Описание типов и способов использования пробоек осциллографа

Thread Content

В этой статье рассматриваются различные типы датчиков и способы их использования. Что такое датчик: осциллограф является самым часто используемым инструментом для измерений у электронных инженеров, а датчики для осциллографа, безусловно, являются его наиболее часто применяемыми комплектующими. Зонд осциллографа — это электронный компонент, соединяющий исследуемую схему с входом осциллографа. Без датчика осциллограф превращается в простой предмет декора, который может служить лишь украшением. Перед выбором пробки осциллографа лучше ознакомиться с инструкцией к осциллографу, чтобы узнать, какие пробки подходят для используемого нами осциллографа. Ниже приведены несколько моментов, которые, по нашему мнению, имеют важное значение при выборе датчика: необходимо убедиться, что интерфейс датчика совместим с интерфейсом нашего осциллографа. У большинства осциллографов интерфейс пробника — это BNC. У некоторых осциллографов может быть интерфейс SMA. Проверьте, соответствуют ли входное сопротивление и емкость выбранного датчика входному сопротивлению и емкости осциллографа. Потому что мы все хотим свести к минимуму влияние зонда на исследуемую схему. Степень согласованности импеданса и емкости датчика с осциллографом **влияет на точность измеряемого сигнала. https://pic3.zhimg.com/80/v2-5bcc1dd26e801a485478a93e375933d6_720w.jpg — разъем BNC.
https://pic2.zhimg.com/80/v2-9b2be07c20c56635b4b4f44e105f3bd9_720w.jpg — разъем SMA. Некоторые осциллографы позволяют менять входное сопротивление между значениями 50 Ω и 1 MΩ. Но для большинства измерений 1 МОм является наиболее распространенным значением. Входное сопротивление 50 Ом часто используется для измерения высокоскоростных сигналов, таких как микроволны. Также существуют такие аспекты, как задержка передачи сигналов в логических схемах и измерение импеданса печатных плат. Входное сопротивление осциллографа обычно может быть установлено на уровне 1 МОм или 50 Ом, однако входная емкость осциллографа зависит от частотного диапазона и других факторов конструкции. Как правило, у осциллографов с импедансом 1 МОм типичная емкость входа составляет 14 пФ. Это значение также может находиться в диапазоне от 5 пФ до 100 пФ. Поэтому, чтобы пробник соответствовал входной емкости осциллографа, перед его выбором необходимо узнать диапазон емкости пробника, а затем скорректировать её с помощью калибровочного стержня. Это и есть компенсация пробника, и это первый шаг, на который следует обратить внимание при его использовании. https://pic3.zhimg.com/80/v2-14b29ac4ba9de82d2878ffa2b6715896_720w.jpg Сколько же нам нужно датчиков и каких именно? В зависимости от наших потребностей в измерениях меняются и требования к количеству и типам датчиков. Это немного похоже на тех, кто пользуется фотоаппаратами с зеркалом: у него может быть всего один фотоаппарат, но при этом у него часто бывает множество объективов. Например, если речь идет лишь о простом измерении постоянного напряжения, то пассивный датчик с емкостью 1 МОм вполне подойдет. Однако, если при тестировании системы питания часто требуется измерять разницу напряжений между фазами или между фазой и нулевым (земляным) проводом в трехфазной сети, тогда нам необходимы дифференциальные датчики. https://pic1.zhimg.com/80/v2-ab82fabf5b83f636af4748700653c0d0_720w.jpg Дифференциальный датчик, пассивный датчик. Пассивные датчики являются наиболее распространенными; обычно при покупке осциллографа производитель поставляет их в комплекте. Типичные пассивные датчики состоят из головки датчика, кабеля датчика, устройства для компенсации или другой сети для регулировки сигнала, а также разъема для подключения датчика. В таких типах зондов не используются активные компоненты, такие как транзисторы или усилители, поэтому зонд не требует питания. В целом, пассивные датчики встречаются чаще, они проще в использовании и стоят дешевле. Распространенные значения коэффициента усиления для пассивных датчиков: 1×: без усиления; 10×: усиление в 10 раз; 100×: усиление в 100 раз; 1000×: усиление в 1000 раз. Пассивные напряженностные датчики обеспечивают различные коэффициенты усиления для разных диапазонов напряжений. Среди этих пассивных датчиков наиболее часто используется 10× пассивный датчик напряжения. Для приложений, в которых амплитуда сигнала составляет 1 В пик-то-пик или меньше, датчик 1× может оказаться более подходящим, а иногда и необходимым. В