Схемы пробников конденсаторов в полевых условиях. Пробники конденсаторов: методы быстрой проверки электронных компонентов

Основные элементы схемы:

• Микросхема 555 в режиме генератора
• Резисторы R1 и R2 для задания частоты генерации
• Конденсатор C1 в цепи обратной связи
• Светодиодный индикатор
• Щупы для подключения к проверяемому конденсатору

Такой простой ESR-пробник позволяет быстро оценивать качество электролитических конденсаторов по яркости свечения светодиода.

Калибровка и использование ESR-пробника

Для корректной работы самодельного ESR-пробника необходимо выполнить его калибровку:

1. Подготовить набор эталонных конденсаторов с известными значениями ESR
2. Измерить яркость свечения светодиода для каждого эталонного конденсатора
3. Составить таблицу соответствия яркости свечения значениям ESR
4. При необходимости подобрать номиналы элементов схемы для оптимального диапазона измерений

При использовании откалиброванного ESR-пробника следует:

• Строго соблюдать полярность подключения к электролитическим конденсаторам
• Учитывать влияние параллельно подключенных компонентов на плате
• Сравнивать результаты измерений с типовыми значениями ESR для конденсаторов данного номинала

Ограничения пробников для проверки конденсаторов

При использовании пробников для проверки конденсаторов следует учитывать их ограничения:

• Невозможность точного измерения емкости
• Влияние параллельно подключенных компонентов на результаты измерений
• Ограниченный диапазон измеряемых емкостей
• Возможность повреждения низковольтных конденсаторов высоким напряжением пробника

Для точных измерений параметров конденсаторов следует использовать специализированные измерительные приборы — измерители RLC или ESR-метры.

Схемы измерительных приборов, индикаторов и пробников (Страница 32)

Генераторы Радиометры Универсальные приборы Вольтметры Эмкость и конденсаторы Пробники и тестеры Частотомеры Индикаторы Температура Калибраторы и эталоны Сопротивления Амперметры Волномеры Измерители искажений Приставки для измерений Осциллографы Тахометры

Приставка к частотомеру для проверки конденсаторов (icm7555)

Для измерения емкости конденсаторов можно воспользоваться схемой, рис., и любым частотомером. Схема представляет из себя приставку к частотомеру, по показаниям которого при помощи пересчета можно определить емкость. Измеряемый конденсатор подключается к клеммам Х1 — Х2, и его…

1 6281 0

Схема пробника со звуковой индикацией для прозвонки цепей

На основе таймера можно выполнить простой пробник для прозвонки цепей монтажа. В принципе, в качестве пробника может работать любой звуковой генератор, вырабатывающий периодические колебания, если в разрыв его цепи питания подключать контролируемую . ..

0 7077 0

Испытатель полевых транзисторов

В радиолюбительской практике не так уж часто возникает необходимость в применении полевых транзисторов, поэтому многие радиолюбители обычно не утруждают себя постройкой приборов для измерения их основных параметров. Между тем современные полевые транзисторы обладают рядом…

0 4659 0

Автономный сигнализатор отключения напряжения сети

Как виртуозы паяльного дела, так и новички в электронике смогут менее чем за один час собрать несложный бестрансформаторный сигнализатор отключения напряжения переменного тока 220 В, который содержит минимум деталей и не требует никакой наладки. Устройство подает…

0 4692 2

Анализатор спектра ЗЧ на транзисторах

Для измерения частоты аналогового сигнала лучше использовать осциллограф. Он точно покажет амплитуду, форму и частоту сигнала. А для непритязательного анализа частоты звукового сигнала подойдет прибор, схема которого представлена ниже. При стыковке этого узла с линейным…

0 4165 0

Схема тестера для проверки исправности тиристоров

Тиристоры можно проверить с помощью омметра, замеряя сопротивление анод-катод полупроводникового прибора так, чтобы отрицательный вывод омметра был подключен к аноду, а положительный к катоду. Омметр должен показать сопротивление от 100 кОм до бесконечности в зависимости от типа …

0 6507 0

Схема, приведенная на рис., а, может использоваться в качестве индикатора появления провала (паузы) в кодовой последовательности импульсов. Сама микросхема включена в режиме ждущего мультивибратора, и пока на входе (2) есть импульсы — транзистор VT1 будет периодически…

0 2639 0

Схема индикатора пропадания импульсов (LM555)

На выходе схемы появляются импульсы только в том случае, если в последовательности импульсов, приходящих на вход, пропадет хотя бы один из импульсов. Микросхема работает в режиме ждущего мультивибратора. Параметры время-задающих элементов зависят…

0 3598 0

Простые генераторы сигналов пилообразной и треугольной формы

Для получения пилообразного или треугольного напряжения можно воспользоваться и более простыми вариантами. В случае если высоких требований к линейности формы выходного сигнала не предъявляется, то пилообразное или треугольное напряжение легко…

