مدار تقسیم ولتاژ برای اسیلوسکوپ. اسیلوسکوپ از مانیتور کامپیوتر در خانه. درباره اسیلوسکوپ های مجازی

صرف نظر از کلاس دستگاه ها برای تجزیه و تحلیل سیگنال های خاص ، لازم است سیگنال های تحت بررسی به ورودی دستگاه وارد شوند. منابع آنها به ندرت می تواند به ورودی اسیلوسکوپ ها و تجزیه و تحلیل ها نزدیک شود. آنها اغلب در فاصله کسری از یک متر تا چند متر قرار دارند. این بدان معنی است که بین منابع سیگنال و ورودی های اسیلوسکوپ و آنالیزورها به دستگاه های تطبیق ویژه ای نیاز است.
به طور معمول ، پروب ها برای اهداف مهم زیر استفاده می شوند:

اتصال از راه دور اسیلوسکوپ به شی تحقیق.
کاهش حساسیت کانال های انحراف عمودی (گاهی اوقات افقی) و مطالعه سیگنال های یک سطح افزایش یافته (کاوشگرهای غیرفعال) ؛
جدا کردن مدارهای اندازه گیری از گره های اسیلوسکوپ (کاوشگرهای نوری) ؛
میرایی سیگنال بزرگ و تحقیق در مورد سیگنال ها در مدارهای ولتاژ بالا (پروب های ولتاژ بالا) ؛
افزایش امپدانس ورودی و کاهش ظرفیت ورودی (تقسیم کننده های جبران شده و پروب های تکرار کننده).
اصلاح مشخصه دامنه-فرکانس سیستم پروب-اسیلوسکوپ ؛
به دست آوردن اسیلوگرام های جریان (پروب های فعلی) ؛
جداسازی سیگنالهای آنتی فاز و سرکوب سیگنالهای حالت معمول (کاوشگرهای دیفرانسیل) ؛
افزایش حساسیت اسیلوسکوپ ها (پروب های فعال) ؛
اهداف ویژه (به عنوان مثال ، مطابقت دادن خروجی های منابع سیگنال باند پهن با ورودی 50 اهم یک اسیلوسکوپ).

بدیهی است که نقش کاوشگرها بسیار مهم است و گاهی اوقات به همان اندازه اسیلوسکوپ ها و آنالیزورهاست. اما ، اغلب ، نقش کاوشگرها دست کم گرفته می شود و این یک اشتباه جدی برای کاربران تازه کار این دستگاه ها است. در زیر انواع اصلی کاوشگرها و سایر لوازم جانبی اسیلوسکوپ ها و تحلیل گرهای سیگنال و طیف و تجزیه و تحلیل منطق آورده شده است.

پروب های تقسیم جبران شده

ساده ترین و طولانی ترین نوع پروب ، یک پروب منفعل با یک تقسیم کننده ولتاژ جبران شده است - شکل 5.1 را ببینید. تقسیم ولتاژ بر روی مقاومت های R1 و R2 ساخته شده است و R2 می تواند به راحتی مقاومت ورودی اسیلوسکوپ باشد.

شکل: 5.1 مدار تقسیم جبران شده

پارامترهای تقسیم کننده DC با فرمول ها محاسبه می شوند:

به عنوان مثال ، اگر R2 \u003d 1 MΩ و R1 \u003d 9 MΩ ، آنگاه RVX \u003d 10 MΩ و KD \u003d 1/10 دارد. بنابراین ، امپدانس ورودی 10 برابر افزایش می یابد ، اما سطح ولتاژ وارد شده به ورودی اسیلوسکوپ نیز 10 برابر کاهش می یابد.

