Rozprava o osciloskopických sondách

Rozprava o osciloskopických sondách
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  409 zobrazení
7
 0
Rádioamatérov almanach

Sondy osciloskopu sú oveľa viac než kusom kábla s krokosvorkou, ktorá spájajú váš osciloskop s vašim signálom. Sú to vlastne mimoriadne dobre navrhnuté konektory, ktoré sú vyrobené na účely merania signálu bez ovplyvnenia meraného obvodu. Vplyv, ktorý môže mať vaša sonda na váš obvod, sa všeobecne nazýva zaťaženie obvodu. Na potlačenie tohto javu sú sondy vybavené tlmiacimi členmi. Atenuátor je zariadenie, ktoré je schopné znížiť amplitúdu signálu bez ovplyvnenia tvaru krivky, čo je pravým opakom zosilnenia.

Pri testovaní a meraní máme k dispozícii niekoľko typov sond, pričom hlavnými dvoma sú pasívne a aktívne sondy.

Pasívna sonda pracuje na minimalizácii účinku, ktorý bude mať na obvod. Robí to tak, že má zabudovaný atenuátor, ktorý však sťažuje meranie menších (~ 10 mV) signálov. Váš osciloskop bude vyžadovať, aby ste vybrali typ sondy a tlmiaci faktor, ktorý používate; to mu umožňuje primerane kompenzovať namerané hodnoty.

Aktívna sonda poskytuje zosilnenie (alebo inú funkciu) signálu pred jeho spracovaním na osciloskop. Inými slovami, pracuje na kompenzácii účinku, ktorý má na obvod a na jeho minimalizácii.

V každom prípade by ste sa pri pripájaní sond k vášmu prístroju mali riadiť pokynmi výrobcu, pretože sondy, ktoré odporúčajú, sú určené pre prácu s vašim osciloskopom.

Poďme na to...

Osciloskop je veľmi mocný nástroj - a pravdepodobne najpoužívanejšie zariadenie - pre elektrotechnikov alebo kohokoľvek iného, ​​kto chce merať elektrické vlastnosti elektronických zariadení. Potrebujete však viac ako iba osciloskop - potrebujete tiež aspoň jednu sondu.

Pri výbere sondy pre váš osciloskop je najlepšie skontrolovať príručku k osciloskopu a zistiť, aký druh sondy výrobca odporúča. Ak váš manuál nenájdete (čo sa často stáva), vyhľadajte odporúčania na webových stránkach výrobcu vášho osciloskopu.

Pri výbere sond je potrebné vziať do úvahy nasledujúce informácie:

  • Zaistite, aby sa vstupný konektor sondy zhodoval s konektorom vo vašom prístroji. Väčšina osciloskopov má konektory typu BNC; SMA je ďalšou možnosťou. Pozri obrázky nižšie.
  • Vyberte sondu, ktorej vstupný odpor a kapacita sa zhodujú so vstupným odporom a kapacitou vášho osciloskopu. Spravidla je potrebné, aby sonda mala najmenší vplyv na meraný obvod - toto sa označuje ako zaťažovací efekt. Zhoda odporu a kapacity je rozhodujúca pre zaručenie správneho prenosu signálu a presnosti signálu.

Konektor typu BNC (wikipedia)

Konektor typu SMA (wikipedia)

Väčšina moderných osciloskopov umožňuje zvoliť vstupný odpor 50 Ω alebo 1 MΩ. Na testovanie na všeobecné účely sa bežne používa vstup 1 MΩ. Vstupný odpor 50 Ω sa používa pre vysokorýchlostné signály, oneskorenia šírenia v logických obvodoch a testovanie impedancie obvodov.

Na rozdiel od štandardného vstupného odporu rozsahu 1 MΩ alebo 50 Ω sa vstupná kapacita rozsahu môže líšiť v závislosti od šírky pásma rozsahu a ďalších dizajnových vlastností. Z toho vyplýva, že spoločná vstupná kapacita pre mnoho osciloskopov 1 MΩ je 20pF. Táto hodnota sa však môže pohybovať od 5pF do 100pF. Najlepším prístupom na porovnanie sondy s osciloskopom je najskôr zvoliť sondu, ktorej kapacita je v rozsahu vášho osciloskopu, a potom jemne doladiť kapacitu sondy úpravou jej kompenzačnej siete pomocou trimovacieho kondenzátora sondy, ak je to možné. Tento proces sa nazýva kompenzácia sondy.