приложениях с смешанными сигналами низкой и средней амплитуды (от нескольких десятков милливольт до нескольких десятков вольт) гораздо удобнее использовать пробник с возможностью переключения 1×/10×. Однако сменный датчик 1×/10× по своей сути представляет собой два разных датчика в одном устройстве: не только коэффициенты затухания у них различаются, но также отличаются их полоса пропускания, время нарастания сигнала, а также характеристики импеданса (R и C). Поэтому эти датчики не могут полностью соответствовать входу осциллографа и не способны обеспечить такую же оптимальную производительность, какая достигается с использованием стандартных датчиков 10×. Снижение уровня сигнала на датчике осуществляется за счет внутренних резисторов, которые позволяют расширить диапазон измерения напряжения на осциллографе. Эти внутренние резисторы в сочетании с входными резисторами осциллографа образуют разделитель напряжений. Например, типичный датчик 10x оснащен внутренним резистором сопротивлением 9 МОм; при подключении к осциллографу с входным импедансом 1 МОм это приводит к созданию на входном канале осциллографа коэффициента усиления 10:1. Это означает, что сигнал, отображаемый на осциллографе, будет равен 1/10 от фактической амплитуды измеряемого сигнала, поэтому нам часто приходится в настройках каналов осциллографа устанавливать коэффициент усиления также в 10X. https://pic1.zhimg.com/80/v2-b1c2775303d05ff02ac85cd6ae76e714_720w.jpg Эта функция затухания позволяет нам измерять сигналы, чей уровень напряжения превышает пределы, заданные осциллографом. К тому же схема затухания приводит к более высокому сопротивлению (что обычно является плюсом) и более низкой емкости, что имеет важное значение для измерений на высоких частотах. https://pic1.zhimg.com/80/v2-84e3eaf69fc42a325ca52b2120dacee8_720w.jpg Схема пассивного датчика 10X. Активный датчик — это такой датчик, в котором имеются активные компоненты, такие как транзисторы и усилители; поэтому ему необходимо питание, отсюда и название «активный датчик». В наиболее распространенных случаях активным устройством является транзистор на основе эффекта поля (ПЭТ), который обеспечивает очень низкую емкость входа. Низкая емкость приводит к высокому входному импедансу в более широком диапазоне частот. Установленная полоса пропускания активных FET-датчиков обычно находится в диапазоне от 500 МГц до 4 ГГц. Помимо более высокой пропускной способности, высокое входное сопротивление активных FET-зондов позволяет проводить измерения в точках тестирования с неизвестным сопротивлением, при этом риск возникновения эффекта нагрузки значительно снижается. Кроме того, благодаря низкой емкости снижается влияние земляного провода, поэтому можно использовать более длинный земляной провод. У активных FET-зондов нет диапазона напряжений, как у пассивных зондов. Линейный диапазон динамического диапазона активных датчиков обычно находится в пределах от ±0,6 В до ±10 В. https://pic2.zhimg.com/80/v2-e96bb886ab825fb325891a67bd2763dd_720w.jpg Активный датчик, дифференциальный датчик. Дифференциальный датчик измеряет дифференциальные сигналы. Дифференциальные сигналы — это сигналы, которые сравниваются друг с другом, а не с землёй. Дифференциальный датчик может измерять сигналы плавающих устройств; по сути, он состоит из двух симметричных напряженностных датчиков, обеспечивающих хорошую изоляцию между собой и высокий импеданс. Дифференциальный датчик может обеспечивать высокий коэффициент подавления совместных сигналов (CMRR) в более широком диапазоне частот. По сравнению с обычными одноэндовыми сигналами, дифференциальные сигналы имеют три основных преимущества: высокая стойкость к помехам, поскольку между двумя линиями дифференциальной передачи существует хорошая связь; при наличии внешних шумов они попадают на обе линии почти одновременно, а на приемнике важна лишь разница между двумя сигналами, благодаря чему внешние шумы можно максимально нивелировать. Это позволяет эффективно снижать уровень EMI. По той же причине, поскольку полярности двух сигналов противоположны, создаваемые ими электромагнитные поля могут нейтрализовать друг друга. Чем теснее связь между этими сигналами, тем меньше электромагнитной энергии выходит наружу. Точность определения времени сигнала высока: изменения уровня дифференциального сигнала происходят в точке пересечения двух сигналов, в отличие от обычных одноэндовых сигналов, где для определения уровня используются два пороговых значения напряжения. Благодаря этому на точность времени сигнала меньше влияют факторы производства и температура. Кроме того, такой подход более подходит для схем, работающих с сигналами низкой амплитуды. Популярный в настоящее время LVDS — это именно технология дифференциальных сигналов с небольшой амплитудой. Принцип дифференциального усиления заключается в том, что пара сигналов одновременно подаются в усилительную схему, после чего они вычитаются друг из друга, в результате чего получается исходный сигнал. Дифференциальный усилитель — это усилитель, состоящий из двух транзисторов с одинаковыми параметрами, соединенных в режиме прямой связи. Если на два входа подавать сигналы одинаковой амплитуды и фазы, выход будет равен нулю, тем самым устраняя смещение нуля. https://pic2.zhimg.com/80/v2-5a7ee42e83fcb4fb943faa210f13ca5d_720w.jpg Схема принципа дифференциального датчика. Датчик тока. Возможно, вы подумаете, что для определения значения тока достаточно измерить напряжение с помощью датчика напряжения и разделить это значение на значение импеданса, который необходимо измерить. Тогда зачем вообще использовать специальный датчик тока? Поскольку на самом деле ошибка, вносимая таким способом измерения, очень велика, мы обычно не используем метод преобразования напряжения в ток. Токовый датчик может с высокой точностью измерять форму тока путем использования токового трансформатора в качестве входного устройства: магнитный поток сигнального тока преобразуется трансформатором в напряжение, после чего усилитель, расположенный внутри датчика, усиливает это напряжение и передает его на осциллограф. Токовые зонды в основном делятся на две категории: зонды для измерения переменного тока и зонды для измерения как переменного, так и постоянного тока. Зонды для измерения переменного тока обычно являются пассивными устройствами, которым не требуется внешнее питание, в то время как зонды для измерения переменного и постоянного тока, как правило, являются активными устройствами. Традиционные токовые пробои могут измерять только переменные сигналы, поскольку стабильный постоянный ток не способен генерировать ток в трансформаторе тока. В трансформаторе с переменным током по мере изменения направления тока происходит изменение электрического поля, что приводит к возникновению напряжения. Однако в полупроводниковых устройствах с эффектом Холла, где происходит смещение тока, возникает напряжение, соответствующее постоянному электрическому полю. Следовательно, датчик постоянного тока — это активное устройство, которое требует внешнего источника питания. https://pic1.zhimg.com/80/v2-e2c5d62db7fcb382c6c0dad241da0a4c_720w.jpg Датчики переменного и постоянного тока. Наконец, давайте рассмотрим несколько рекомендаций, касающихся датчиков: необходимо правильно настроить компенсацию датчика. Емкость входа осциллографа может различаться; даже в одном и том же осциллографе у разных каналов могут быть незначительные отличия. Чтобы решить эту проблему, умение вносить коррективы в параметры датчика является одним из самых основных навыков, которыми должен владеть инженер. При подключении датчика к испытуемой схеме его контакт, предназначенный для заземления, обязательно должен быть соединен с земляным проводом испытуемой схемы. В противном случае, в состоянии подвеса, разница потенциалов между осциллографом и другими устройствами или землей может привести к электрошоку или повреждению осциллографа, датчиков или других устройств. Постарайтесь разместить провод заземления датчика как можно ближе к месту измерения. Чрезмерная длина провода заземления может привести к искажениям формы сигнала, таким как резонанс или импульсы. Когда оба тестовых точек не находятся на уровне заземления, необходимо проводить измерения в режиме «плавающего» уровня, также называемые дифференциальными измерениями; для этого требуются специализированные дифференциальные датчики. Датчик играет ключевую роль в измерениях на осциллографе: прежде всего, от него требуется минимизировать влияние на исследуемую схему, а также обеспечивать достаточную точность измеряемых значений. Если датчик каким-либо образом изменяет сигнал или способ работы цепи, осциллограф будет видеть сильно искаженный реальный сигнал, что в свою очередь может привести к неверным или вводящим в заблуждение результатам измерений. Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что при выборе датчика и его правильном использовании существует множество аспектов, на которые стоит обратить внимание.