در حالت کلی (در جریان متناوب) برای ضریب انتقال تقسیم ، می توانید عبارت (τ1 \u003d R1C1 و τ2 \u003d C2R2) را بنویسید:

. (5.3)

بنابراین ، با برابری ثابت های زمان τ1 و τ2 ، ضریب انتقال تقسیم کننده به فرکانس بستگی دارد و برابر با مقدار آن در جریان مستقیم است. چنین تقسیم کننده ای جبران می شود. ظرفیت C2 ظرفیت کل کابل ، نصب و ظرفیت ورودی اسیلوسکوپ است. در عمل ، برای دستیابی به شرایط جبران ، باید ظرفیت C1 (یا C2) تنظیم شود ، به عنوان مثال ، با استفاده از یک خازن اصلاح کننده با ظرفیت متغیر - یک موبر (شکل 5.2 را ببینید). تنظیم با پیچ گوشتی پلاستیکی مخصوص موجود در کیت لوازم جانبی پروب انجام می شود. این شامل نکات مختلف ، آداپتورها ، برچسب های رنگی و "چیزهای کوچک" مفید است.

شکل: 5.2 طراحی تقسیم کننده فرکانس غیرفعال استاندارد HP-9250

هنگام جبران اعوجاج نبض مستطیلی (پیچ و خم) ، که معمولاً توسط کالیبراتور تعبیه شده در اسیلوسکوپ ایجاد می شود ، دیگر وجود ندارد (شکل 5-3 را ببینید). وقتی اوج نبض سقوط می کند ، جبران کمبودی مشاهده می شود و هنگامی که بالا می رود ، جبران بیش از حد مشاهده می شود. ماهیت اسیلوگرام ها نیز در شکل نشان داده شده است. 3 (گرفته شده با اسیلوسکوپ TDS 2024 با پروب P2200). توصیه می شود بزرگترین تصویر شکل موج ممکن از کانال مربوطه را جبران کنید.

شکل: 5.3 اسیلوگرام های پالس های یک کالیبراتور اسیلوسکوپ Tektronix TDS 2024 در درجات مختلف جبران (از بالا به پایین): جبران طبیعی ، جبران بیش از حد و جبران کم

هنگام کار با اسیلوسکوپ چند کاناله ، از کاوشگرها به صورت جداگانه برای هر کانال استفاده کنید. برای انجام این کار ، باید پروب ها (اگر این کار قبلاً در کارخانه انجام نشده است) با برچسب هایی با رنگ های مختلف علامت گذاری شوند ، که معمولاً مربوط به رنگ خطوط اسیلوگرام هستند. اگر این قانون رعایت نشود ، به دلیل تغییر اجتناب ناپذیر در ظرفیت های ورودی هر کانال ، جبران نادرست خواهد بود.

برای تقسیم کننده 1:10 ، R1 باید 9R2 باشد. این بدان معنی است که ظرفیت C1 باید 9 برابر کمتر از ظرفیت ورودی C2 باشد. ظرفیت ورودی تقسیم توسط اتصال سری C1 و C2 تعیین می شود:

(5.4)

مقدار تقریبی برای KD "1 و C1" C2 معتبر است. در KD \u003d 10 ، ظرفیت ورودی تقسیم کننده تقریبا 10 برابر کمتر از ظرفیت ورودی اسیلوسکوپ است. لازم به یادآوری است که C2 نه تنها شامل ظرفیت واقعی ورودی اسیلوسکوپ است ، بلکه ظرفیت C1 نیز به اندازه ظرفیت نصب افزایش می یابد. بنابراین ، در واقع ، کاهش ظرفیت ورودی تقسیم کننده در مقایسه با ظرفیت ورودی اسیلوسکوپ چندان محسوس نخواهد بود. با این حال ، این دقیقاً همان چیزی است که کاهش قابل توجه اعوجاج لبه نبض را هنگام کار با یک تقسیم کننده توضیح می دهد.

