Indiferent de clasa de dispozitive pentru analiza anumitor semnale, este necesar să se aducă semnalele investigate la intrările dispozitivului. Sursele lor foarte rar pot fi apropiate de intrările osciloscoapelor și analizatoarelor. Acestea sunt adesea situate la o distanță de fracțiuni de metru la câțiva metri. Aceasta înseamnă că sunt necesare dispozitive speciale de potrivire între sursele de semnal și intrările osciloscopului și analizoarelor.
De obicei, sondele sunt utilizate în următoarele scopuri importante:
- conectarea la distanță a osciloscopului la obiectul de cercetare;
- scăderea sensibilității canalelor de deviere verticală (uneori orizontală) și studierea semnalelor de nivel crescut (sonde pasive);
- decuplarea circuitelor de măsurare de la nodurile osciloscopului (sonde optice);
- atenuarea semnalului mare și cercetarea semnalelor în circuite de înaltă tensiune (sonde de înaltă tensiune);
- creșterea impedanței de intrare și scăderea capacității de intrare (separatoare compensate și sonde repetatoare);
- corectarea caracteristicii amplitudinii-frecvenței sistemului sonde-osciloscop;
- obținerea oscilogramelor de curent (sonde de curent);
- izolarea semnalelor antifazice și suprimarea semnalelor în mod comun (sonde diferențiale);
- creșterea sensibilității osciloscoapelor (sondelor active);
- scopuri speciale (de exemplu, potrivirea ieșirilor surselor de semnal în bandă largă cu intrarea de 50 ohmi a unui osciloscop).
Evident, rolul sondelor este foarte important și uneori la fel de important ca osciloscoapele și analizorii înșiși. Dar, adesea, rolul sondelor este subestimat și aceasta este o greșeală gravă pentru utilizatorii începători ai acestor dispozitive. Următoarele sunt principalele tipuri de sonde și alte accesorii pentru osciloscoape și analizoare de semnal și spectru și analizoare logice.
Sonde despărțitoare compensate
Cel mai simplu și cel mai utilizat tip de sondă este o sondă pasivă cu un divizor de tensiune compensat - vezi Figura 5.1. Divizorul de tensiune este construit pe rezistențele R1 și R2, iar R2 poate fi pur și simplu rezistența de intrare a osciloscopului.
Figura: 5.1. Circuit despărțitor compensat
Parametrii separatorului de curent continuu sunt calculați după formulele:
De exemplu, dacă R2 \u003d 1 MΩ și R1 \u003d 9 MΩ, atunci are RVX \u003d 10 MΩ și KD \u003d 1/10. Astfel, impedanța de intrare este mărită de 10 ori, dar și nivelul tensiunii furnizate intrării osciloscopului scade de 10 ori.
În cazul general (la curent alternativ) pentru coeficientul de transfer al divizorului, puteți scrie expresia (τ1 \u003d R1C1 și τ2 \u003d C2R2):
. (5.3)
Astfel, cu egalitatea constantelor de timp τ1 și τ2, coeficientul de transfer al divizorului încetează să depindă de frecvență și este egal cu valoarea sa la curent continuu. Un astfel de divizor se numește compensat. Capacitatea C2 este capacitatea totală a cablului, montarea și capacitatea de intrare a osciloscopului. În practică, pentru a atinge condiția de compensare, capacitatea C1 (sau C2) trebuie ajustată, de exemplu, folosind un condensator de tundere cu capacitate variabilă - un tunder (vezi Fig. 5.2.). Reglarea se efectuează cu o șurubelniță specială din plastic inclusă în kitul de accesorii pentru sondă. Include sfaturi asortate, adaptoare, autocolante colorate și alte „lucruri mici” utile.