Koľko sond a aké typy potrebujete?

Koľko sond a typ sond budete možno potrebovať, závisí od situácie, ktorú máte k dispozícii. Napríklad, ak sú potrebné iba jednoduché merania jednosmerného napätia, bude potrebná pasívna jednosmerná napäťová sonda 1 MΩ. Ak však meriate časy nastavenia a podržania vysokorýchlostného signálu - napríklad dátové linky NAND na jednotke SSD (SSD disk), potom budete musieť použiť dve aktívne vysokorýchlostné diferenciálne sondy . Príklad tohto typu merania je uvedený na obrázku nižšie.

Aktívna diferenciálna sonda Tektronix. Obrázok z tohto technického listu (PDF). Všimnite si prepínač útlmu 10 × a 1 ×.

Vysokorýchlostné meranie času nastavenia a podržania napätia.

Pasívne sondy

Pasívne sondy sú najbežnejšie používané sondy na meranie na všeobecné účely. Pasívne sondy sú konštruované pomocou vodičov, konektorov, krytu a podľa potreby kompenzačných alebo útlmových rezistorov alebo kondenzátorov. V týchto typoch sond sa nepoužívajú žiadne aktívne komponenty - napríklad tranzistory alebo operačné zosilňovače. Všeobecne možno povedať, že pasívne sondy sú ľahko použiteľné, relatívne lacné a pomerne robustné.

Pasívne sondy sú zvyčajne k dispozícii v nasledujúcich konfiguráciách:

  • 1 ×: bez útlmu
  • 10 ×: faktor útlmo 10
  • 100 ×: faktor útlmu 100
  • 1 000 ×: faktor útlmu 1 000

Útlmové sondy slúžia na znásobenie rozsahu merania napätia osciloskopu pomocou vnútorného odporu, ktorý pri použití v spojení so vstupným odporom osciloskopu vytvára delič napätia. Napríklad typická 10 × sonda obsahuje vnútorný rezistor 9 MΩ, ktorý pri použití s ​​osciloskopom 1 MΩ vytvára na vstupnom kanáli osciloskopu útlm 10: 1. To znamená, že zobrazený signál v osciloskope bude 1/10 veľkosti skutočne nameraného signálu. Táto funkcia tlmenia je užitočná z nasledujúcich dôvodov:

  • Umožňuje meranie signálu, ktorý by mohol prekročiť limity osciloskopu.
  • Výsledkom obvodov útlmu je vyšší odpor (všeobecne dobrá vec) a nižšia kapacita, čo je dôležité pri vysokofrekvenčných meraniach.

Typické schematické znázornenie pasívnej sondy s útmom 10 ×nájdete na obrázku nižšie.

Typická schéma pasívnej sondy s útlmom 10 × .

Aktívne sondy

Aktívne sondy dostávajú svojho mena, pretože obsahujú aktívne komponenty, ako sú FET tranzistory alebo operačné zosilňovače (pozri obrázok nižšie). Aktívne sondy sa bežne používajú na vykonávanie vysokorýchlostných meraní (> 500 MHz) alebo na obvodoch s vysokou impedanciou. Pre také aplikácie nie sú pasívne sondy dostatočné: môžu spôsobiť vážne zaťaženie obvodu (pretože vstupná impedancia nie je výrazne vyššia ako výstupná impedancia obvodu) a zhoršenie vysokofrekvenčných charakteristík (pretože sonda má príliš veľkú kapacitu).

Aktívne sondy využívajú interné FET alebo iné aktívne komponenty, ktoré vykazujú extrémne vysoký vstupný odpor a nízku vstupnú kapacitu (~ 1 pF). Aktívne sondy sú napájané externe, čo im umožňuje zosilňovať signály bez použitia napájania z testovaného obvodu.

Typická schéma aktívnej sondy.

Aktívne sondy majú šírku pásma od 500 MHz do 4 GHz a zvyčajne majú výstupnú impedanciu 50 Ω (ktorá sa zhoduje so vstupnou impedanciou 50 Ω osciloskopu). Existujú však aj aktívne sondy s výstupnou impedanciou 1 MΩ (pozri obrázok nižšie).