افزایش م componentلفه فعال مقاومت ورودی تقسیم کننده همیشه مفید نیست ، زیرا همچنین منجر به تغییر بار دستگاه تحت آزمایش و بدست آوردن نتایج متفاوت در غیاب تقسیم کننده و هنگام استفاده از آن می شود. بنابراین ، تقسیم کننده ها اغلب طوری طراحی می شوند که امپدانس ورودی اسیلوسکوپ ، چه هنگام کار بدون تقسیم کننده ، و چه هنگام کار با آن ، بدون تغییر باقی بماند. در این حالت ، تقسیم کننده امپدانس ورودی اسیلوسکوپ را افزایش نمی دهد ، اما با این وجود ظرفیت ورودی را کاهش می دهد.

افزایش سطح سیگنالهای مورد مطالعه

حداکثر ولتاژ ورودی اسیلوسکوپ با محاسبه تعداد تقسیمات شبکه مقیاس آن با ضریب انحراف عمودی تعیین می شود. به عنوان مثال ، اگر تعداد تقسیمات مقیاس 10 و ضریب انحراف 5 V / div باشد ، نوسان ولتاژ کامل در ورودی 50 ولت است. اغلب این برای مطالعه سیگنال ها حتی در یک سطح متوسط \u200b\u200bبالا کافی نیست - بالاتر ده ها ولت

بیشتر پروب ها به شما امکان می دهند حداکثر ولتاژ آزمایش را در جریان مستقیم و فرکانس پایین از ده ها ولت به 500-600 ولت افزایش دهید. با این حال ، در فرکانس های بالا ، قدرت راکتیو (و توان فعال آزاد شده در مقاومت از دست دادن خازن های پروب) ) به شدت افزایش می یابد و شما باید حداکثر ولتاژ ورودی پروب را کاهش دهید - به شکل 5.4 مراجعه کنید. اگر این شرایط را در نظر نگیرید ، می توانید پروب را بسوزانید!

شکل: 5.4 وابستگی به فرکانس ولتاژ حداکثر در ورودی پروب

هرگز از حداکثر ولتاژ در ورودی پروب در فرکانس های سیگنال بالا عبور نکنید. با این کار می توانید پروب را بیش از حد گرم کرده و به آن آسیب برسانید.

انواع کاوشگرهای غیرفعال ، پروب های ولتاژ بالا هستند. آنها معمولاً دارای نسبت تقسیم 1/100 یا 1/1000 و امپدانس ورودی 10 یا 100 MΩ هستند. مقاومت های تقسیم کننده پروب کم مصرف معمولاً بدون خراب شدن ولتاژ تا 500-600 ولت مقاومت می کنند ، بنابراین در پروب های ولتاژ بالا مقاومت R1 (و خازن C1) باید با استفاده از اجزای متصل به سری ساخته شود. این باعث افزایش اندازه سر پروب می شود.

نمایی از پروب ولتاژ بالا Tektronix P6015A در شکل نشان داده شده است. 5.5 این پروب دارای یک محفظه کاملا عایق بندی شده با یک حلقه بیرون زده است تا از سر خوردن انگشتان به سمت مدار جلوگیری کند. از پروب می توان تا 20 کیلو ولت DC و تا 40 کیلو ولت چرخه کار بالا استفاده کرد. دامنه فرکانس اسیلوسکوپ با چنین کاوشگری به 75 مگاهرتز محدود می شود که برای اندازه گیری در مدارهای ولتاژ بالا بیش از اندازه است.

شکل: 5.5 ظاهر پروب ولتاژ بالا Tektronix P6015A

هنگام کار با پروب های فشار قوی ، بیشترین اقدامات احتیاطی ممکن را انجام دهید. ابتدا سیم زمین را وصل کنید و فقط سپس نوک پروب را به نقطه ای که می خواهید اسیلوگرام ولتاژ دریافت کنید متصل کنید. توصیه می شود هنگام اندازه گیری ، پروب را ایمن کرده و به طور کلی دستان خود را از روی آن بردارید.