Figura: 5.2. Proiectare standard a separatorului de frecvență pasivă HP-9250
Când compensați distorsiunea unui impuls dreptunghiular (meandru), creat de obicei de un calibrator încorporat în osciloscop, nu există (a se vedea figura 5.3). Când vârful pulsului scade, se observă o subcompensare, iar când crește, se observă o supracompensare. Natura oscilogramelor este prezentată și în Fig. 3 (luat cu un osciloscop TDS 2024 cu o sondă P2200). Se recomandă să compensați cea mai mare imagine posibilă a formei de undă a canalului corespunzător.
Figura: 5.3. Oscilograme de impulsuri de la un calibrator de osciloscop Tektronix TDS 2024 la diferite grade de compensare (de sus în jos): compensare normală, supracompensare și subcompensare
Când lucrați cu un osciloscop multicanal, utilizați sondele individual pentru fiecare canal. Pentru a face acest lucru, acestea trebuie să fie marcate (dacă acest lucru nu se face deja din fabrică) sonde cu autocolante de diferite culori, corespunzătoare de obicei culorilor liniilor oscilogramei. Dacă această regulă nu este respectată, compensarea va fi inexactă din cauza variației inevitabile a capacităților de intrare ale fiecărui canal.
Pentru un divizor 1:10, R1 trebuie să fie 9R2. Aceasta înseamnă că capacitatea C1 trebuie să fie de 9 ori mai mică decât capacitatea de intrare C2. Capacitatea de intrare a divizorului este determinată de conexiunea în serie a C1 și C2:
(5.4)
Valoarea aproximativă este valabilă pentru KD "1 și C1" C2. La KD \u003d 10, capacitatea de intrare a divizorului este de aproape 10 ori mai mică decât capacitatea de intrare a osciloscopului. Trebuie amintit că C2 include nu numai capacitatea de intrare adevărată a osciloscopului, ci și capacitatea C1 crește cu dimensiunea capacității de montare. Prin urmare, de fapt, scăderea capacității de intrare a divizorului în comparație cu capacitatea de intrare a osciloscopului nu va fi atât de vizibilă. Cu toate acestea, tocmai acest lucru explică reducerea semnificativă a distorsiunii marginii impulsurilor atunci când se lucrează cu un divizor.
O creștere a componentei active a rezistenței de intrare a divizorului nu este întotdeauna utilă, deoarece conduce, de asemenea, la o schimbare a sarcinii pe dispozitivul supus testării și la obținerea unor rezultate diferite în absența unui divizor și atunci când îl utilizați. Prin urmare, separatoarele sunt deseori proiectate astfel încât impedanța de intrare a osciloscopului să rămână neschimbată, atât atunci când funcționează fără divizor, cât și când lucrează cu acesta. În acest caz, divizorul nu mărește impedanța de intrare a osciloscopului, dar scade totuși capacitatea de intrare.
Creșterea nivelului semnalelor studiate
Tensiunea maximă la intrarea osciloscopului este determinată de produsul numărului de diviziuni ale grilei sale de scală de coeficientul de deviere verticală. De exemplu, dacă numărul diviziunilor la scară este de 10, iar coeficientul de deviere este de 5 V / div, atunci oscilația de tensiune completă la intrare este de 50 V. Adesea acest lucru nu este suficient pentru a studia semnalele chiar și la un nivel moderat ridicat - peste zeci de volți.
Majoritatea sondelor vă permit să măriți tensiunea maximă de testare la curent continuu și frecvență joasă de la zeci de V la 500-600 V. Cu toate acestea, la frecvențe înalte, puterea reactivă (și puterea activă eliberată la rezistența la pierderea condensatorilor sondei) ) crește brusc și trebuie să reduceți tensiunea maximă la intrarea sondei - Vedeți Figura 5.4. Dacă nu țineți cont de această circumstanță, puteți arde pur și simplu sonda!
Figura: 5.4. Dependența de frecvență a tensiunii maxime la intrarea sondei
Nu depășiți niciodată tensiunea maximă la intrarea sondei la frecvențe ridicate ale semnalului. Acest lucru poate supraîncălzi sonda și o poate deteriora.