Aktívna sonda (výstupná impedancia 1 MΩ). Obrázok od Teledynelecroy.com.

Jedným z obmedzení aktívnych sond, ako je vidieť na obrázku vyššie, je ich obmedzený rozsah napätia. Typicky je tento rozsah od ± 0,6 do ± 10 V s maximálnym napätím ± 40 V.

Diferenciálne sondy

Diferenciálne sondy merajú diferenciálne signály. To znamená, že merajú rozdiel medzi ľubovoľnými dvoma bodmi. To je na rozdiel od sondy s jedným koncom, ktorá meria rozdiel medzi jedným bodom a zemou. Diferenciálne sondy sú obzvlášť populárne na meranie vysokofrekvenčných signálov alebo signálov s veľmi nízkou amplitúdou (t. j. približujúcich sa k hladine šumu). Diferenciálne sondy používajú diferenciálny zosilňovač na prevod rozdielu medzi dvoma signálmi na napätie, ktoré je možné odoslať na typický jednostranný vstup osciloskopu. Pozri obrázok nižšie.

Diferenciálne sondy ponúkajú vysoký výkon v širokom frekvenčnom rozsahu.

Typická schéma aktívnej diferenciálnej sondy.

Prúdové sondy

Prúdová sonda poskytuje neinvazívnu metódu na meranie elektrického prúdu pretekajúceho vodičom. Sonda s jednosmerným prúdom využíva na meranie magnetického poľa generovaného jednosmerným prúdom pri prechode feritovým jadrom sondy Hallov efekt. Sonda striedavého prúdu používa na meranie prúdu striedavého prúdu, ktorý preteká jadrom sondy, prúdový transformátor. K dispozícii sú tiež prúdové sondy, ktoré merajú striedavý aj jednosmerný prúd.

Feritové jadrá v prúdových sondách sú v podstate rozrezané na polovicu, takže sa dá "otvoriť" jadro, čo umožňuje umiestniť testovaný vodič do jadra - jadro musí byť pred odčítaním aktuálnych hodnôt uzavreté.

Obrázok  nižšie zobrazuje vnútornú konštrukciu prúdovej sondy a ďalší obrázok ukazuje prístroje na meranie prúdu AC a DC.

Sonda na meranie prúdu Fluke.

Vľavo: prúdový transformátor pre meranie striedavého prúdu. Vpravo: Hallov snímač umiestnený vo vzduchovej medzere na meranie jednosmerného prúdu.

Ďalší príklad prúdovej sondy.

Na záver by som vám chcel dať niekoľko doporučení:

Vždy kompenzujte svoje sondy

  • Existujú malé vstupné variácie z osciloskopu do osciloskopu a dokonca aj medzi rôznymi kanálmi v rovnakom osciloskope. Na prekonanie týchto variácií je vždy vhodným  postupom kompenzovať sondu pre konkrétny kanál osciloskopu, ktorý budete používať.

Použite príslušné adaptéry hrotu sondy

  • Vždy, keď je to možné, používajte vhodný hrot sondy a / alebo adaptér hrotu sondy. Rôzne typy adaptérov nájdete na treťom obrázku vyššie.

Používajte čo najkratšie zemné vodiče

  • Zbytočne dlhé uzemňovacie káble sondy môžu zavádzať značnú indukčnosť, ktorá vedie k zvoneniu a / alebo skresleniu signálu. Pri meraní vysokorýchlostných signálov a signálov s nízkou amplitúdou je obzvlášť dôležité udržiavať krátke uzemňovacie vodiče sondy. Dlhé uzemňovacie káble sa správajú ako antény a môžu zachytávať šum, čo vedie k skresleniu signálu.

Ak s nami myslíte, že je tu niečo, čo by som mal pridať alebo zmeniť v tomto článku, odštartujte diskusiu na našom  fóre. Sme pripravení vytvárať vynikajúci obsah, ktorý naša komunita rada číta a reaguje naň! Pokiaľ sa vám článok páčil - nezabudnite ho ohodnotiť hviezdičkami, poprípade odmeňte autora - Ďakujeme.

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 200.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentára je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

PCBWay Promo
PCBWay Promo
PCBWay Promo
Minalox.sk Promo
Minalox.sk Promo
Minalox.sk Promo
Webwiki Button