Знакомство со стандартным пассивным осциллографическим пробником

Автор Сообщение
#1 / 12.02.2019 13:44
admin

Знакомство со стандартным 
пассивным осциллографическим пробником

Пассивный осциллографический пробник - это во многих случаях недооцениваемая, но очень важная составляющая аппаратного наполнения процедуры измерений с помощью осциллографа. Основное назначение такого пробника - соединение и подключение испытуемого устройства (ИУ) ко входу осциллографа с целью приема исследуемого сигнала от ИУ с целью визуализации его формы на экране осциллографа и определения значений ряда параметров этого сигнала.

Однако следует учитывать, что осциллографический пробник сам по себе - это не просто кусок провода с присоединенным к нему заостренным наконечником. В теории радиоизмерений существует еще множество вещей, которые необходимо знать об осциллографических пробниках, правильно использовать эти знания, чтобы получить корректные результаты испытаний.

В стандартную комплектацию почти всех моделей цифровых и аналоговых осциллографов с полосой пропускания до 1 ГГц входят высокоимпедансные пассивные пробники, как правило, по одному пробнику на каждый канал осциллографа. Именно с этими пробниками и предстоит работа для большинству пользователей осциллографа.

Сопротивление наконечника пассивного пробника обычно составляет 9 МОм, поэтому в сочетании с входным сопротивлением осциллографа, равным 1 МОм, образуется резистивный делитель с коэффициентом 10:1.

Таким образом, уровень сигнала на выходе пробника будет ослабляться на величину, определяемую коэффициентом, равным 1 МОм / (9 МОм + 1 МОм). Например, если подать на вход пробника сигнал с напряжением в 10 В, то с учетом коэффициента ослабления пробника 1:10 на вход осциллографа поступит сигнал с напряжением 1 В.

За наконечником пробника следует высокоимпедансный кабель. На конце кабеля располагается компенсаторная или интерфейсная часть, которая соединяется с входом осциллографа.

NyqmA2V_5M8.jpg
Главной особенностью пассивного осциллографического пробника является его очень высокий импеданс. При постоянном токе входной импеданс пробника равен 10 МОм, но с повышением частоты входного сигнала входной импеданс пробника снижается вследствие увеличения емкостного реактивного сопротивления.

Стандартный пассивный пробник является самым прочным, гибким и недорогим пробником, имеющим очень широкий входной динамический диапазон. Поэтому этот пробник отлично подходит для выполнения базовых измерений, для поиска и устранения неисправностей.

Компенсация пробника

Большинство моделей стандартных пассивных осциллографических пробников имеют настраиваемый компенсирующий конденсатор для согласования коэффициента RC пробника с входной емкостью осциллографа.

Компенсирующий конденсатор пробника можно отрегулировать так, чтобы нейтрализовать входную емкость осциллографа.

Для проведения процедуры компенсации пробник подключают к выходу калибровочного сигнала прямоугольной формы (обычно расположенного на передней панели осциллографа), и компенсирующий конденсатор пробника регулируется так, чтобы прямоугольный сигнал выглядел действительно прямоугольным и имел как можно более плоскую вершину.

Перед тем как выполнять любые измерения с помощью осциллографа, необходимо подключить пробники к клемме сигнала компенсации пробника на передней панели используемого осциллографа , чтобы убедиться, что выбранные пробники правильно скомпенсированы.

gu3MzRdtNlc.jpg
Пробники с двумя коэффициентами ослабления

Большинство моделей пассивных пробников имеют коэффициент ослабления 10:1.

Стандартный пассивный пробник обычно имеет два возможных коэффициента ослабления: 10:1 и 1:1.

На пробнике с двумя значениями коэффициента ослабления 1:1/10:1 имеется переключатель, который вводит в цепь сигнала последовательный резистор с сопротивлением 9 МОм.

В осциллографе на пути входного сигнала к блоку обработки стоит резистор с сопротивлением 1 МОм, что обеспечивает коэффициент ослабления входного сигнала 10:1. В режиме 1:1 последовательный резистор в пробнике отключается, и общее сопротивление постоянному току, измеренное на наконечнике пробника, составляет лишь 1 МОм, то есть равно сопротивлению на входе осциллографа.

9JDFk1qKmY8.jpg
Основное преимущество использования пассивного пробника с двумя коэффициентами ослабления состоит в том, что он поддерживает оба коэффициента ослабления – 10:1 и 1:1.

В целом режим пробника 1:1 обеспечивает более низкий уровень шума, что делает его идеальным для измерения слабых сигналов, таких как пульсация и шум источника питания.