O varietate de sonde pasive sunt sonde de înaltă tensiune. Au de obicei un raport de diviziune de 1/100 sau 1/1000 și o impedanță de intrare de 10 sau 100 MΩ. Rezistoarele de divizare a sondei de mică putere rezistă de obicei până la 500-600 V fără defecțiuni de tensiune. Prin urmare, în sondele de înaltă tensiune, rezistorul R1 (și condensatorul C1) trebuie realizat folosind componente conectate în serie. Acest lucru mărește dimensiunea capului sondei.
O imagine a sondei de înaltă tensiune Tektronix P6015A este prezentată în Fig. 5.5. Sonda are o carcasă bine izolată cu un inel proeminent pentru a preveni captarea degetelor de la alunecarea la circuit. Sonda poate fi utilizată până la 20 kV c.c. și până la 40 kV ciclu de lucru ridicat. Gama de frecvență a unui osciloscop cu o astfel de sondă este limitată la 75 MHz, ceea ce este mai mult decât suficient pentru măsurători în circuite de înaltă tensiune.
Figura: 5.5. Aspectul sondei de înaltă tensiune Tektronix P6015A
Când lucrați cu sonde de înaltă tensiune, luați cele mai mari precauții posibile. Conectați mai întâi firul de masă și abia apoi conectați vârful sondei la punctul în care doriți să obțineți oscilograma de tensiune. Este recomandat să fixați sonda și, în general, să vă îndepărtați mâinile de ea atunci când efectuați măsurători.
Sondele de înaltă tensiune sunt disponibile atât pentru osciloscoapele digitale, cât și pentru cele analogice. De exemplu, sonda HV-P30 este disponibilă pentru osciloscoapele analogice de bandă largă unice din seria ACK7000 / 8000 cu o lățime de bandă de până la 50 MHz, un raport de diviziune de 1/100, o tensiune maximă de undă sinusoidală (vârf la vârf) de 30 kV și o tensiune maximă a impulsului de până la 40 kV. Impedanță de intrare a sondei 100 MΩ, capacitate de intrare 7 pF, lungime cablu 4 m, conector de ieșire BNC. O altă sondă HV-P60 cu un raport de 1/2000 poate fi utilizată la tensiuni maxime de până la 60 kV pentru o undă sinusoidală și până la 80 kV pentru un semnal de impuls. Impedanța de intrare a sondei este de 1000 MΩ, capacitatea de intrare este de 5 pF. Seriozitatea acestor produse este indicată elocvent prin prețul ridicat - aproximativ 66.000 și 124.000 ruble (conform listei de prețuri a Elix).
Sonde corectate în frecvență
Adesea sondele pasive sunt utilizate pentru a corecta răspunsul în frecvență al osciloscoapelor. Uneori, aceasta este o corecție concepută pentru a lărgi banda de frecvență, dar mai des se rezolvă problema inversă - îngustarea benzii de frecvență pentru a reduce efectul zgomotului atunci când se observă semnalele de nivel scăzut și pentru a elimina supratensiunile rapide la marginile semnalelor de impuls.
Aceste sonde (P2200) sunt incluse în osciloscoapele principale Tektronix TDS 1000B / 2000B. Aspectul lor este prezentat în Fig. 5.6.
Parametrii principali ai sondelor sunt prezentați în tabel. 5.1.
Tabelul 5.1. Parametrii de bază ai sondelor pasive P2200
Figura: 5.6. Sonda pasivă P2200 cu filtru trece jos încorporat la poziția comutatorului de divizare a tensiunii 1/10
De la masă. 5.1 se vede clar că utilizarea unei sonde cu un factor de diviziune de 1/1 este recomandabilă numai atunci când se studiază dispozitivele cu frecvență joasă, atunci când este suficientă o bandă de frecvență de până la 6,5 \u200b\u200bMHz. În toate celelalte cazuri, este recomandabil să acționați sonda la un factor de divizare de 1/10. În acest caz, capacitatea de intrare scade de la 110 pF la aproximativ 15 pF, iar banda de frecvență se extinde de la 6,5 \u200b\u200bMHz la 200 MHz. Oscilogramele unui meandru cu o frecvență de 10 MHz, prezentate în Fig. 5.7, ilustrează bine gradul de distorsiune a oscilogramelor la diviziunile 1/10 și 1/1. În ambele cazuri, conexiunea standard a sondei a fost utilizată cu un vârf de cuplare și un fir lung de împământare (10 cm) cu un crocodil. O undă pătrată cu un timp de creștere de 5 ns a fost obținută de la un generator Tektronix AFG 3101.
