В стандартную комплектацию большинства осциллографов с полосой пропускания до 1 ГГц входят высокоимпедансные пассивные пробники (см. рис. 1), по одному на каждый канал осциллографа. Именно с этими пробниками работает большинство пользователей.
Сопротивление наконечника пробника обычно составляет 9 МОм, поэтому в сочетании с входным сопротивлением осциллографа, равным 1 МОм, образуется резистивный делитель с коэффициентом 10:1. Таким образом, сигнал на входе пробника будет ослабляться на величину, определяемую коэффициентом, равным 1 МОм/(9 МОм + 1 МОм). Например, если подать на вход пробника сигнал с напряжением 10 В, то с учётом коэффициента ослабления пробника 10:1 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.
Главной особенностью этого пробника является его высокий импеданс. При постоянном токе входной импеданс пробника равен 10 МОм, но с повышением частоты входного сигнала входной импеданс пробника снижается вследствие увеличения ёмкостного реактивного сопротивления.
Стандартный пассивный пробник является самым прочным, гибким и недорогим, имеющим очень широкий входной динамический диапазон, поэтому он отлично подходит для выполнения базовых измерений или поиска и устранения неисправностей.
Компенсация пробника
Большинство стандартных пассивных пробников имеют настраиваемый компенсирующий конденсатор для согласования коэффициента RC пробника с входной ёмкостью осциллографа. Компенсирующий конденсатор пробника можно отрегулировать так, чтобы нейтрализовать входную ёмкость осциллографа. Для проведения процедуры компенсации пробник подключают к выходу калибровочного сигнала прямоугольной формы (обычно расположенному на передней панели осциллографа) и конденсатор 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, чтобы убедиться, что пробники правильно скомпенсированы (см. рис. 2).
Пробники с двумя коэффициентами ослабления
Большинство пассивных пробников имеют коэффициент ослабления 10:1. Стандартный пассивный пробник обычно имеет два возможных коэффициента ослабления: 10:1 и 1:1 (см. рис. 3).
На пробнике 1:1/10:1 имеется переключатель, который вводит в цепь сигнала последовательный резистор с сопротивлением 9 МОм. В осциллографе 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, т.е. равно сопротивлению на входе осциллографа.
Основное преимущество использования 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. При этом режим 1:1 вносит значительную ёмкостную нагрузку, подключённую параллельно входу осциллографа, что приводит к уменьшению полосы пропускания приблизительно до 25 МГц.
На рисунке 4 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.
Влияние пробника на устройство
При подключении пробника осциллографа к цепи он 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 высокочастотных сигналов.
Все пробники создают резистивную, ёмкостную и индуктивную нагрузки. Необходимо добиться того, чтобы это влияние не выходило за допустимые пределы. Наименьшие проблемы обычно создаёт резистивная нагрузка, когда используется 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:
где Zsource – импеданс источника испытуемой цепи. Чем меньше сопротивление пробника относительно Zsource, тем сильнее нагрузка от пробника уменьшает амплитуду измеряемого сигнала.
Например, если значение Zsource равно 1 МОм, а значение Zprobe – 10 МОм, измеренная амплитуда сигнала будет примерно на 9% меньше фактического её значения до подключения пробника.
При постоянном токе входной импеданс и нагрузочная характеристика пробника определяются резистивным компонентом его импеданса. Ёмкостное реактивное сопротивление пробника при этом не влияет на результаты измерений, поскольку Ёмкостное сопротивление (Xc) при постоянном токе равно бесконечности, однако по мере увеличения частоты ёмкостное сопротивление снижается и становится основным источником нагрузки, вызывая рост потребления энергии из испытуемой цепи (см. рис. 5).
При измерении цепи можно обнаружить в сигнале затухающие колебания, или «звон». Что является причиной их появления – испытуемая цепь или пробник? На этот вопрос трудно ответить, но сам по себе он поставлен верно. Причиной затухающих колебаний в сигнале часто бывает индуктивное сопротивление. Источником затухающих колебаний является резонансная индуктивноёмкостная (LC) цепь, которая состоит из внутренней ёмкости, а также провода заземления пробника и индуктивности наконечника пробника. Частота затухающих колебаний простой LCцепи определяется по следующей формуле:
где Fringing — частота, Гц; L – индуктивность, Гн; C – ёмкость, Ф.
Провод заземления часто бывает основным источником индуктивности. Простая замена такого провода с зажимом типа «крокодил» на более короткий может изменить форму измеряемого сигнала. В этом случае, скорее всего, проблема связана с индуктивной нагрузкой, а не с испытуемой цепью.
Заключение
Для получения максимально надёжных результатов измерений важно правильно подобрать пробник и использовать его надлежащим образом. Выбор правильной комбинации пробника и осциллографа обеспечивает максимальную точность измерений с помощью осциллографа. Пробники с двумя коэффициентами ослабления очень удобны, поскольку обеспечивают сразу оба коэффициента ослабления – 10:1 и 1:1. Кроме того, очень важно знать электрические характеристики пробника, поскольку они могут повлиять на результаты измерений и на работу цепи.
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