0 6452 0

Генератор калиброванных по амплитуде импульсов

Для настройки некоторых приборов иногда требуется иметь источник импульсов, имеющий фиксированную амплитуду. Ниже приведен вариант такого источника, выполненного на микросхеме таймера. Форма у сигнала будет меандр, т. е. длительность импульса и пауза между ними равны …

1 3367 0

 1 …  28  29  30  31 32 33  34  35  36  … 39 

Пробник для проверки конденсаторов

Очень простой прибор для проверки конденсаторов, схема которого показана на рис. 1, описан в одном из американских радиолюбительских журналов.

Прибор может быть использован для проверки различных конденсаторов, в том числе и электролитических, однако в этом случае необходимо следить за полярностью включения таких конденсаторов.

При подключении конденсаторов к прибору неоновая лампочка вспыхнет на короткое время, а затем сразу же потухнет.

Рис. 1. Принципиальная схема прибора для проверки конденсаторов.

При наличии утечки лампочка потухает медленно. Если конденсатор пробит— лампочка светится, не потухая. Следует помнить, что таким прибором нельзя проверять низковольтные конденсаторы, так как напряжение, подаваемое на конденсаторы, относительно высоко — от 50 до 125 в. В случае, если прибором проверяются конденсаторы очень малой емкости, прибор может указать лишь наличие утечки и короткого замыкания.

Конденсаторы большой емкости следует после проверки разряжать, так как на них может оставаться заряд. «CQ», октябрь, 1959 г.

При изменении I’ переключатель П1, ставится в положение 2, а выключатель Вк2 замыкается. Стрелочный прибор покажет тогда непосредственно значение тока Iко ‘ .

Для измерения параметра b переключатель П1, ставится в положение 3. Потенциометр R4 («Установка нуля») устанавливается в положение, при котором стрелочный прибор будет показывать нуль. При замыкании выключателя Вк1, стрелка прибора отклонится и даст непосредственно показание параметра b.

Для измерения входного сопротивления h21′ и граничной частоты fгр, как уже упоминалось, необходимо дополнительно использовать генератор (с диапазоном частот от 1 до 200 кгц) и ламповый вольтметр (можно заменить осциллоскопом). Эти приборы подключаются к соответствующим зажимам, показанным на схеме.

Сигнал от генератора при этом попадает на испытываемый триод через сопротивление R1. Нагрузкой коллекторной цепи триода служит в данном случае сопротивление R9 (выключатель Вк2 остается в замкнутом положении).

При этом триод работает в режиме близком к режиму разомкнутого входа и закороченного выхода. Выходное напряжение триода усиливается затем широкополосным вспомогательным усилителем измерительного прибора и подается на вход лампового вольтметра.

Порядок измерения входного сопротивления следующий. Выключатель Вк3 замыкается, затем частота генератора устанавливается в 1 кгц и напряжение, подаваемое с него, регулируется так, чтобы ламповый вольтметр показал 0,5 в.

Далее выключатель Вк3 размыкается, и записывается новое показание вольтметра. Если это новое показание обозначить как л, то входное сопротивление (в ком) можно вычислить по формуле h21 = 2n—1.

Если затем провести еще одно измерение при разомкнутом выключателе Вк2, то можно найти входное сопротивление, соответствующее коллекторной нагрузке в 4,4 ком.

Предельная частота триода определяется следующим образом. Выключатель Вк2 замыкается, а Вк3 — размыкается. Напряжение на входе вольтметра должно быть равно 1 в.

Затем частота генератора увеличивается (генерируемое напряжение должно оставаться постоянным) до тех пор, пока вольтметр не покажет 0,7 в. Частоту Д, на которой это наблюдается, используют для расчета предельной рабочей частоты триода по формуле: fгр = b * f3,

В усилителе прибора применены два высокочастотных ПП триода с граничной частотой в 6 Мгц. Цепь обратной связи, соединяющая коллектор второго триода с эмиттером первого, стабилизирует усиление, расширяет полосу частот и повышает входное сопротивление.

Усиление такого устройства равномерно в пределах от 200 гц до 200 кгц и составляет 30 дб, однако в случае необходимости полоса за счет введения коррекции может быть расширена до 500 кгц.

Следует сказать, что точность измерений в значительной степени зависит от подбора сопротивлений R1, R2, R3, R5, R7, и R8. Отклонение величины их от номинала, указанного на схеме, должно быть минимальным.

«Electronic Engineering», октябрь, 1969 г.