Figura: 5.7. Osciloscop cu undă pătrată de 10 MHz folosind un osciloscop Tektronix TDS 2024B de 200 MHz cu sonde P2200 la diviziuni 1/10 (urmă superioară) și 1/1 (urmă inferioară)
Este ușor de văzut că în ambele cazuri oscilogramele semnalului observat (și este aproape ideal pentru generatoarele AFG 3101 la o frecvență de 10 MHz și are vârfuri netede fără un indiciu de sunet) sunt puternic distorsionate. Cu toate acestea, natura distorsiunii este diferită. Când divizorul este 1/10, forma de undă este apropiată de o undă pătrată și are margini scurte, dar este distorsionată de oscilațiile amortizate care decurg din inductanța unui fir lung de masă - Fig. 8. Și în poziția divizorului 1/1, oscilațiile amortizate au dispărut, dar se observă în mod clar o creștere semnificativă a constantei de timp a sistemului "sondă-osciloscop". Ca rezultat, în loc de meandru, se observă impulsuri din dinte de fierăstrău cu creștere și scădere exponențială.
Figura: 5.8. Schema de conectare a sondei la sarcina RL
Sondele cu corecție încorporată trebuie utilizate strict pentru scopul propus, ținând seama de diferența puternică în caracteristicile de frecvență la diferite poziții ale divizorului de tensiune.
Luarea în considerare a parametrilor sondei
Oferim date tipice ale circuitului din Fig. 5.8: rezistența internă a sursei de semnal Ri \u003d 50 Ohm, rezistența la sarcină RL \u003e\u003e Ri, rezistența de intrare a sondei RP \u003d 10 MΩ, capacitatea de intrare a sondei CP \u003d 15 pF. Cu astfel de date ale elementelor circuitului, acesta degenerează într-un circuit oscilator în serie care conține rezistența R≈Ri, inductanța firului de pământ L≈LG (aproximativ 100-120 nH) și capacitatea C≈CP.
Dacă la intrarea unui astfel de circuit se aplică o cădere ideală de tensiune E, atunci dependența de timp a tensiunii de-a lungul C (și a intrării osciloscopului) va arăta ca:
(5.5)
Calculele arată că această dependență poate avea o depășire semnificativă la L mare și R mic, care se observă în oscilograma superioară din Fig. 5.7. La α / δ \u003d 1, această creștere nu depășește 4% din amplitudinea căderii, ceea ce este un indicator destul de satisfăcător. Pentru aceasta, valoarea L \u003d LG trebuie aleasă egală cu:
De exemplu, dacă C \u003d 15 pF și R \u003d 50 ohmi, atunci L \u003d 19 nH. Pentru a reduce L la o astfel de valoare (dintr-o ordine tipică de 100-120 nH pentru un fir de împământare de 10 cm lungime), este necesar să scurtăm firul de împământare (posibil semnal) la o lungime mai mică de 2 cm. , scoateți vârful de pe capul sondei și renunțați la utilizarea unui fir de împământare standard. Începutul sondei în acest caz va fi reprezentat de un ac de contact și o bandă cilindrică de pământ (Fig. 5.9) cu o inductanță scăzută.