پروب های ولتاژ بالا برای اسیلوسکوپ های دیجیتال و آنالوگ در دسترس هستند. به عنوان مثال ، کاوشگر HV-P30 برای اسیلوسکوپ های آنالوگ پهن باند منحصر به فرد سری ACK7000 / 8000 با پهنای باند تا 50 مگاهرتز ، نسبت تقسیم 1/100 ، حداکثر ولتاژ موج سینوسی (اوج تا اوج) در دسترس است 30 کیلو ولت و حداکثر ولتاژ پالس تا 40 کیلو ولت. امپدانس ورودی پروب 100 MΩ ، ظرفیت ورودی 7 pF ، طول کابل 4 متر ، اتصال خروجی BNC. یک کاوشگر دیگر HV-P60 با نسبت 1/2000 می تواند در حداکثر ولتاژ تا 60 کیلو ولت برای موج سینوسی و تا 80 کیلو ولت برای سیگنال پالس استفاده شود. امپدانس ورودی پروب 1000 MΩ است ، ظرفیت ورودی 5 pF است. جدیت این محصولات با قیمت بالای آنها - در حدود 66000 و 124000 روبل (مطابق با لیست قیمت Elix) به خوبی بیان می شود.

کاوشگرهای اصلاح شده با فرکانس

غالباً از پروب های غیرفعال برای اصلاح پاسخ فرکانسی اسیلوسکوپ ها استفاده می شود. گاهی اوقات این تصحیحی است که برای گسترش باند فرکانس طراحی شده است ، اما بیشتر اوقات مشکل معکوس حل می شود - باند باند فرکانس را کاهش می دهد تا اثر نویز را هنگام مشاهده سیگنال های سطح پایین کاهش دهد و موج های سریع لبه های سیگنال های پالس را از بین ببرد.
این کاوشگرها (P2200) در اسیلوسکوپ های جریان اصلی Tektronix TDS 1000B / 2000B گنجانده شده اند. شکل ظاهری آنها در شکل نشان داده شده است. 5.6

پارامترهای اصلی کاوشگرها در جدول نشان داده شده است. 5.1

جدول 5.1 پارامترهای اساسی پروب های غیرفعال P2200

شکل: 5.6 پروب غیرفعال P2200 با فیلتر کم عبور داخلی در موقعیت سوئیچ تقسیم ولتاژ 1/10

از روی میز 5.1 به وضوح مشاهده می شود که استفاده از یک کاوشگر با ضریب تقسیم 1/1 تنها در هنگام مطالعه دستگاه های با فرکانس پایین ، هنگامی که یک باند فرکانس تا 6.5 مگاهرتز کافی است ، توصیه می شود. در همه موارد دیگر ، توصیه می شود که پروب را با ضریب تقسیم 10/10 استفاده کنید. در این حالت ، ظرفیت ورودی از 110 pF به حدود 15 pF کاهش می یابد و باند فرکانس از 6.5 مگاهرتز به 200 مگاهرتز گسترش می یابد. اسیلوگرام های مارپیچ با فرکانس 10 مگاهرتز ، که در شکل نشان داده شده است. 5.7 ، درجه اعوجاج اسیلوگرام ها را در تقسیم های 1/10 و 1/1 به خوبی نشان می دهد. در هر دو مورد ، اتصال استاندارد کاوشگر با یک نوک درگیر و یک سیم زمین بلند (10 سانتی متر) با تمساح استفاده شد. یک موج مربعی با زمان افزایش 5 ns از یک مولد Tektronix AFG 3101 بدست آمد.