1

2957

Измерения и настройка

• Приставка для проверки биполярных транзисторов
• Индикатор магнитных полей на лампе 6Е1П
• Простой милливольтметр на полупроводниковых триодах (транзисторах)
• Измерения и единици измерений — вопросы и ответы

Замечания по применению AN_016 — Зонды и зондирование

Понимание проблемы зондирования

Внимание! Подключение осциллографа к цепи или устройству может привести к искажению измеренных сигналов.

Должны ли осциллографы иметь такие предупреждающие этикетки? Возможно. Осциллографы, как и все измерительные приборы, подвержены классической проблеме измерения — наблюдаемости. Простое подключение осциллографа влияет на измерение. Для пользователей важно понимать это взаимодействие и его влияние на измерение. По мере развития технологии осциллографов инструменты и методы подключения прибора к измеряемому устройству становятся все более изощренными. Ранние осциллографы с полосой пропускания, измеряемой сотнями кГц, часто подключались к цепям с помощью кусков провода. В современных осциллографах используется широкий спектр методов подключения, предназначенных для сведения к минимуму ошибок измерения. Пользователи должны быть знакомы с характеристиками и ограничениями не только осциллографа, но и способа его подключения к измеряемому устройству.

Рассмотрим, как подключение осциллографа может повлиять на измерение. Измеряемое устройство обычно можно смоделировать как источник напряжения, эквивалентный Thevenin, с некоторым внутренним сопротивлением и емкостью источника. Точно так же входные цепи осциллографа и межсоединения можно смоделировать как сопротивление нагрузки с шунтирующей емкостью. Эта простая измерительная система показана на рис. 1. Когда осциллограф подключен к источнику, эффекты нагрузки осциллографа уменьшают измеряемое напряжение. На низких частотах потери зависят от соотношения номиналов резисторов, Rs и Ro. На более высоких частотах сопротивление источника и емкостное сопротивление Cs и Co становятся основными факторами, определяющими потери. Еще одним эффектом является уменьшение полосы пропускания системы из-за емкостной нагрузки осциллографа. Это также влияет на измерения динамической синхронизации, такие как время нарастания импульса.

Разработчики осциллографов стремились свести к минимуму эти эффекты, подходя к проблеме нагрузки с двух разных точек зрения.

1. Пробники с высоким импедансом, использующие как пассивные, так и активные схемы, используются для минимизации эффектов нагрузки за счет использования либо компенсированных аттенюаторов, либо буферных усилителей на полевых транзисторах (FET) с малой емкостью.
2. В осциллографы добавлены входные цепи с внутренней нагрузкой 50 Ом для прямого подключения в высокочастотных приложениях. В этих приложениях большинство цепей рассчитаны на постоянный импеданс нагрузки 50 Ом. Пробники с низкой емкостью, рассчитанные на сопротивление 50 Ом, сводят к минимуму эффекты емкостной нагрузки.

В целом датчики можно разделить на три основных класса. Это пассивные пробники с высоким импедансом, пассивные пробники с низким импедансом и активные пробники. Каждый из типов датчиков имеет свои преимущества и недостатки, которые следует тщательно рассмотреть, прежде чем выбирать один из них для конкретного измерения. В таблице 1 перечислены три типа пробников и показано, как они подходят для частотной характеристики и входного напряжения.

К сожалению, инженеру недостаточно знать основные характеристики пробника (диапазон частот и максимальное входное напряжение), чтобы выбрать пробник для конкретного применения. На самом деле другие характеристики пробника (такие как емкость, импеданс и полоса пропускания) сильно влияют на общую производительность пробника. Например, эквивалентное сопротивление пробника зависит от частоты входного сигнала. На рис. 2 показано влияние различных типов зондов.

1. Общее описание

   Пробники с высоким импедансом (Hi-Z) чаще всего используются в осциллографах. Они доступны с коэффициентом затухания 10:1 (X10) и 100:1 (X100) и полосой пропускания до 350 МГц. Однако важно отметить, что хотя полоса пропускания может достигать 350 МГц, на практике пробники с высоким импедансом обычно используются в приложениях, где частота сигнала ниже 50 МГц. Плохие характеристики этих пробников на высоких частотах в основном связаны с неблагоприятным воздействием емкостной нагрузки. Рассмотрим типичный датчик X10, схематично показанный на рис. 3.

