC-цепи в зонде с постоянной времени входного сопротивления зонда и шунтирующей емкости.

Регулировка компенсирует емкостную нагрузку на входе осциллографа. Он формирует тракт высоких частот для компенсации низких частот входа осциллографа.В результате комбинация пробника и осциллографа становится широкополосным фильтром. Все осциллографы имеют выход калибровки (сокращенно от калибровки), который обеспечивает чистую прямоугольную волну для настройки и компенсации пассивных пробников. Регулировка подстроечного конденсатора настраивает пробник для этого осциллографа. Просто поворачивайте триммер, пока на дисплее не появится правильная форма импульса.

Активные пробники: повышенное сопротивление

Пассивные пробники — это базовые устройства общего назначения. Активные пробники часто подходят для более специализированных приложений.Основное различие между типами состоит в том, что пассивный пробник не содержит активных компонентов, в то время как активный пробник включает в себя усилитель рядом с наконечником пробника, чаще всего на основе транзистора или полевого транзистора. Такие пробники обычно обеспечивают более высокий общий импеданс, чем пассивные типы, демонстрируя высокое сопротивление постоянному напряжению и низкочастотным сигналам и низкую емкость для высокочастотных сигналов.

Активные пробники имеют высокое сопротивление на конце пробника, но оканчиваются на входе 50 Ом осциллографа.При сравнении активных и пассивных пробников важным фактором является импеданс пробника. Пассивные пробники обеспечивают максимальное сопротивление ниже частот 20 кГц. Их высокая входная емкость вызывает нагрузку на цепь на высоких частотах или низкочастотными сигналами, содержащими высокочастотный контент.

Между тем, активные пробники на полевых транзисторах обеспечивают высокий импеданс от постоянного тока до 20 кГц, поддерживая этот импеданс примерно до 1,5 ГГц (типичный) благодаря своей низкой емкости (рис. 3). Таким образом, пробники на полевых транзисторах являются действительно универсальными пробниками почти на всех частотах.Их низкая емкостная нагрузка делает их пригодными для использования в цепях с высоким импедансом, которые сильно пострадали бы от нагрузки пассивными пробниками.

3. Характеристический импеданс в зависимости от частоты может быть нанесен на график для активного пробника с высоким импедансом.

Знание, использовать ли активный или пассивный датчик в данном сценарии измерения, предотвращает получение неверных результатов или повреждение датчика. Пассивные пробники — отличный выбор для низкочастотных измерений, особенно если возможно высокое напряжение. Пробники с активными полевыми транзисторами лучше подходят для измерений, требующих большой полосы пропускания.Они также являются отличным универсальным выбором для всех частот, вплоть до диапазона нескольких гигагерц, но будьте осторожны с более высокими напряжениями, которые могут повредить усилитель пробника.

Дифференциальные пробники: при относительном заземлении

Несимметричные пробники общего назначения (активные или пассивные) могут точно измерять только напряжения, привязанные к земле. Однако некоторые измерения требуют проверки контрольных точек относительно друг друга, независимо от того, является ли одна из них истинным заземлением или нет.Одним из примеров является V DS полевого транзистора в источнике питания. Другой вариант — это канал последовательной передачи данных, когда необходимо проверить положительную и отрицательную линии передачи дифференциального сигнала.

Вот здесь и вступают в игру дифференциальные пробники. Среди наиболее распространенных типов — широкополосные усилители, высоковольтные усилители и усилители с дифференциальными усилителями, обеспечивающими высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (см. «О подавлении синфазного сигнала»).

Дифференциальные пробники с широкой полосой пропускания лучше всего подходят для таких применений, как измерение дифференциальных линий последовательной передачи данных.Для эффективного функционирования пробники с широкой полосой пропускания должны обеспечивать высокий динамический диапазон при более высокой полосе пропускания и возможность большого смещения. Еще одна необходимость для таких пробников — чрезвычайно низкий шум пробника и характеристики импеданса, которые минимизируют нагрузку.

Высоковольтные дифференциальные пробники

обычно работают с синфазными напряжениями до 1 кВ RMS и пиковыми дифференциальными напряжениями 1,4 кВ, такие как Teledyne LeCroy ADP305 (рис. 4) . Такие пробники подходят для поиска и устранения неисправностей низкочастотной силовой электроники в случаях, когда земля находится на возвышении или местоположение истинного заземления неизвестно.При рассмотрении высоковольтных дифференциальных пробников (или любых высоковольтных пробников, если на то пошло) помните о показателях безопасности.

