Bez ohľadu na triedu zariadení na analýzu určitých signálov je potrebné priviesť vyšetrované signály na vstupy zariadenia. Ich zdroje sa veľmi zriedka dajú priblížiť k vstupom osciloskopov a analyzátorov. Často sa nachádzajú vo vzdialenosti od zlomku metra do niekoľkých metrov. To znamená, že medzi zdrojmi signálu a vstupmi osciloskopu a analyzátorov sú potrebné špeciálne porovnávacie zariadenia.
Sondy sa zvyčajne používajú na tieto dôležité účely:
- diaľkové pripojenie osciloskopu k výskumnému objektu;
- zníženie citlivosti kanálov vertikálneho (niekedy horizontálneho) vychýlenia a štúdium signálov zvýšenej úrovne (pasívne sondy);
- odpojenie meracích obvodov od uzlov osciloskopu (optické sondy);
- veľký útlm signálu a výskum signálov vo vysokonapäťových obvodoch (vysokonapäťové sondy);
- zvýšenie vstupnej impedancie a zníženie vstupnej kapacity (kompenzované rozdeľovače a opakovacie sondy);
- korekcia amplitúdovo-frekvenčnej charakteristiky systému sonda-osciloskop;
- získanie prúdových oscilogramov (prúdové sondy);
- izolácia antifázových signálov a potlačenie signálov spoločného režimu (diferenciálne sondy);
- zvýšenie citlivosti osciloskopov (aktívne sondy);
- špeciálne účely (napríklad priradenie výstupov zdrojov širokopásmového signálu k 50-ohmovému vstupu osciloskopu).
Je zrejmé, že úloha sond je veľmi dôležitá a niekedy rovnako dôležitá ako samotné osciloskopy a analyzátory. Úloha sond je však často podceňovaná, čo je pre začínajúcich používateľov týchto zariadení vážnou chybou. Nasledujú hlavné typy sond a ďalšieho príslušenstva pre osciloskopy, analyzátory signálu a spektra a logické analyzátory.
Kompenzované oddeľovacie sondy
Najjednoduchším a najdlhšie používaným typom sondy je pasívna sonda s kompenzovaným deličom napätia - pozri obrázok 5.1. Delič napätia je postavený na rezistoroch R1 a R2 a R2 môže byť jednoducho vstupný odpor osciloskopu.
Obrázok: 5.1. Kompenzovaný obvod rozdeľovača
Parametre DC deliča sa počítajú podľa vzorcov:
Napríklad ak R2 \u003d 1 MΩ a R1 \u003d 9 MΩ, potom má RVX \u003d 10 MΩ a KD \u003d 1/10. Vstupná impedancia sa teda zvýši 10-krát, ale úroveň napätia dodávaného na vstup osciloskopu tiež 10-krát poklesne.
Všeobecne (na striedavý prúd) pre prenosový koeficient deliča môžete napísať výraz (τ1 \u003d R1C1 a τ2 \u003d C2R2):
. (5.3)
S rovnosťou časových konštánt τ1 a τ2 teda prestupový koeficient deliča prestáva závisieť od frekvencie a rovná sa jeho hodnote pri jednosmernom prúde. Takýto rozdeľovač sa nazýva kompenzovaný. Kapacita C2 je celková kapacita kábla, elektrického vedenia a vstupná kapacita osciloskopu. V praxi je na dosiahnutie kompenzačnej podmienky potrebné upraviť kapacitu C1 (alebo C2), napríklad pomocou trimera kondenzátora s premenlivou kapacitou - trimra (pozri obr. 5.2.). Nastavenie sa vykonáva špeciálnym plastovým skrutkovačom, ktorý je súčasťou súpravy príslušenstva sondy. Obsahuje rôzne tipy, adaptéry, farebné nálepky a ďalšie užitočné „drobnosti“.