   Вход импеданса типичного осциллографа с полосой пропускания 300 МГц состоит из сопротивления 1 МОм, соединенного параллельно с конденсатором емкостью 15 пФ. Прямое подключение осциллографа к цепи с помощью коаксиального кабеля или пробника X1 добавит дополнительную емкостную нагрузку из-за кабеля примерно на 50 пФ на метр. Суммарная емкость входа и кабеля составляет примерно 65 пФ. Входное сопротивление осциллографа представлено на схеме пробника R2 и C2. Емкости осциллографа и кабеля обозначаются буквой C2. Пробник с высоким импедансом изолирует измеряемую цепь, добавляя большой резистор, в данном примере R1, последовательно с входом осциллографа. R1 образует резистивный делитель напряжения с входным сопротивлением осциллографа R2. Значение R1 установлено на 9МОм для пробника Х10 и 99 МОм для пробника Х100 при входном сопротивлении осциллографа 1 МОм. Конденсатор C1 отрегулирован так, чтобы произведение RC R1C1 равнялось произведению R2C2. Это компенсирует пробник так, что он обеспечивает желаемое затухание на всех частотах. Поэтому перед использованием любого пассивного пробника с высоким импедансом пользователь должен отрегулировать C1 с прямоугольной волной 1 кГц, чтобы получить оптимальную компенсацию. Типичный пробник X10 имеет эквивалентный входной импеданс, состоящий из сопротивления 10 МОм параллельно с сопротивлением 15 пФ, где 15 пФ частично связаны с последовательностью C1 и C2 и частично с паразитной емкостью между наконечником пробника и землей, Ctip.

   Как упоминалось ранее, пробник с высоким импедансом лучше всего подходит для приложений общего назначения, где частота сигнала ниже 50 МГц. Эти пробники относительно недороги и, поскольку в них используются только пассивные компоненты, они механически и электрически прочны. Кроме того, они имеют очень широкий динамический диапазон. Нижняя граница диапазона амплитуд ограничена коэффициентом затухания пробника и вертикальной чувствительностью осциллографа. Однако затухание дает преимущества при работе с сигналами высокого уровня вплоть до максимального диапазона входного напряжения, обычно 600 В для пробников 10:1. Механически эти датчики доступны с кабелями различной длины и, как правило, поставляются с широким набором наконечников датчиков, адаптеров и заземляющих проводов.

2. Как высокоимпедансные пробники влияют на измерения

   Когда осциллограф используется для измерений в цепи или устройстве, целесообразно предвидеть, как инструмент влияет на измеряемое устройство. В большинстве случаев можно смоделировать входные цепи осциллографа, включая пробники, и количественно оценить эффекты нагрузки и аберрации сигнала. Знания пользователя об измеряемой цепи вместе с данными производителя осциллографа о характеристиках осциллографа/пробника могут быть объединены для моделирования всей измерительной системы.

   Рассмотрим упрощенную модель измерительной системы, показанную на рис. 4. Фактические схемы осциллографа и высокоимпедансного пробника были сокращены до эквивалентной параллельной цепи резистор-конденсатор (RC). Точно так же, как и в предыдущем обсуждении, измеряемая цепь была упрощена и приведена к эквивалентной форме Тевенина. Если сопротивление источника цепи, Rs, составляет примерно 50 Ом, а измерение производится с использованием обычного пробника с высоким импедансом 10:1, то разумно игнорировать сопротивление пробника 10 МОм, Ro. Эквивалентная схема для системы теперь состоит из последовательного сопротивления Rs и шунтирующей емкости со значением, равным сумме истока Cs и входной емкости пробника/осциллографа Co. Из этой простой модели мы можно предсказать влияние осциллографа на время нарастания цепи. Используя классический анализ цепи, время нарастания tr этой RC-цепи в ответ на вход ступенчатой ​​функции связано со значениями сопротивления и емкости уравнением:

   $$ tt = 2,2RC $$

   Следующий пример, использующий типичные значения компонентов, дает хорошее представление о влиянии использования пробника с высоким импедансом:

   $$ Для: Rs = 50 Ом, \пробел Cs = 9 пФ, \space and \space Co = 15 пФ $$

   Время нарастания одного источника, trs, составляет:

   $$ trs = 2,2 (50) (9 10 -12) = 1 нс $$

   Время нарастания источника с подключенным пробником и осциллографом, tros, составляет:

   $$ tros = 2,2 (50) (24·10 -12) = 2,6 нс $$ 9{-12})}} = {66 Ом} $$

   Очевидно, что на частотах выше нескольких килогерц емкостная нагрузка становится основным элементом, нагружающим источник. Входное сопротивление высокоомного пробника 10 МОм применимо только при постоянном токе. На основе этих двух примеров должно быть понятно, почему так много усилий прилагается к снижению входной емкости пробников осциллографа. Очевидно, что на частотах выше нескольких килогерц емкостная нагрузка становится основным элементом, нагружающим источник. Входное сопротивление высокоомного пробника 10 МОм применимо только при постоянном токе. На основе этих двух примеров должно быть понятно, почему так много усилий прилагается к снижению входной емкости пробников осциллографа.