4. Высоковольтные дифференциальные пробники работают с синфазными напряжениями до 1 кВ (среднеквадратичное значение).

Давид Малиняк — специалист по маркетингу технических коммуникаций в Teledyne LeCroy. Он 30-летний ветеран прессы EOEM и бывший технический редактор Electronic Design . Он имеет степень бакалавра журналистики Нью-Йоркского университета.

Зонд

| Часто используемые термины | Галстук

Пробник осциллографа — это соединение между входом осциллографа и тестируемым устройством, для измерения напряжений. Он разработан для максимально точной передачи сигнала и минимального воздействия на тестируемое устройство. а также предоставить простой способ подключения к тестируемому устройству.

Пробники осциллографов бывают трех типов:

  • без затухания, передача напряжения на игле непосредственно на вход осциллографа,
  • аттенюатор, пропускающий напряжение на игле, ослабленное на вход осциллографа,
  • переключаемый, между ослаблением и отключением.

Пробник осциллографа без ослабления

Вход осциллографа имеет определенное входное сопротивление, состоящее из сопротивления и емкости. При использовании пробника осциллографа без ослабления или переключаемого пробника осциллографа с настройкой x1, входное сопротивление остается неизменным, но добавляется (паразитная) емкость кабеля пробника осциллографа входной емкости осциллографа. В результате пропускная способность всей системы значительно сокращается.

Рисунок 1: Принципиальная схема пробника осциллографа без ослабления и входа осциллографа

Предупреждение : Пробники осциллографа, которые можно переключать между ослабляющим и не ослабляющим, имеют значительно более низкую полосу пропускания в их настройках без ослабления.

Пробник осциллографического ослабляющего действия

Пробник осциллографа с ослаблением или переключаемый пробник осциллографа в настройках ослабления содержит RC-цепь, которая вместе с входным импедансом осциллографа образует ослабляющую сеть.Это ослабляет входной сигнал и увеличивает общее входное сопротивление. В результате достигается широкая полоса пропускания и минимальная нагрузка тестируемой цепи.

Рисунок 2: Принципиальная схема ослабляющего пробника осциллографа и входа осциллографа

Компенсация

Чтобы обеспечить постоянное затухание в номинальной полосе пропускания пробника осциллографа, RC-делитель необходимо настроить так, чтобы пробник осциллографа соответствовал входной цепи осциллографа.Это называется компенсацией датчика .

Для компенсации пробника осциллографа подключите наконечник пробника к прямоугольному сигналу 1 кГц и подсоедините осциллограф. щуп ко входу осциллографа. Переключаемый пробник осциллографа должен иметь настройку ослабления. Используйте небольшую отвертку, чтобы отрегулировать установочный винт в разъеме зонда, пока на экране осциллографа не появится плоский верх. прямоугольная волна. На рисунке 3 показаны сигналы пробника осциллографа с недостаточной компенсацией, правильно скомпенсированного пробника осциллографа и сверхкомпенсированный пробник осциллографа.

Рисунок 3: Сигналы от недокомпенсированного, правильно скомпенсированного и сверхкомпенсированного пробника осциллографа

Неправильно скомпенсированный пробник осциллографа приведет к неточным высокочастотным измерениям. Поэтому рекомендуется проверять и корректировать компенсацию пробника осциллографа при первом подключении пробник осциллографа к осциллографу, при подключении пробника осциллографа к другому осциллографу или при подключении пробника осциллографа к другому входному каналу.

Подключение щупа осциллографа к цепи

Для подключения щупа осциллографа к тестируемой цепи пассивный пробник осциллографа снабжен пружинным крючок, который позволяет закрепить наконечник пробника на контрольной точке в цепи. Для соединения заземления наконечника пробника с землей тестируемой цепи обычно используется пассивный пробник осциллографа. с заземляющим проводом с зажимом типа «крокодил», который можно подключить к точке заземления в цепи. Это приемлемое и удобное решение для измерения низкочастотных сигналов.

Рисунок 4: Пробник осциллографа с пружинным крючком и заземляющим проводом типа «крокодил»

При измерении высокочастотных сигналов или сигналов с высокочастотными составляющими (например, прямоугольные волны), паразитная индуктивность от длинного заземляющего провода и подпружиненного крючка в сочетании с входной емкостью может вызывают выбросы и звон в измеряемом сигнале. Чтобы избежать этих проблем, высокочастотные пробники осциллографов оснащены специальным пружинным заземляющим наконечником, который можно помещается на зонд.Он обеспечивает очень короткое соединение с землей с низкой индуктивностью, что значительно снижает выбросы и звон в цепи. измеряемый сигнал.