Obrázok: 5.2. HP-9250 Standard Passive Frequency Divider Design
Pri kompenzácii skreslenia pravouhlého impulzu (meandru), ktorý zvyčajne vytvára kalibrátor zabudovaný do osciloskopu, nie sú žiadne (pozri obr. 5.3). Keď vrchol pulzu klesne, pozoruje sa podkompenzácia a pri jej zvýšení sa pozoruje nadmerná kompenzácia. Charakter oscilogramov je tiež znázornený na obr. 3 (odobraté pomocou osciloskopu TDS 2024 so sondou P2200). Odporúča sa kompenzovať čo najväčší obraz krivky príslušného kanálu.
Obrázok: 5.3. Oscilogramy impulzov z kalibrátora osciloskopu Tektronix TDS 2024 pri rôznych stupňoch kompenzácie (zhora nadol): normálna kompenzácia, nadmerná kompenzácia a nedostatočná kompenzácia
Pri práci s viackanálovým osciloskopom používajte sondy jednotlivo pre každý kanál. Aby ste to dosiahli, musia byť označené (ak to nie je urobené vo výrobe) sondy nálepkami rôznych farieb, ktoré obvykle zodpovedajú farbám oscilogramových čiar. Ak sa toto pravidlo nedodrží, kompenzácia bude nepresná kvôli nevyhnutnej zmene vstupných kapacít každého kanála.
Pre rozdeľovač 1:10 musí byť R1 9R2. To znamená, že kapacita C1 musí byť 9-krát menšia ako vstupná kapacita C2. Vstupná kapacita rozdeľovača je určená sériovým pripojením C1 a C2:
(5.4)
Približná hodnota platí pre KD "1 a C1" C2. Pri KD \u003d 10 je vstupná kapacita deliča takmer 10-krát menšia ako vstupná kapacita osciloskopu. Malo by sa pamätať na to, že C2 zahŕňa nielen skutočnú vstupnú kapacitu osciloskopu, ale aj kapacitu C1 zvyšuje o veľkosť montážnej kapacity. Preto v skutočnosti pokles vstupnej kapacity rozdeľovača v porovnaní so vstupnou kapacitou osciloskopu nebude taký citeľný. To je však práve to, čo vysvetľuje významné zníženie skreslenia okrajov impulzov pri práci s deličom.
Zvýšenie aktívnej zložky vstupného odporu deliča nie je vždy užitočné, pretože vedie aj k zmene zaťaženia testovaného zariadenia a k získaniu rôznych výsledkov pri absencii deliča a pri jeho použití. Preto sú rozdeľovače často navrhnuté tak, aby vstupná impedancia osciloskopu zostala nezmenená tak pri prevádzke bez deliča, ako aj pri práci s ním. V tomto prípade delič nezvyšuje vstupnú impedanciu osciloskopu, ale stále znižuje vstupnú kapacitu.
Zvyšovanie úrovne študovaných signálov
Maximálne napätie na vstupe osciloskopu je určené súčinom počtu dielikov jeho stupnice s koeficientom vertikálneho vychýlenia. Napríklad, ak je počet dielikov stupnice 10 a koeficient odchýlky 5 V / div, potom je plný výkyv napätia na vstupe 50 V. Často to nestačí na štúdium signálov ani pri mierne vysokej úrovni - vyššie desiatky voltov.
Väčšina sond vám umožňuje zvýšiť maximálne vyšetrované napätie pri jednosmernom prúde a nízkej frekvencii z desiatok V na 500 - 600 V. Avšak pri vysokých frekvenciách jalový výkon (a činný výkon uvoľnený pri strate odporu kondenzátorov sondy) sa prudko zvyšuje a musíte znížiť maximálne napätie na vstupe sondy - pozri obrázok 5.4. Ak túto okolnosť nezohľadníte, môžete sondu jednoducho spáliť!
Obrázok: 5.4. Frekvenčná závislosť maximálneho napätia na vstupe sondy
Nikdy neprekračujte maximálne napätie na vstupe sondy pri vysokých frekvenciách signálu. Mohlo by to prehriať sondu a poškodiť ju.