   Другой подход к характеристике эффектов подключения пробника к цепи заключается в рассмотрении того, как это влияет на полосу пропускания цепи. Полоса пропускания этой RC-цепи, на самом деле простого фильтра нижних частот, представляет собой частоту, при которой выходное напряжение падает до 0,707 от напряжения источника без нагрузки.

   Следующее соотношение используется для расчета полосы пропускания BW в Гц этой RC-цепи для сопротивления в Омах и емкости в Фарадах:

   $$ BW = {1 \over {2πRC}} $$

   Существует еще одно классическое уравнение, связывающее время нарастания tr в секундах и полосу пропускания BW в герцах этой простой модели RC-цепи:

   $$ t_s = {0,35 \over BW} $$

   Последнее Уравнение полезно, поскольку характеристики многих осциллографов и пробников описываются с точки зрения полосы пропускания, а не времени нарастания.

   Информация о времени нарастания каждой ступени в многоступенчатом каскадном измерении может использоваться для оценки составного времени нарастания. Время нарастания составной системы представляет собой квадратичную сумму, то есть квадратный корень из суммы квадратов времени нарастания каждого элемента. Например, время нарастания сигнала, отображаемое на экране осциллографа, измеренное время нарастания, включает фактическое время нарастания сигнала, а также время нарастания измерительной системы. Используя следующую зависимость, можно рассчитать фактическое время нарастания сигнала, tsig, на основе измеренного времени нарастания, tmeas, и знания времени нарастания системы, tsys: 92_{sys}}} $$

   Чтобы увидеть, как можно использовать эти уравнения, рассмотрим следующий практический пример:

   Измерение времени нарастания импульса выполняется с помощью осциллографа с пробником 10:1, полоса пропускания которого равна наконечник»> 250 МГц. Цель состоит в том, чтобы оценить фактическое время нарастания сигнала. Показания параметров осциллографа отображают измеренное значение, как показано на рис. 5. В спецификации производителя осциллографа указано комбинированное время нарастания для осциллографа и пробника (при условии импеданса источника 25 Ом), объединяющее оба значения в одно значение. Время нарастания сигнала можно оценить следующим образом: 92}} $$

   Поскольку полоса пропускания комбинации осциллографа и пробника была указана только как предельное значение, т. е. >250 МГц, расчетное значение является нижним пределом. Если измеряется сигнал с известным временем нарастания и импедансом источника, то можно, используя ту же зависимость, определить полосу пропускания осциллографа «на кончике пробника».

   Динамические характеристики высокоимпедансного датчика легко определяются с помощью приведенных выше уравнений. Имейте в виду, что эти уравнения обеспечивают оценку поведения зонда первого порядка. В последней главе будут обсуждаться эффекты второго порядка, такие как паразитная индуктивность в заземляющих проводах.

1. Общее описание

   Другим пассивным пробником является пробник с низкой емкостью или низким импедансом (Low-Z). Эти пробники предназначены для обеспечения ослабления 10:1 на входной нагрузке осциллографа мощностью 50 Вт. Если в пробнике с высоким импедансом используется емкостная компенсация для обеспечения плоской частотной характеристики с минимальной емкостной нагрузкой, то в пробнике с низкой емкостью используются методы линии передачи для достижения чрезвычайно широкой полосы пропускания при очень низкой емкости. Типичный пробник с малой емкостью схематично показан на рис. 6.

   Входное сопротивление осциллографа, R2, обеспечивает согласованное окончание для коаксиального кабеля с малыми потерями. В идеале кабель с оконечной нагрузкой представляет собой чистую резистивную нагрузку 50 Вт на входной резистор R1 на всех частотах. Входное сопротивление пробника и коэффициент затухания определяются последовательным резистором R1. Для пробника 10:1 мощностью 500 Вт его значение будет равно 450 Вт. Особое внимание уделяется механической конструкции этих датчиков, чтобы свести к минимуму паразитные реактивные сопротивления. При тщательной разработке пробники с низкой емкостью имеют полезную полосу пропускания до 8 ГГц, время нарастания 50 пс и входную емкость 0,5 пФ. Поскольку эти пробники механически оптимизированы для работы на высоких частотах, они не предлагают выбора наконечников пробников или заземления.

   Пробники с малой емкостью следует использовать для измерений в широкой полосе пропускания или быстрых переходных процессов в цепях, которые могут работать с импедансом нагрузки 50 Ом. Для этих приложений пробники с низким импедансом обеспечивают превосходную частотную характеристику и относительно низкую стоимость. Другое преимущество пробников с низким импедансом заключается в том, что они не требуют компенсации для согласования с осциллографом.