شکل: 5.7 اسیلوسکوپ موج مربع 10 مگاهرتز با استفاده از اسیلوسکوپ 200 مگاهرتزی Tektronix TDS 2024B با کاوشگرهای P2200 در تقسیم های 1/10 (ردیف بالا) و 1/1 (ردیف پایین)

به راحتی می توان فهمید که در هر دو حالت اسیلوگرام های سیگنال مشاهده شده (و برای ژنراتورهای AFG 3101 با فرکانس 10 مگاهرتز نزدیک به ایده آل است و قله های صاف و بدون زنگ زنگ دارد) به شدت تحریف شده اند. با این حال ، ماهیت تحریف متفاوت است. وقتی تقسیم کننده 1/10 باشد ، شکل موج نزدیک به یک موج مربعی است و دارای لبه های کوتاه است ، اما توسط نوسانات میرایی ناشی از القا یک سیم زمین بلند تحریف می شود - شکل. 8- و در موقعیت تقسیم 1/1 ، نوسانات میرایی ناپدید شد ، اما افزایش قابل توجهی در ثابت زمان سیستم "اسیلوسکوپ پروب" به وضوح قابل مشاهده است. در نتیجه ، به جای پیچ و خم ، پالس های دندانه اره با افزایش و سقوط نمایی مشاهده می شود.

شکل: 5.8 نمودار اتصال پروب به بار RL

پروب های دارای تصحیح داخلی باید دقیقاً برای هدف مورد نظر خود استفاده شوند ، با در نظر گرفتن تفاوت شدید ویژگی های فرکانس در موقعیت های مختلف تقسیم ولتاژ.

در نظر گرفتن پارامترهای کاوشگر

ما داده های معمول مدار را در شکل می دهیم. 5.8: مقاومت داخلی منبع سیگنال Ri \u003d 50 اهم ، مقاومت بار RL \u003e\u003e Ri ، مقاومت ورودی پروب RP \u003d 10 MΩ ، ظرفیت ورودی پروب CP \u003d 15 pF. با استفاده از چنین داده هایی از عناصر مدار ، آن را به یک مدار نوسانی سری شامل مقاومت R≈Ri ، القایی سیم زمین L≈LG (حدود 100-120 nH) و ظرفیت C≈CP تبدیل می کند.

اگر افت ولتاژ ایده آل E به ورودی چنین مدار اعمال شود ، وابستگی زمانی ولتاژ در C (و ورودی اسیلوسکوپ) به صورت زیر خواهد بود:

(5.5)

محاسبات نشان می دهد که این وابستگی می تواند در L بزرگ و R کوچک از جهش قابل توجهی برخوردار باشد ، که در اسیلوگرام فوقانی در شکل مشاهده می شود. 5.7 در α / δ \u003d 1 ، این افزایش بیش از 4٪ دامنه افت نیست ، که کاملاً شاخص رضایت بخشی است. برای این ، مقدار L \u003d LG باید برابر باشد با:

به عنوان مثال ، اگر C \u003d 15 pF و R \u003d 50 اهم ، پس L \u003d 19 nH. برای کاهش L به چنین مقداری (از ترتیب معمول 100-120 nH برای سیم خاکی 10 سانتی متر طول) ، لازم است سیم زمین (احتمالاً سیگنال) به طول کمتر از 2 سانتی متر کوتاه شود. ، نوک را از سر پروب برداشته و استفاده از سیمهای استاندارد زمین را کنار بگذارید. ابتدای کاوشگر در این حالت با یک سوزن تماسی و یک نوار زمینی استوانه ای شکل (شکل 5.9) با اندوکتانس کم نشان داده خواهد شد.

شکل: 5.9 سر پروب با نوک برداشته شده (چپ) و آداپتور هم محور (راست)

اثر بخشی اقدامات برای مبارزه با "زنگ زدن" در شکل نشان داده شده است. 5.10 این اسیلوگرام های موج مربع 10 مگاهرتزی را نشان می دهد وقتی پروب به طور عادی روشن می شود و با حذف پروب و بدون سیم بلند زمین روشن می شود. حذف تقریبا کامل فرآیندهای نوسانی میرایی آشکار به وضوح در اسیلوگرام پایین دیده می شود. امواج کوچک در بالا به دلیل شکل موج در کابل کواکسیال بهم پیوسته است که در این پروب ها بدون تطبیق خروجی کار می کند ، که باعث بازتاب سیگنال می شود.