Sondy vysokého napätia sú typom pasívnej sondy. Zvyčajne majú deliaci pomer 1/100 alebo 1/1000 a vstupnú impedanciu 10 alebo 100 MΩ. Deliace rezistory sondy s nízkym výkonom zvyčajne odolávajú bez prerušenia napätia až 500 - 600 V. Preto vo vysokonapäťových sondách musí byť rezistor R1 (a kondenzátor C1) vyrobený pomocou sériovo zapojených komponentov. To zvyšuje veľkosť hlavy sondy.
Pohľad na vysokonapäťovú sondu Tektronix P6015A je znázornený na obr. 5.5. Sonda má dobre izolované puzdro s vyčnievajúcim krúžkom, ktoré zabraňujú skĺznutiu prstov k zachytenému obvodu. Sondu je možné použiť do 20 kV ss a do 40 kV vo vysokom pracovnom cykle. Frekvenčný rozsah osciloskopu s takouto sondou je obmedzený na 75 MHz, čo je viac ako dosť na meranie vo vysokonapäťových obvodoch.
Obrázok: 5.5. Vzhľad vysokonapäťovej sondy Tektronix P6015A
Pri práci s vysokonapäťovými sondami postupujte podľa maximálnych bezpečnostných opatrení. Najprv pripojte uzemňovací vodič a až potom pripojte hrot sondy k bodu, kde chcete získať napäťový oscilogram. Pri meraní sa odporúča zabezpečiť sondu a všeobecne si z nej dať ruky.
Vysokonapäťové sondy sú k dispozícii pre digitálne aj analógové osciloskopy. Napríklad sonda HV-P30 je k dispozícii pre jedinečné širokopásmové analógové osciloskopy rady ACK7000 / 8000 so šírkou pásma až 50 MHz, pomerom rozdelenia 1/100, maximálnym sínusovým napätím (špička-špička) 30 kV a maximálne impulzné napätie až 40 kV. Vstupná impedancia sondy 100 MΩ, vstupná kapacita 7 pF, dĺžka kábla 4 m, výstupný konektor BNC. Ďalšiu sondu HV-P60 s pomerom 1/2000 je možné použiť pre maximálne napätie do 60 kV pre sínusovú vlnu a do 80 kV pre impulzný signál. Vstupná impedancia sondy je 1 000 MΩ, vstupná kapacita je 5 pF. Vážnosť týchto výrobkov veľavravne naznačuje ich vysoká cena - okolo 66 000 a 124 000 rubľov (podľa cenníka Elixu).
Frekvenčne korigované sondy
Na korekciu frekvenčnej odozvy osciloskopov sa často používajú pasívne sondy. Niekedy sa jedná o korekciu určenú na rozšírenie frekvenčného pásma, ale častejšie sa rieši inverzný problém - zúženie frekvenčného pásma na zníženie účinku šumu pri pozorovaní nízkoúrovňových signálov a elimináciu rýchlych rázov na okrajoch pulzných signálov.
Tieto sondy (P2200) sú súčasťou bežných prúdových osciloskopov Tektronix TDS 1000B / 2000B. Ich vzhľad je znázornený na obr. 5.6.
Hlavné parametre sond sú uvedené v tabuľke. 5.1.
Tabuľka 5.1. Základné parametre pasívnych sond P2200
Obrázok: 5.6. Pasívna sonda P2200 so zabudovaným dolnopriepustným filtrom v polohe prepínača 1/10 delenia napätia
Od stola. 5.1 je zrejmé, že použitie sondy s deliacim faktorom 1/1 je vhodné iba pri štúdiu nízkofrekvenčných zariadení, keď postačuje frekvenčné pásmo do 6,5 MHz. Vo všetkých ostatných prípadoch sa odporúča prevádzkovať sondu s faktorom delenia 1/10. V tomto prípade sa vstupná kapacita zníži z 110 pF na asi 15 pF a frekvenčné pásmo sa rozšíri z 6,5 MHz na 200 MHz. Oscilogramy meandra s frekvenciou 10 MHz, zobrazené na obr. 5.7., Dobre ilustrujte stupeň skreslenia oscilogramov v dielkoch 1/10 a 1/1. V obidvoch prípadoch sa použilo štandardné pripojenie sondy so zapojovacou tryskou a dlhým uzemňovacím drôtom (10 cm) s krokodílom. Štvorcová vlna s dobou nábehu 5 ns sa získala z generátora Tektronix AFG 3101.