2. Влияние пробников с малой емкостью на измерения

   Типовой пробник с малой емкостью обеспечивает ослабление 10:1 при входной емкости 1 пФ и входном сопротивлении 500 Вт. Относительно низкое входное сопротивление этих пробников ограничивает их использование в ситуациях измерения, когда исследуемые устройства или схемы рассчитаны на работу с нагрузкой 50 Вт. Важно помнить о низком сопротивлении этих пробников при их использовании. Рассмотрим ситуацию, показанную на следующем рисунке:

   На рис. 7 показан логический вентиль TTL, используемый для управления линией передачи. Линия с характеристическим импедансом 120 Ом завершается сетью резисторов, которая смещает затвор примерно на 3,5 В. Этот тип согласования используется, потому что TTL может генерировать только несколько миллиампер тока в высоком состоянии, а смещение помогает повысить помехоустойчивость. Если для измерения сигнала на приемном конце используется пробник мощностью 500 Вт, 10:1, сопротивление согласования снижается примерно до 98 Вт, а напряжение смещения снижается до 2,7 В.

   Нагрузка пробника снижает помехозащищенность схемы и может привести к ее прерывистому поведению. Этот тип измерения лучше всего выполнять с помощью пробника с низкой емкостью, который не ухудшит условия заделки линии. В таблице 3 приведена погрешность измеренного напряжения в зависимости от входного сопротивления пробника для схемы, показанной выше:

   Хотя пользователь должен знать о проблемах, связанных с использованием пробников с низкой емкостью, это не должно ограничивать общее использование этих зондов в соответствующих приложениях. Эти пробники хорошо подходят для измерения цепей с низким импедансом в источниках питания, ВЧ-усилителях, драйверах линий и подобных устройствах.

   Многие приложения, в которых используются пробники с малой емкостью, связаны с цепями, управляющими линиями передачи. Общей проблемой при таких измерениях является искажение формы сигнала из-за отражения сигнала или стоячих волн, вызванных неправильным согласованием. Это не проблема, связанная с зондами, если только сам зонд не подключен неправильно, но это происходит достаточно часто, чтобы обсуждать его.

   Линия передачи с резистивной нагрузкой, равной волновому сопротивлению линии, называется «согласованной». Согласованная линия имеет импеданс точки возбуждения, который не зависит от длины линии и равен характеристическому импедансу. Таким образом, длина коаксиального кабеля RG-58 мощностью 50 Вт с 50-ваттной оконечной нагрузкой представляет собой чисто резистивную нагрузку на цепь, которая его питает. Если линия передачи не терминирована должным образом, она может искажать подаваемый сигнал различными способами. Если сигнал непрерывный, напряжение и ток будут меняться в зависимости от расстояния вдоль линии, что приводит к образованию стоячей волны. Проведение такой линии с переходными сигналами, такими как ступенчатые и импульсные сигналы, приводит к отражениям сигнала. Амплитуда и синхронизация отраженных сигналов зависят от степени рассогласования и длины линии. Отраженные сигналы в сочетании с приложенным сигналом создают сильно искаженные формы сигналов. На следующих рисунках показана измерительная установка для наблюдения за искажениями из-за отражений и некоторыми типичными типами искажений:

   На рис. 8 показана измерительная установка, в которой дисперсия согласующего резистора RO управляет амплитудой и полярностью отраженного сигнала. Источник сигнала генерирует прямоугольную волну частотой 1 МГц с переходами 1 нс. Полное сопротивление источника, Zs, устанавливается в соответствии с характеристическим сопротивлением кабеля, 50 Ом. Осциллограф с пробником 10:1 мощностью 500 Вт подключается к входной точке кабеля.

   На рис. 9 показана форма волны, измеренная с правильно подключенной линией. Параметры импульса, перечисленные в нижней части экрана, показывают верхнюю и нижнюю амплитуды импульса, а также время нарастания и положительный выброс. Это желаемая форма волны.

   Когда линия передачи не имеет характеристического импеданса, переходные сигналы, такие как ступенчатые или импульсные сигналы, отражаются от конца кабеля. Амплитуды отраженной волны Vr и падающей волны Vi связаны следующим уравнением:

   $$ {V_r \over V_i} = {r_{τ}} = {(R_0 — Z_0) \over ( R_0 + Z_0)} $$

   Где R0 — сопротивление согласования, Z0 — волновое сопротивление кабеля, а T — коэффициент отражения согласования. В следующих примерах будут использоваться три значения R0: R0 = 0 (короткое замыкание), R0 = µ (разомкнутая цепь) и R0 = 75 Вт. Это приведет к значениям коэффициента отражения -1, + 1 и +1/3 соответственно.

   Закороченный кабель дает коэффициент отражения -1. Ступенчатый сигнал с амплитудой +1,8 В отражается как скачок с амплитудой -1,8 В. Время отражения зависит от длины кабеля. Задержка распространения сигнала RG58, используемого в этом примере, составляет около 1,5 нс/фут. Задержка между падающей и отраженной волной составляет около 12 нс для используемого кабеля длиной 4 фута. Это можно наблюдать по ширине измеренного импульса (рис. 10). Обратите внимание, что первоначальный край прямоугольной волны был искажен отраженной волной в узкий импульс. Это повторяется для отрицательного фронта, в результате чего получается отрицательный импульс той же ширины.