Однако режим 1:1 вносит значительную емкостную нагрузку, подключенную параллельно входу осциллографа, что приводит к уменьшению полосы пропускания приблизительно до 25 МГц.

В примере ниже пробник 10:1/1:1 используется для измерения выходного шума источника питания с каждым из доступных коэффициентов ослабления. В режиме 1:1 измеренный шум почти наполовину меньше шума, измеренного в режиме 10:1.

rwUan_RV-AE.jpg

kA2kaOfXKSs.jpg

Влияние пробника на тестируемое устройство

При подключении осциллографического пробника к цепи передачи сигнала в проверяемом устройстве, пассивный пробник становится частью испытуемой цепи, и его электрические характеристики начинают влиять на процесс измерений в целом.

Это может привести к снижению точности измерений и ухудшению рабочих характеристик, поскольку новая цепь, включающая в себя пробник, будет вести себя иначе, чем цепь без пробника. Это особенно актуально при измерениях параметров высокочастотных сигналов.

Все пробники создают в цепи передачи сигнала к осциллографу резистивную, емкостную и индуктивную нагрузки.

Необходимо добиться того, чтобы это влияние не выходило за допустимые пределы.

Резистивная нагрузка обычно создает наименьшие проблемы среди этих трех видов нагрузок до тех пор, пока вы используете высокоимпедансный пассивный пробник для измерения низкоскоростных сигналов.

Наиболее распространенный эффект от резистивной нагрузки связан с делителем напряжения, который образуют выходное сопротивление цепи и входное сопротивление пробника.

Wkn4iHYLW-A.jpg
В этой формуле:

Zsource - это импеданс источника испытуемой цепи. Чем меньше собственное сопротивление пробника относительно значение Zsource, тем сильнее нагрузка от пробника уменьшает амплитуду измеряемого сигнала.

Например, если значение сопротивления источника Zsource равно 1 МОм, а значение сопротивления пробника Zprobe - 10 МОм, измеренная амплитуда выходного сигнала от источника будет примерно на 9 % меньше фактического ее значения, имеющегося до момента подключения пробника.

e7QSzFhju2s.jpg
При постоянном токе входной импеданс и нагрузочная характеристика пробника определяются значением резистивного компонента, входящего в суммарное полное значение сопротивления данного пассивного пробника.

Емкостное реактивное сопротивление пробника при этом не влияет на результаты измерений, поскольку емкостное сопротивление (Xc) при постоянном токе равно бесконечности.

Однако, по мере увеличения частоты переменного сигнала емкостное сопротивление снижается и становится основным источником нагрузки, вызывая рост потребления энергии из испытуемой цепи.

При измерении параметров сигнала в цепи от источника вы можете вдруг обнаружить тестируемом сигнале затухающие колебания, или "звон".

Что является в этом случае причиной их появления - испытуемая цепь или сам пробник?

Трудно сразу ответить на этот вопрос, но вопрос сам по себе поставлен верно. Причиной затухающих колебаний в сигнале часто бывает индуктивное сопротивление. Источником затухающих колебаний является резонансная индуктивно-емкостная (LC) цепь, которая состоит из внутренней емкости, а также провода заземления пробника и индуктивности наконечника пробника. Частота затухающих колебаний простой LC-цепи определяется по следующей формуле:

7_To66Pm384.jpg
Здесь Fringing - частота затухающих колебаний(Гц), 
L - индуктивность наконечника пробника (Гн)
C - емкость (Ф).

Провод заземления часто бывает основным источником индуктивности.

Простая замена провода заземления с зажимом типа "крокодил" на более короткий может изменить форму измеряемого сигнала. Если это так и происходит, скорее всего, проблема связана с индуктивной нагрузкой, а не с испытуемой цепью.

Заключение

Для получения максимально надежных результатов измерений с помощью осциллографа крайне важно правильно подобрать осциллографические пробники и использовать их надлежащим образом.

Выбор правильной комбинации пробника и модели осциллографа обеспечивает максимальную точность измерений.

В статье были представлены некоторые теоретическими основами функционирования пассивного осциллографического пробника и с преимуществами проведения процедур его компенсации перед проведением измерений.

Пассивные пробники с двумя коэффициентами ослабления очень удобны, так как они обеспечивают сразу два коэффициента ослабления – 10:1 и 1:1.

Также очень важно знать электрические характеристики пробника, поскольку они могут повлиять на результаты измерений и на работу исследуемой цепи.

Источник: http://www.kipia.info/publication/probnik-oscilloscope/

Сообщения: 446