Obrázok: 5.7. 10 MHz obdĺžnikový osciloskop s použitím 200 MHz Tektronix TDS 2024B osciloskopu so sondami P2200 v divíziách 1/10 (horná stopa) a 1/1 (dolná stopa)
Je ľahké vidieť, že v oboch prípadoch sú oscilogramy pozorovaného signálu (a sú blízke ideálu pre generátory AFG 3101 s frekvenciou 10 MHz a s hladkými špičkami bez náznaku zvonenia). Povaha skreslenia je však iná. Keď je delič 1/10, tvar vlny je blízky štvorcovej vlne a má krátke hrany, ale je skreslený tlmenými kmitmi vznikajúcimi z indukčnosti dlhého uzemňovacieho drôtu - obr. 8. A v polohe deliča 1/1 zmizli tlmené oscilácie, ale zreteľne je zreteľné výrazné zvýšenie časovej konštanty systému „sonda-osciloskop“. Výsledkom je, že namiesto meandra sú pozorované pulzy zubov s exponenciálnym rastom a poklesom.
Obrázok: 5.8. Schéma zapojenia sondy k záťaži RL
Sondy so zabudovanou korekciou by sa mali používať striktne na určený účel, berúc do úvahy veľký rozdiel vo frekvenčných charakteristikách v rôznych polohách deliča napätia.
Zohľadnenie parametrov sondy
Typické údaje obvodu uvádzame na obr. 5.8: vnútorný odpor zdroja signálu Ri \u003d 50 Ohm, odpor záťaže RL \u003e\u003e Ri, vstupná impedancia sondy RP \u003d 10 MΩ, vstupná kapacita sondy CP \u003d 15 pF. S takýmito údajmi prvkov obvodu sa degeneruje do sériového oscilačného obvodu obsahujúceho odpor R≈Ri, indukčnosť uzemňovacieho vodiča L≈LG (asi 100 - 120 nH) a kapacitu C≈CP.
Ak sa na vstup takéhoto obvodu aplikuje ideálny pokles napätia E, potom bude časová závislosť napätia na C (a na vstupe osciloskopu) vyzerať takto:
(5.5)
Výpočty ukazujú, že táto závislosť môže mať významný prekročenie pri veľkom L a malom R, čo je možné pozorovať v hornom oscilograme na obr. 5.7. Pri α / δ \u003d 1 nie je tento nárast vyšší ako 4% amplitúdy poklesu, čo je celkom uspokojivý indikátor. Za týmto účelom musí byť hodnota L \u003d LG zvolená rovná sa:
Napríklad, ak C \u003d 15 pF a R \u003d 50 ohmov, potom L \u003d 19 nH. Na zníženie L na takúto hodnotu (z typického rádu 100 - 120 nH pre uzemňovací drôt dlhý 10 cm) je potrebné skrátiť uzemňovací (prípadne signálny) drôt na dĺžku menšiu ako 2 cm. , odstráňte hrot z hlavy sondy a prestaňte používať štandardné uzemňovacie vodiče. Začiatok sondy v tomto prípade bude predstavovať kontaktná ihla a valcový uzemňovací pásik (obrázok 5.9) s nízkou indukčnosťou.
Obrázok: 5.9. Hlava sondy s odstránenou špičkou (vľavo) a koaxiálny adaptér (vpravo)
Účinnosť opatrení použitých na boj proti „zvoneniu“ je znázornená na obr. 5.10. Zobrazuje oscilogramy štvorcových vĺn 10 MHz, keď je sonda zapnutá normálne a zapnutá s odstránenou sondou a bez dlhého uzemňovacieho vodiča. Takmer úplné vylúčenie zjavných tlmených oscilačných procesov je zreteľne vidieť na spodnom oscilograme. Malé zvlnenie v hornej časti je spôsobené vlnami v koaxiálnom prepojovacom kábli, ktorý v týchto sondách pracuje bez prispôsobenia výstupu, čo spôsobuje odrazy signálu.