Figura: 5.9. Capul sondei cu vârful îndepărtat (stânga) și adaptorul coaxial (dreapta)
Eficacitatea măsurilor utilizate pentru combaterea „sunetului” este ilustrată în Fig. 5.10. Afișează oscilograme de undă pătrată de 10 MHz când sonda este pornită normal și pornită cu sonda îndepărtată și fără firul de masă lung. Eliminarea aproape completă a proceselor oscilatorii evidente amortizate se vede clar pe oscilograma inferioară. Ripplurile mici din partea superioară se datorează formelor de undă din cablul coaxial de interconectare, care în aceste sonde funcționează fără potrivire de ieșire, ceea ce provoacă reflexii ale semnalului.
Figura: 5.10. Oscilogramele unei unde pătrate de 10 MHz cu o sondă normală pornită (oscilograma superioară) și pornită cu duza îndepărtată și fără un fir lung de masă (oscilograma inferioară)
Pentru a obține oscilograme cu timpi de creștere și „sunare” extrem de scurte, ar trebui să luați măsuri pentru a reduce cât mai mult posibil inductanța circuitului măsurat: scoateți vârful sondei și conectați sonda folosind un ac și o inserție de împământare cilindrică. Trebuie luate toate măsurile posibile pentru a reduce inductanța circuitului în care este observat semnalul.
Parametrii importanți ai sistemului sondă-osciloscop sunt timpul de creștere al sistemului (la nivelurile 0,1 și 0,9) și lățimea de bandă sau frecvența maximă (la nivelul sensibilității de 3 dB). Folosind valoarea cunoscută a frecvenței de rezonanță a circuitului
, (5.7)
atunci valoarea lui R poate fi exprimată prin frecvența de rezonanță a circuitului, care determină frecvența limitativă a traseului sistemului de deviere:
. (5.8)
Nu este dificil să se demonstreze că timpul pentru ca tensiunea u (t) să atingă valoarea E a amplitudinii căderii va fi egal cu:
. (5.10)
Această valoare este de obicei luată ca timpul de decantare a sondei cu răspunsul tranzitoriu optim. Timpul total de creștere al unui osciloscop cu sondă poate fi estimat ca:
, (5.11)
unde tosc este timpul de creștere al osciloscopului (când semnalul este alimentat direct la intrarea canalului corespunzător). Frecvența de tăiere superioară fmax (care este și banda de frecvență) este definită ca
. (5.12).
De exemplu, un osciloscop cu t0 \u003d 1 ns are fmax \u003d 350 MHz. Uneori multiplicatorul de 0,35 este mărit la 0,4-0,45, deoarece răspunsul în frecvență al multor osciloscoape moderne cu fmax\u003e 1 GHz diferă de cel gaussian, care se caracterizează printr-un multiplicator de 0,35.
Nu uitați de un alt parametru important al sondelor - timpul de întârziere a semnalului tc. Acest timp este determinat, în primul rând, de timpul de întârziere liniar (pe 1 m lungime cablu) și de lungimea cablului. De obicei variază de la unități la zeci de ns. Pentru a vă asigura că întârzierea nu afectează poziția relativă a oscilogramelor pe ecranul unui osciloscop multicanal, trebuie să utilizați sonde de același tip cu cabluri de aceeași lungime pe toate canalele.
Conectarea sondelor la sursele de semnal
Sondele pot fi conectate la punctele dorite ale dispozitivelor investigate folosind o varietate de sfaturi, atașamente, cârlige și „micro-crocodili”, care sunt adesea incluse în kitul de accesorii pentru sondă. Cu toate acestea, de cele mai multe ori, măsurătorile cele mai exacte se fac prin conectarea cu acul principal al sondei - vezi fig. 5.11 sau două ace. Atunci când dezvoltați dispozitive de înaltă frecvență și impulsuri pe o placă de circuite imprimate, sunt prevăzute plăcuțe speciale de contact sau găuri placate.
Figura: 5.11. Conectarea sondei la tampoanele plăcii de circuite imprimate a dispozitivului supus testului
Este deosebit de important în zilele noastre să conectați sondele la plăcile de contact ale plăcilor de circuite imprimate miniaturale, circuitelor integrate hibride și monolitice)