شکل: 5.10 اسیلوگرام های یک موج مربع 10 مگاهرتزی با یک پروب طبیعی روشن (اسیلوگرام بالا) و با حذف نازل و بدون سیم زمین بلند روشن (اسیلوگرام پایین)

برای به دست آوردن اسیلوگرام ها با زمان بالا آمدن بسیار کوتاه و "زنگ زدن" ، باید تدابیری را برای کاهش القا مدار اندازه گیری شده تا حد ممکن انجام دهید: نوک پروب را بردارید و پروب را با استفاده از یک سوزن و یک درج استوانه ای زمین متصل کنید. تمام اقدامات احتمالی باید برای کاهش القا مداری که در آن سیگنال مشاهده می شود ، انجام شود.
پارامترهای مهم سیستم اسیلوسکوپ پروب ، زمان بالا آمدن سیستم (در سطوح 0.1 و 0.9) و پهنای باند یا حداکثر فرکانس (در سطح حساسیت 3 دسی بل است). با استفاده از مقدار شناخته شده فرکانس تشدید مدار

, (5.7)
سپس مقدار R را می توان از طریق فرکانس تشدید مدار بیان کرد ، که فرکانس محدود کننده مسیر سیستم انحراف را تعیین می کند:

. (5.8)
ثابت نیست که زمان رسیدن ولتاژ u (t) به مقدار E دامنه افت برابر خواهد بود:

. (5.10)

این مقدار معمولاً به عنوان زمان ته نشینی پروب با پاسخ گذرا بهینه در نظر گرفته می شود. زمان کل افزایش اسیلوسکوپ با پروب را می توان به ترتیب زیر تخمین زد:

, (5.11)
که در آن tosc زمان افزایش اسیلوسکوپ است (وقتی سیگنال مستقیماً به ورودی کانال مربوطه منتقل می شود). فرکانس قطع فوقانی fmax (که باند فرکانس نیز می باشد) به صورت تعریف شده است

. (5.12).
به عنوان مثال ، یک اسیلوسکوپ با t0 \u003d 1 ns دارای fmax \u003d 350 مگاهرتز است. گاهی اوقات ضریب 0.35 به 0.4-0.45 افزایش می یابد ، زیرا پاسخ فرکانسی بسیاری از اسیلوسکوپ های مدرن با fmax\u003e 1 گیگاهرتز با گاوسی متفاوت است که با ضریب 0.35 مشخص می شود.

در مورد یک پارامتر مهم دیگر کاوشگرها فراموش نکنید - زمان تاخیر سیگنال tc. این زمان ، اول از همه ، با زمان تاخیر خطی (به ازای هر 1 متر طول کابل) و طول کابل تعیین می شود. معمولاً از واحدها تا ده ها ns متغیر است. برای اطمینان از تأخیر در موقعیت نسبی اسیلوگرام ها بر روی صفحه اسیلوسکوپ چند کاناله ، باید از کاوشگرهایی از همان نوع با کابل هایی با طول یکسان در همه کانال ها استفاده کنید.

اتصال کاوشگرها به منابع سیگنال

کاوشگرها را می توان با استفاده از انواع نکات ، ضمیمه ها ، قلاب ها و "میکرو تمساح ها" به نقاط مورد نظر دستگاه های مورد بررسی وصل کرد که غالباً در کیت لوازم جانبی کاوشگر وجود دارد. با این حال ، بیشتر اوقات ، دقیق ترین اندازه گیری ها با اتصال به سوزن اولیه کاوشگر انجام می شود - نگاه کنید به شکل. 5.11 یا دو سوزن. هنگام توسعه دستگاه های با فرکانس بالا و نبض بر روی صفحه مدار چاپی ، پدهای تماسی مخصوص یا سوراخ های آبکاری شده برای این کار در نظر گرفته شده است.