Рисунок 5: Пробник осциллографа с пружинным заземляющим наконечником

Узнайте, как работает пробник осциллографа

Пропускная способность

Все пробники осциллографов рассчитаны на пропускную способность. Полоса пропускания — это точка на кривой зависимости амплитуды от частоты, где амплитуда падает до уровня менее 3 дБ (70,7%) от начальной низкочастотной амплитуды.

Входная емкость

Входная емкость датчика измеряется на его конце с помощью заземляющей втулки адаптера BNC. Многие факторы, такие как короткая длина кабеля и более высокие коэффициенты затухания (10x и 100x), обеспечивают низкую емкость наконечника. Низкая входная емкость снизит нагрузку на схему, улучшит измерения амплитуды импульсов и минимизирует ошибки измерения времени нарастания. Качественный пробник 10x имеет входную емкость 15 пФ или меньше.


Время нарастания

Время нарастания — это время, необходимое для того, чтобы передний фронт импульса поднялся на 10–90% от его конечного значения.Время нарастания связано с пропускной способностью следующим уравнением:


Затухание

Большинство пробников имеют коэффициент затухания 1x, 10x или 100x. Зонд 10x имеет общее сопротивление 9 МОм. При добавлении к сопротивлению осциллографа 1 МОм, наконечник пробника будет иметь сопротивление относительно земли 10 МОм.


Аберрации

Аберрации — это отклонения от конечного верхнего уровня ступенчатой ​​функции. Обычно они находятся на переднем крае ступенчатой ​​функции и измеряются в течение первых 30 наносекунд.Аберрации датчика должны быть в следующих пределах.

В этой спецификации в основном говорится, что любая аберрация не будет превышать + 3% или -3% от конечного значения или 5% от пика до пика общих аберраций.


Влияние заземления

Слишком длинный или слишком большой провод заземления может вызвать звон и повлиять на качество отображаемого сигнала. Чтобы уменьшить звенящий сигнал при высокочастотном тестировании, используйте самый короткий провод заземления и пробник с низкой входной емкостью.Probe Master предлагает провода заземления 3, 6 и 12 дюймов. Также доступны адаптер BNC (PM4952BA) и высокочастотное заземление (PM4983HG).


Компенсация щупа (низкая частота)

Распространенной ошибкой при выполнении измерений с помощью осциллографа является забвение компенсации щупа. Каждый зонд должен иметь низкочастотную компенсацию при первом присоединении к эндоскопу. В противном случае на дисплее осциллографа могут наблюдаться искаженные формы волн. Процедура компенсации низких частот следующая:

  • Подсоедините наконечник зонда к калибратору осциллографа.Большинство осциллографов имеют выходной сигнал калибратора прямоугольных импульсов с частотой 1 кГц.
  • Переключите входное соединение канала на постоянный ток.
  • Включите осциллограф и установите Volts / Div. переключатель, чтобы обеспечить примерно четыре деления дисплея.
  • Установите скорость развертки 1 м сек. / Дел.
  • Используйте подстроечный инструмент для выравнивания, чтобы повернуть регулировку компенсации до тех пор, пока вершины и основания прямоугольной волны не станут плоскими.
С компенсацией Перекомпенсация Недостаточная компенсация
1 мс / дел 1 мс / дел 1 мс / дел

Что такое пробник осциллографа?

Пробник осциллографа — это устройство, которое обеспечивает физическое и электрическое соединение между контрольной точкой или источником сигнала и осциллографом.В зависимости от ваших требований к измерениям, это соединение может быть выполнено с помощью чего-то столь же простого, как длина провода, или с помощью нечто столь же сложное, как активный дифференциальный пробник. По сути, зонд — это какое-то устройство или сеть. который подключает источник сигнала ко входу осциллографа.

Как работают щупы осциллографа

Пробник осциллографа обеспечивает качественное соединение между источником сигнала — или тестируемым устройством (DUT) — и осциллограф. При выборе и использовании пробника осциллографа следует учитывать ряд важных факторов, в том числе: физическое присоединение, влияние на работу схемы и передачу сигнала.