   Открытое окончание приводит к отраженной волне той же амплитуды и полярности. Отраженная волна добавляет второй, задержанный переход к форме волны. Это создает ступенчатый вид результирующей измеренной формы сигнала (рис. 11).

   При изменении нагрузки на 75 Вт размер отраженной волны уменьшается по амплитуде до 1/3 шага падающей волны. В результате получается сигнал, показанный на рис. 12.

   Важно помнить, что неправильная терминация линий передачи может привести к искажению формы сигнала. Пробники с низкой емкостью, которые используют характеристики линии передачи для уменьшения входной емкости, должны работать при указанном сопротивлении нагрузки, обычно 50 Ом. Согласование импеданса между пробником и осциллографом имеет первостепенное значение. В результате пробники с низким импедансом следует использовать только с широкополосными осциллографами, которые имеют хорошую оконечную нагрузку 50 Вт.

Активные пробники (FET)

Для приложений, требующих измерения высокого импеданса и высокой частоты (до 2 ГГц), активный пробник является жизненно важным инструментом. Активные пробники используют высокий входной импеданс усилителя на полевых транзисторах для буферизации наконечника пробника от входа осциллографа. Типичный активный пробник обеспечивает коэффициент усиления по напряжению 1:1 при входном сопротивлении 1 МОм, входной емкости 2,2 пФ и полосе пропускания 1 ГГц. Упрощенная схема активного пробника показана на рисунке 14:9.0007

Ключевым элементом пробника является полевой транзистор, выполненный в виде истокового повторителя. За этим каскадом следуют комплементарные биполярные транзисторы, включенные как эмиттерные повторители. Каскад FET обеспечивает очень высокое входное сопротивление, обычно > 1011 Ом. Входное сопротивление и емкость пробника определяются резисторами R1 и R2, которые вместе с C1 образуют скомпенсированный аттенюатор. Обратите внимание, что предусмотрена регулировка напряжения смещения путем подачи напряжения смещения через резистор R2. Задний выходной резистор R3 ограничивает выходную мощность 50 Вт и защищает выходной каскад от случайного короткого замыкания.

Активные датчики требуют источника питания и имеют более ограниченный динамический диапазон, чем пассивные датчики. Фактически, основным недостатком активных пробников с широкой полосой пропускания является то, что они легко повреждаются перенапряжением. Поскольку активные датчики намного дороже, чем их пассивные аналоги, пользователи должны быть осторожны, чтобы избежать этой проблемы. На практике активные пробники занимают нишу между пробниками с высоким импедансом и пробниками с низкой емкостью. Поддерживается рабочая полоса пропускания до 2 ГГц при относительно высоком входном импедансе и возможности подключения относительно длинных кабелей. Эта последняя возможность, вместе с возможностью регулировки смещения и связи на наконечнике пробника, делает их идеальными для условий ATE, где измерительные приборы могут располагаться на некотором расстоянии от тестируемого устройства.

Заземление пробника и точность формы сигнала

Удалить

По мере увеличения частоты измерений вторичные эффекты, такие как индуктивность провода заземления пробника, начинают влиять на измеряемую форму сигнала. Влияние индуктивности заземляющего провода зависит как от индуктивности, связанной с типом и длиной провода, так и от частотного содержания сигнала. Рассмотрим упрощенную модель на рис. 15, которая показывает, как индуктивность заземления влияет на измерение. Заземляющий провод пробника обеспечивает обратный путь для измеряемого сигнала. Индуктивность заземляющего провода зависит от геометрии провода. Обычный проволочный вывод вносит около 25 нГн/дюйм или 10 нГн/см. Индуктивность типичного провода заземления пробника с высоким импедансом 10:1 составляет около 100–150 нГн. Эта индуктивность последовательно с объединенной емкостью пробника образует последовательный резонансный контур. Для типичной емкости пробника 15 пФ 7-дюймовый заземляющий провод обеспечит 175 нГн, в результате чего последовательная резонансная частота составит примерно 98 МГц. Если измеряемый сигнал имеет содержание на этой частоте или близко к ней, это приведет к «звону» и другим аберрациям формы волны. На следующем рисунке показано фактическое измерение с использованием датчика с 7-дюймовым заземляющим проводом. Для этого измерения использовался LeCroy 9314 с гарантированной полосой пропускания 250 МГц на наконечнике зонда. Источником сигнала была прямоугольная волна с частотой 1 МГц и временем нарастания 1 нс.