Obrázok: 5.10. Oscilogramy 10 MHz štvorcovej vlny, keď je sonda normálne zapnutá (horný oscilogram) a zapnutá s odstránenou tryskou a bez dlhého uzemňovacieho drôtu (dolný oscilogram)
Ak chcete získať oscilogramy s extrémne krátkymi časmi nábehu a „zvonením“, mali by ste prijať opatrenia na čo najväčšie zníženie indukčnosti meraného obvodu: odstráňte hrot sondy a pripojte sondu pomocou ihly a cylindrickej uzemňovacej vložky. Mali by sa prijať všetky možné opatrenia na zníženie indukčnosti obvodu, v ktorom je signál pozorovaný.
Dôležitými parametrami systému sonda-osciloskop sú doba nábehu systému (na úrovniach 0,1 a 0,9) a šírka pásma alebo maximálna frekvencia (na úrovni rozvinutia citlivosti o 3 dB). Pomocou známej hodnoty rezonančnej frekvencie obvodu
, (5.7)
potom hodnota R môže byť vyjadrená ako rezonančná frekvencia obvodu, ktorá určuje limitnú frekvenciu dráhy vychyľovacieho systému:
. (5.8)
Nie je ťažké dokázať, že čas, aby napätie u (t) dosiahlo hodnotu E amplitúdy poklesu, sa bude rovnať:
. (5.10)
Táto hodnota sa zvyčajne berie ako čas ustálenia sondy s optimálnou prechodnou odozvou. Celkový čas nábehu osciloskopu so sondou možno odhadnúť ako:
, (5.11)
kde tosc je doba nábehu osciloskopu (keď je signál privádzaný priamo na vstup príslušného kanálu). Horná medzná frekvencia fmax (ktorá je tiež frekvenčným pásmom) je definovaná ako
. (5.12).
Napríklad osciloskop s t0 \u003d 1 ns má fmax \u003d 350 MHz. Niekedy sa multiplikátor 0,35 zvýši na 0,4-0,45, pretože frekvenčná odozva mnohých moderných osciloskopov s fmax\u003e 1 GHz sa líši od gaussovského multiplikátora, ktorý sa vyznačuje multiplikátorom 0,35.
Nezabudnite na ďalší dôležitý parameter sond - čas oneskorenia signálu tc. Tento čas je určený predovšetkým lineárnou dobou oneskorenia (na 1 m dĺžky kábla) a dĺžkou kábla. Spravidla sa pohybuje od jednotiek do desiatok ns. Aby sa zaistilo, že oneskorenie neovplyvní relatívnu polohu oscilogramov na displeji viackanálového osciloskopu, musíte použiť sondy rovnakého typu s káblami rovnakej dĺžky vo všetkých kanáloch.
Pripojenie sond k zdrojom signálu
Sondy môžu byť pripojené k požadovaným bodom skúmaných zariadení pomocou rôznych špičiek, nástavcov, háčikov a „mikrokrokodílov“, ktoré sú často súčasťou súpravy príslušenstva sondy. Najčastejšie sa však najpresnejšie merania uskutočňujú pripojením k primárnej ihle sondy - pozri obr. 5,11 alebo dve ihly. Pri vývoji vysokofrekvenčných a impulzných zariadení na doske s plošnými spojmi sú na to určené špeciálne kontaktné podložky alebo pozlátené otvory.
Obrázok: 5.11. Pripojenie sondy k podložkám dosky plošných spojov testovaného zariadenia
V dnešnej dobe je obzvlášť dôležité pripojiť sondy ku kontaktným plochám miniatúrnych dosiek plošných spojov, hybridných a monolitických integrovaných obvodov).