Анатомия щупа осциллографа

У большинства датчиков есть кабель длиной не менее одного-двух метров. Кабели пробников позволяют осциллографу оставленный в стационарном положении на тележке или на столе, пока датчик перемещается от контрольной точки к контрольной точке в цепь тестируется. Однако в некоторых случаях кабель датчика может уменьшить пропускную способность датчика. Следовательно, чем дольше кабель, тем больше уменьшение.

Большинство датчиков также имеют головку или рукоятку с наконечником.Головка зонда позволяет удерживать зонд пока вы маневрируете наконечником до контрольной точки. Часто этот наконечник зонда имеет форму подпружиненного крючка, который позволяет прикрепить зонд к контрольной точке.

Подключение датчиков

Присоединение пробника к контрольной точке устанавливает электрическое соединение между наконечником пробника и осциллографом. Вход. Поэтому крайне важно, чтобы датчик оказывал минимальное воздействие (обычно называемое «нагрузкой») на цепь датчика и что он поддерживает адекватную точность сигнала для требуемых измерений.Если датчик не поддерживает сигнал точности, или если он каким-либо образом изменяет сигнал или изменяет способ работы схемы, осциллограф видит и следовательно, сообщает искаженная версия реального сигнала. Результатом могут быть неточные измерения.

Какие бывают типы пробников осциллографов?

Пробник осциллографа Тип Описание
Пробники для осциллографов пассивного напряжения Пассивные пробники напряжения

доступны с различными коэффициентами затухания — 1X, 10X и 100X — для разных диапазонов напряжения.Пассивный пробник 10x является наиболее распространенным и обычно поставляется с большинством осциллографов.

Пробники для осциллографов активного напряжения

Активные пробники содержат или полагаются на активные компоненты, такие как усилители. Чаще всего активным устройством является полевой транзистор (FET). Активные пробники используются для измерений с более широкой полосой пропускания и обычно имеют гораздо меньшую входную емкость, чем пассивные пробники.

Пробники для дифференциальных осциллографов

Дифференциальный пробник использует дифференциальный усилитель для вычитания двух сигналов, в результате чего получается один дифференциальный сигнал для измерения одним каналом осциллографа, что обеспечивает более высокие характеристики в более широком диапазоне частот.

Пробники для осциллографов высокого напряжения

Высоковольтные пробники могут иметь максимальное напряжение до 20 000 вольт.

Пробники для осциллографов тока Пробники тока

могут быть сконструированы несколькими способами, чаще всего для определения силы электромагнитного поля и преобразования ее в соответствующее напряжение для измерения с помощью осциллографа.

Пробники для логических осциллографов

Логические пробники позволяют выполнять проверку и отладку цифровых сигналов.

Пробники для оптических осциллографов

Оптический пробник обычно включает оптико-электрический преобразователь и позволяет просматривать оптические сигналы на осциллографе.

Изолированные пробники осциллографов

Изолированные пробники позволяют проводить измерения без привязки к земле или «плавающие» измерения. Линия Tektronix предлагает лучший в отрасли CMRR.

Лучшие щупы для осциллографов

Идеальный пробник для осциллографа обладает следующими ключевыми характеристиками:

Простота и удобство подключения

Не существует единого идеального размера или конфигурации датчика для всех приложений.Из-за этого различные размеры зонда и конфигурации были разработаны для удовлетворения требований к физическому подключению различных приложений.

Абсолютное качество сигнала

Сигнал, возникающий на наконечнике пробника, должен точно дублироваться на входе осциллографа.

Загрузка источника нулевого сигнала

Пробник с нулевой загрузкой источника сигнала не может быть получен. Он должен потреблять хотя бы небольшой ток сигнала для вырабатывают напряжение сигнала на входе осциллографа.Следовательно, следует ожидать некоторой загрузки источника сигнала, когда с помощью зонда. Тем не менее, цель всегда должна заключаться в минимизации нагрузки с помощью соответствующего датчика. выбор.

Полная помехозащищенность

Пробники осциллографа

не защищены от всех источников шума. Использование экранирования позволяет зондам достигать высокого уровня помехозащищенность для наиболее распространенных уровней сигнала. Однако шум по-прежнему может быть проблемой для некоторых сигналов низкого уровня.

Использование пробника осциллографа с осциллографом

Когда у вас будет оборудование, необходимое для проведения измерений, научитесь пользоваться осциллографом, в том числе подключите и скомпенсируйте свои датчики.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *