Sonda do oscyloskopu - wszystko do musisz wiedzieć
Główną rolą sondy do oscyloskopu jest podłączenie testowanego urządzenia docelowego (DUT) do wejścia oscyloskopu, dzięki czemu można odebrać sygnał z DUT i wyświetlić przebieg na ekranie oscyloskopu.
Należy jednak pamiętać, że sonda oscyloskopowa to nie tylko kawałek drutu z przymocowaną do niego zaostrzoną końcówką. Większość oscyloskopów o szerokości pasma ≤1 GHz jest standardowo wyposażona w jedną pasywną sondę o wysokiej impedancji na każdy kanał oscyloskopu. Jest to sonda, której użyje większość elektroników.
Rezystancja końcówki sondy wynosi zwykle 9 MΩ i tworzy współczynnik dzielnika rezystora 10:1 z wejściem oscyloskopu 1 MΩ. Sygnał wejściowy do sondy jest tłumiony o współczynnik 1 MΩ/ (9 MΩ + 1 MΩ). Na przykład, jeśli sondujesz sygnał 10 V za pomocą sondy o współczynniku tłumienia 10:1, powinieneś mieć sygnał 1 V pochodzący z sondy, która jest doprowadzona do wejścia oscyloskopu. Za końcówką sondy znajduje się kabel o wysokiej impedancji. Terminal przyłączeniowy lub interfejsu na końcu kabla sondy łączy się z wejściem oscyloskopu.
Rysunek 1. Uproszczony schemat sondy wysokoimpedancyjnej z tłumieniem 10:1
Podstawową cechą tej sondy jest bardzo wysoka impedancja. Przy DC impedancja wejściowa sondy ma rezystancję 10 MΩ, a wraz ze wzrostem częstotliwości impedancja wejściowa sondy spada wraz ze wzrostem reaktancji pojemnościowej sondy.
Standardowa sonda pasywna jest najbardziej wytrzymałą, elastyczną i niedrogą sondą, która zapewnia również bardzo szeroki zakres dynamiki sygnału wejściowego, co czyni tę sondę doskonałym wyborem do sondowania ogólnego przeznaczenia.
Kompensacja sondy do oscyloskopu
Większość standardowych sond pasywnych posiada regulowany kondensator kompensacyjny do dopasowywania współczynnika RC do pojemności wejściowej oscyloskopu. Regulowany kondensator kompensacyjny sondy można regulować, aby anulować pojemność wejściową oscyloskopu. Aby skompensować sondę, sonda oscyloskopowa jest podłączona do zacisku kompensacji sondy, aby fala prostokątna wyglądała jak najbardziej kwadratowa i płaska. Przed wykonaniem jakichkolwiek pomiarów oscyloskopowych, należy podłączyć sondy do sygnału kompensacji sondy na przednim panelu, aby upewnić się, że są odpowiednio wyregulowane.
Rysunek 2. Dobrą praktyką jest podłączenie sond do sygnału kompensacji sondy na przednim panelu oscyloskopu, aby upewnić się, że są odpowiednio wyregulowane.
Sonda oscyloskopowa z dwoma współczynnikami tłumienia
Większość standardowych sond pasywnych do oscyloskopu zapewnia podwójny współczynnik tłumienia – wybierany przez użytkownika zakres 10:1 i 1:1. Standardowa sonda pasywna zwykle. Sonda 1:1/10:1 ma przełącznik, który wstawia szeregowo z sygnałem rezystor 9 MΩ. W oscyloskopie znajduje się rezystor 1 MΩ do tworzenia współczynnika tłumienia wejściowego 10:1. W trybie 1:1 nie ma rezystora szeregowego po stronie sondy, a całkowita rezystancja DC widziana z końcówki sondy wynosi tylko 1 MΩ na wejściu oscyloskopu.
Rysunek 3. Pasywne sondy Keysight N2140A i N2142A o podwójnym współczynniku tłumienia, które zapewniają wygodę tłumienia 10:1 i 1:1.
Ogólnie rzecz biorąc, tryb sondy 1:1 zapewnia niższy poziom szumów, dzięki czemu idealnie nadaje się do pomiaru sygnałów o niskim poziomie, takich jak tętnienie i szum zasilacza. Jednak tryb 1:1 wygeneruje znaczną ilość pojemności pojawiającą się równolegle z wejściem oscyloskopu, co spowoduje zmniejszenie szerokości pasma do około 25 MHz.
W poniższym przykładzie sonda 10:1/1:1 jest używana do pomiaru szumu wyjściowego zasilacza przy każdym ustawieniu współczynnika tłumienia. W trybie 1:1 zmierzony szum jest mniejszy, to niecała połowa szumu zmierzonego w trybie 10:1.
Rysunek 4. Oscyloskop i szum podstawowy sondy z sondą 10:1.
Rysunek 5. Oscyloskop i szum podstawowy sondy z sondą 1:1.
Zrozumienie ładowania sondy
Po podłączeniu sondy oscyloskopowej do obwodu, sonda staje się częścią testowanego obwodu, a charakterystyka elektryczna sondy wpływa na ogólną odpowiedź pomiaru. Efekty te mogą pogorszyć dokładność pomiaru i działanie, ponieważ nowy obwód zawierający sondę będzie zachowywał się inaczej niż obwód bez sondy. Jest to szczególnie ważne podczas testowania sygnałów o wyższej częstotliwości.
Wszystkie sondy posiadają obciążenie rezystancyjne, pojemnościowe i indukcyjne. Wyzwaniem jest zapewnienie, aby te efekty pozostały w dopuszczalnych granicach. Ładowanie rezystancyjne jest zwykle najmniej niepokojącym z trzech efektów obciążenia, o ile do pomiaru sygnałów o niskiej prędkości używana jest pasywna sonda o wysokiej impedancji. Najczęstszy efekt obciążenia rezystancyjnego wynika z dzielnika napięcia składającego się z rezystancji wyjściowej obwodu i rezystancji wejściowej sondy.
Zsource to impedancja źródła testowanego obwodu. Im niższa rezystancja sondy w stosunku do Zsource, tym bardziej obciążenie sondy zmniejsza amplitudę mierzonego przebiegu. Na przykład, jeśli Zsource wynosi 1 MΩ, a Zprobe wynosi 10 MΩ, zmierzona amplituda jest o około 9% mniejsza niż rzeczywista wartość przed sondowaniem sygnału.
Rysunek 6. Elementy rezystancyjne, pojemnościowe i indukcyjne sondy mogą zmieniać odpowiedź testowanego obwodu, w zależności od tego, jak bardzo sonda obciąża obwód.
Przy DC rezystancja sondy określa jej impedancję wejściową i charakterystykę obciążenia. Podczas gdy reaktancja pojemnościowa sondy nie ma wpływu na pomiar, ponieważ reaktancja pojemności (Xc) jest nieskończona przy DC. Jednak wraz ze wzrostem częstotliwości reaktancja pojemnościowa maleje i staje się głównym źródłem obciążenia, pobierając coraz więcej energii z testowanego obwodu.
Jeśli wykonałeś pomiar, możesz zobaczyć dzwonienie przebiegu. Czy źródłem jest Twój obwód, czy z sonda? Trudno to rozszyfrować, ale to ważne pytanie. Obciążenie indukcyjne często pojawia się jako dzwonienie w obserwowanym przebiegu. Źródłem dzwonienia jest obwód rezonansowy LC, który składa się z wewnętrznej pojemności sondy i przewodu uziemiającego oraz indukcyjności końcówki sondy. Częstotliwość dzwonienia prostego obwodu LC wynosi:
Gdzie Fring to częstotliwość w Hz, L to indukcyjność w Henrach, a C to pojemność w Faradach.
Przewód uziemiający jest często głównym źródłem obciążenia indukcyjnego. Zwykła zmiana przewodu masy na krótszy może zmienić mierzony przebieg. Jeśli tak się stanie, prawdopodobnie masz problem z ładowaniem indukcyjnym, a nie z obwodem.
Wnioski
Ważne jest, aby wybrać sondę mądrze i używać jej w sposób zapewniający najbardziej wiarygodne pomiary. Połączenie odpowiedniej sondy z odpowiednim oscyloskopem pozwala uzyskać najdokładniejsze pomiary oscyloskopowe.
Poznałeś teorię pasywnego działania sondy oraz korzyści płynące z kompensacji sondy przed pomiarem. Sondy o podwójnym współczynniku tłumienia zapewniają wygodę w zakresie współczynnika tłumienia 10:1 i 1:1 w jednym opakowaniu. Bardzo ważne jest zrozumienie elektrycznego zachowania sondy, ponieważ może to wpływać na wyniki pomiarów i działanie obwodu.
Należy jednak pamiętać, że sonda oscyloskopowa to nie tylko kawałek drutu z przymocowaną do niego zaostrzoną końcówką. Większość oscyloskopów o szerokości pasma ≤1 GHz jest standardowo wyposażona w jedną pasywną sondę o wysokiej impedancji na każdy kanał oscyloskopu. Jest to sonda, której użyje większość elektroników.
Rezystancja końcówki sondy wynosi zwykle 9 MΩ i tworzy współczynnik dzielnika rezystora 10:1 z wejściem oscyloskopu 1 MΩ. Sygnał wejściowy do sondy jest tłumiony o współczynnik 1 MΩ/ (9 MΩ + 1 MΩ). Na przykład, jeśli sondujesz sygnał 10 V za pomocą sondy o współczynniku tłumienia 10:1, powinieneś mieć sygnał 1 V pochodzący z sondy, która jest doprowadzona do wejścia oscyloskopu. Za końcówką sondy znajduje się kabel o wysokiej impedancji. Terminal przyłączeniowy lub interfejsu na końcu kabla sondy łączy się z wejściem oscyloskopu.
Rysunek 1. Uproszczony schemat sondy wysokoimpedancyjnej z tłumieniem 10:1
Podstawową cechą tej sondy jest bardzo wysoka impedancja. Przy DC impedancja wejściowa sondy ma rezystancję 10 MΩ, a wraz ze wzrostem częstotliwości impedancja wejściowa sondy spada wraz ze wzrostem reaktancji pojemnościowej sondy.
Standardowa sonda pasywna jest najbardziej wytrzymałą, elastyczną i niedrogą sondą, która zapewnia również bardzo szeroki zakres dynamiki sygnału wejściowego, co czyni tę sondę doskonałym wyborem do sondowania ogólnego przeznaczenia.
Kompensacja sondy do oscyloskopu
Większość standardowych sond pasywnych posiada regulowany kondensator kompensacyjny do dopasowywania współczynnika RC do pojemności wejściowej oscyloskopu. Regulowany kondensator kompensacyjny sondy można regulować, aby anulować pojemność wejściową oscyloskopu. Aby skompensować sondę, sonda oscyloskopowa jest podłączona do zacisku kompensacji sondy, aby fala prostokątna wyglądała jak najbardziej kwadratowa i płaska. Przed wykonaniem jakichkolwiek pomiarów oscyloskopowych, należy podłączyć sondy do sygnału kompensacji sondy na przednim panelu, aby upewnić się, że są odpowiednio wyregulowane.
Rysunek 2. Dobrą praktyką jest podłączenie sond do sygnału kompensacji sondy na przednim panelu oscyloskopu, aby upewnić się, że są odpowiednio wyregulowane.
Sonda oscyloskopowa z dwoma współczynnikami tłumienia
Większość standardowych sond pasywnych do oscyloskopu zapewnia podwójny współczynnik tłumienia – wybierany przez użytkownika zakres 10:1 i 1:1. Standardowa sonda pasywna zwykle. Sonda 1:1/10:1 ma przełącznik, który wstawia szeregowo z sygnałem rezystor 9 MΩ. W oscyloskopie znajduje się rezystor 1 MΩ do tworzenia współczynnika tłumienia wejściowego 10:1. W trybie 1:1 nie ma rezystora szeregowego po stronie sondy, a całkowita rezystancja DC widziana z końcówki sondy wynosi tylko 1 MΩ na wejściu oscyloskopu.
Rysunek 3. Pasywne sondy Keysight N2140A i N2142A o podwójnym współczynniku tłumienia, które zapewniają wygodę tłumienia 10:1 i 1:1.
Ogólnie rzecz biorąc, tryb sondy 1:1 zapewnia niższy poziom szumów, dzięki czemu idealnie nadaje się do pomiaru sygnałów o niskim poziomie, takich jak tętnienie i szum zasilacza. Jednak tryb 1:1 wygeneruje znaczną ilość pojemności pojawiającą się równolegle z wejściem oscyloskopu, co spowoduje zmniejszenie szerokości pasma do około 25 MHz.
W poniższym przykładzie sonda 10:1/1:1 jest używana do pomiaru szumu wyjściowego zasilacza przy każdym ustawieniu współczynnika tłumienia. W trybie 1:1 zmierzony szum jest mniejszy, to niecała połowa szumu zmierzonego w trybie 10:1.
Rysunek 4. Oscyloskop i szum podstawowy sondy z sondą 10:1.
Rysunek 5. Oscyloskop i szum podstawowy sondy z sondą 1:1.
Zrozumienie ładowania sondy
Po podłączeniu sondy oscyloskopowej do obwodu, sonda staje się częścią testowanego obwodu, a charakterystyka elektryczna sondy wpływa na ogólną odpowiedź pomiaru. Efekty te mogą pogorszyć dokładność pomiaru i działanie, ponieważ nowy obwód zawierający sondę będzie zachowywał się inaczej niż obwód bez sondy. Jest to szczególnie ważne podczas testowania sygnałów o wyższej częstotliwości.
Wszystkie sondy posiadają obciążenie rezystancyjne, pojemnościowe i indukcyjne. Wyzwaniem jest zapewnienie, aby te efekty pozostały w dopuszczalnych granicach. Ładowanie rezystancyjne jest zwykle najmniej niepokojącym z trzech efektów obciążenia, o ile do pomiaru sygnałów o niskiej prędkości używana jest pasywna sonda o wysokiej impedancji. Najczęstszy efekt obciążenia rezystancyjnego wynika z dzielnika napięcia składającego się z rezystancji wyjściowej obwodu i rezystancji wejściowej sondy.
Zsource to impedancja źródła testowanego obwodu. Im niższa rezystancja sondy w stosunku do Zsource, tym bardziej obciążenie sondy zmniejsza amplitudę mierzonego przebiegu. Na przykład, jeśli Zsource wynosi 1 MΩ, a Zprobe wynosi 10 MΩ, zmierzona amplituda jest o około 9% mniejsza niż rzeczywista wartość przed sondowaniem sygnału.
Rysunek 6. Elementy rezystancyjne, pojemnościowe i indukcyjne sondy mogą zmieniać odpowiedź testowanego obwodu, w zależności od tego, jak bardzo sonda obciąża obwód.
Przy DC rezystancja sondy określa jej impedancję wejściową i charakterystykę obciążenia. Podczas gdy reaktancja pojemnościowa sondy nie ma wpływu na pomiar, ponieważ reaktancja pojemności (Xc) jest nieskończona przy DC. Jednak wraz ze wzrostem częstotliwości reaktancja pojemnościowa maleje i staje się głównym źródłem obciążenia, pobierając coraz więcej energii z testowanego obwodu.
Jeśli wykonałeś pomiar, możesz zobaczyć dzwonienie przebiegu. Czy źródłem jest Twój obwód, czy z sonda? Trudno to rozszyfrować, ale to ważne pytanie. Obciążenie indukcyjne często pojawia się jako dzwonienie w obserwowanym przebiegu. Źródłem dzwonienia jest obwód rezonansowy LC, który składa się z wewnętrznej pojemności sondy i przewodu uziemiającego oraz indukcyjności końcówki sondy. Częstotliwość dzwonienia prostego obwodu LC wynosi:
Gdzie Fring to częstotliwość w Hz, L to indukcyjność w Henrach, a C to pojemność w Faradach.
Przewód uziemiający jest często głównym źródłem obciążenia indukcyjnego. Zwykła zmiana przewodu masy na krótszy może zmienić mierzony przebieg. Jeśli tak się stanie, prawdopodobnie masz problem z ładowaniem indukcyjnym, a nie z obwodem.
Wnioski
Ważne jest, aby wybrać sondę mądrze i używać jej w sposób zapewniający najbardziej wiarygodne pomiary. Połączenie odpowiedniej sondy z odpowiednim oscyloskopem pozwala uzyskać najdokładniejsze pomiary oscyloskopowe.
Poznałeś teorię pasywnego działania sondy oraz korzyści płynące z kompensacji sondy przed pomiarem. Sondy o podwójnym współczynniku tłumienia zapewniają wygodę w zakresie współczynnika tłumienia 10:1 i 1:1 w jednym opakowaniu. Bardzo ważne jest zrozumienie elektrycznego zachowania sondy, ponieważ może to wpływać na wyniki pomiarów i działanie obwodu.