Обратите внимание, что на осциллограмме, измеренной с использованием 7-дюймового заземляющего провода, наблюдаются явные выбросы и звон (рис. 16). Показания импульсного параметра осциллографа положительного выброса, over+, указывают на выброс 17,4%. Более тонкая проблема заключается в том, что измеренное время нарастания составляет 2,27 нс, что несколько больше, чем ожидалось. Простой способ избежать такой ошибки — уменьшить индуктивность заземляющего провода. Укорочение поводка будет иметь наибольший эффект. На рис. 16 показан результат замены длинного заземляющего провода на гораздо более короткий штыковой заземляющий провод. Уменьшенная индуктивность заземляющего провода проявляется в уменьшении перерегулирования, более быстром времени установления и более приемлемом времени нарастания.

Заключение

С современной электроникой, использующей более быстрые аналоговые и цифровые схемы, использование пробников становится все более сложным. Чем выше частота сигнала, тем сложнее становится воздействие нагрузки на цепь путем прикосновения к ней щупа. Инженерам необходимо подумать о том, как они могут свести к минимуму эти неблагоприятные эффекты, обеспечив использование подходящих датчиков и правильных методов измерения в каждом отдельном приложении. Кроме того, следует уделить внимание всем необходимым настройкам пробника, в частности согласованию импеданса с осциллографом.

Полезные уравнения для пользователей пробников

Расчет полосы пропускания и времени нарастания измерительных систем:

Cs Емкость источника, в фарадах
Co Входная емкость осциллографа или пробника, в фарадах
Rs Сопротивление источника, в Ом
f Частота источника, в Герц
txxx Время нарастания, i»n секунд
Полоса пропускания (-3 дБ), в Герцах

Время нарастания, tr:

$BW = {1 \над {2nR_S(C_S + C_0)}}$$ 92}}} $$

Емкостной датчик уровня жидкости с замкнутым полем (Патент)

перейти к основному содержанию

• Полная запись
• Другое связанное исследование

Датчик уровня жидкости на основе замкнутого контура возбуждения содержит кольцевой генератор с использованием симметричного массива пластинчатых блоков, создающих ток смещения. Ток смещения изменяется в зависимости от близости жидкости к блокам пластин. Схема кольцевого генератора выдает выходной сигнал с частотой, обратно пропорциональной присутствию жидкости. Предложенные устройства измерения уровня жидкости – датчик непрерывного действия и двухточечный датчик. Второй набор пластин может быть расположен внутри корпуса зонда относительно блоков сенсорных пластин. Второй набор пластин предотвращает любые помехи между блоками чувствительных пластин.

Изобретатели:

Кронберг, Дж. В.

Дата публикации:

1995-01-01

Исследовательская организация:

Savannah River Site (SRS), Эйкен, Южная Каролина (США)

Организация-спонсор:

Министерство сельского хозяйства США, Вашингтон, округ Колумбия (США)

Идентификатор ОСТИ:

463635

Номер(а) патента:

ПАТЕНТЫ-US-A8408412

Номер заявки:

ПО: DE97003864; ПАН: 8-408,412; РНН: AHC29709%%72

Правопреемник:

Министерство энергетики США, Вашингтон, округ Колумбия (США)

Номер контракта Министерства энергетики США:  

АК09-89СР18035

Тип ресурса:

Патент

Отношение ресурсов:

Другая информация: PBD: 1995

Страна публикации:

США

Язык:

Английский

Тема:

44 ПРИБОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, ВКЛЮЧАЯ ДЕТЕКТОРЫ ЯДЕР И ЧАСТИЦ; ИНДИКАТОРЫ УРОВНЯ; ЖИДКОСТИ; ДИЗАЙН; ЕМКОСТЬ; ПОМЕХИ; ОСЦИЛЯТОРЫ; ЗОНДЫ

Форматы цитирования

• MLA
• АПА
• Чикаго
• БибТекс

Kronberg, J W. Емкостной датчик уровня жидкости с замкнутым полем . США: Н. П., 1995. Веб.

Копировать в буфер обмена

Кронберг, Дж. В. Емкостной датчик уровня жидкости с замкнутым полем . Соединенные Штаты.

Копировать в буфер обмена

Кронберг, Дж. В. 1995. «Емкостной датчик уровня жидкости с замкнутым полем». Соединенные Штаты. https://www.osti.gov/servlets/purl/463635.

Копировать в буфер обмена

@статья{osti_463635,
title = {Емкостной датчик уровня жидкости с замкнутым полем},
автор = {Кронберг, Дж. В.},
abstractNote = {Датчик уровня жидкости на основе замкнутой цепи возбуждения содержит кольцевой генератор, использующий симметричный массив пластинчатых блоков, который создает ток смещения.