Как использовать пробник осциллографа — советы по работе с пробниками для осциллографов

R&S®ESSENTIALS | Основы цифровых осциллографов и пробников

Типы пробников для осциллографов

Автор: Пауль Денисовски (Paul Denisowski), инженер отдела управления продукцией

Существуют два основных типа пробников для осциллографов: активные и пассивные. Выбор между этими двумя типами сводится к выбору степени сложности.

Пассивные пробники более практичны — для них не требуются внешний источник питания и большие затраты. Они отличаются надежностью, прочностью и простотой в обращении: достаточно просто подключить пробник к осциллографу, подсоединить провод заземления и можно приступать к работе. Как правило, в комплект поставки осциллографа включен набор пассивных пробников, позволяющий проводить различные базовые измерения.

Активные пробники характеризуются более высокой точностью и эффективностью. Как следует из их названия, эти пробники оснащены активными компонентами и поэтому способны работать с высокочастотными сигналами. Это также означает более высокую стоимость, однако благодаря своей универсальности и повышенной чувствительности активные пробники незаменимы при решении задач, требующих высокой точности.

В конечном итоге, выбор между пассивными и активными пробниками зависит от требований конкретной задачи. Здесь необходимо тщательно взвесить цели измерения, имеющийся у вас бюджет и требуемый уровень эффективности.

Компенсация пассивных пробников для осциллографов

компенсация пассивного пробника имеет решающее значение для обеспечения точности и надежности осциллографических измерений. Если осциллограф подключен к пассивному пробнику без надлежащей компенсации, это может привести к искажениям и неточностям при выводе осциллограмм. Эти искажения особенно проявляются на высоких частотах, оказывая влияние на точность воспроизведения измеренных сигналов. Компенсация заключается в точной настройке емкости пробника, чтобы гарантировать плоскую и точную частотную характеристику во всей полосе пропускания осциллографа.

Процедура компенсации включает в себя настройку переменной емкости пассивного пробника с целью уравновешивания внутренней входной емкости осциллографа. Для компенсации пробников большинство осциллографов имеют встроенный генератор сигналов прямоугольной формы 1000 Гц.

• Шаг 1: Подключить наконечник пробника к источнику сигнала.
• Шаг 2: Подключить провод заземления пробника к земле.
• Шаг 3: Настроить осциллограф на отображение выхода компенсации пробника.
• Шаг 4: Вставить изолированный инструмент в маленькое отверстие в корпусе компенсации пробника.
• Шаг 5: Путем поворота инструмента отрегулировать емкость пробника таким образом, чтобы отображаемая форма сигнала имела максимально прямоугольную форму.

Компенсация пробника выполнена правильно, если верхние линии сигнала компенсации проходят более или менее горизонтально. Пробники с избыточной компенсацией создают положительный выброс по переднему фронту сигнала, а пробники с недостаточной компенсацией создают отрицательный выброс по переднему фронту сигнала. Для устранения выброса следует отрегулировать компенсационный конденсатор таким образом, чтобы добиться прямоугольной формы фронтов сигнала. Как правило, для точной настройки требуется минимальный поворот.

Использование максимально коротких проводов заземления для пассивных пробников осциллографа

Еще один важный совет при работе с пассивными пробниками заключается в том, чтобы свести к минимуму длину провода заземления. Пассивные пробники работают «несимметрично»: они измеряют напряжение относительно земли и поэтому нуждаются в надежном заземлении. Для этого, как правило, используется провод заземления с зажимом «крокодил», и очень важно, чтобы данный провод был максимально коротким. Длинный провод заземления вносит индуктивность в измеряемый сигнал, оказывая влияние на ВЧ-компоненты и повышая риск положительных и отрицательных выбросов в сигналах прямоугольной формы. Обратите внимание: если рядом с точкой измерения имеется точка заземления, провод заземления с надеваемой пружиной может дополнительно уменьшить длину соединения на землю.

Правильный выбор входного импеданса

Теперь давайте рассмотрим аспекты входного импеданса канала. В некоторых осциллографах можно удобно выбирать входной импеданс между 50 Ом и 1 МОм. Выбор входного импеданса в зависимости от импеданса источника сигнала или конфигурации пробников называется «согласование оконечной нагрузки». Эта процедура выполняется по отдельности для каждого канала в пользовательском интерфейсе осциллографа. По умолчанию на входе осциллографа задан импеданс 1 МОм, который оптимально подходит для работы с пассивными пробниками.

Однако при использовании активных пробников или прямого подключения через кабель BNC может потребоваться изменить это значение на 50 Ом. Во многих контрольно-измерительных приборах и ВЧ-устройствах по умолчанию используется импеданс 50 Ом. Правильный выбор входного импеданса играет решающую роль, т. к. неверная настройка может искажать амплитуду измеряемого сигнала. Например, применение импеданса 1 МОм вместо 50 Ом может привести к увеличению ожидаемого напряжения в два раза.

А кроме того, следует помнить, что максимальное безопасное входное напряжение может существенно различаться между двумя импедансами. Задание 50 Ом вместо 1 МОм зачастую ведет к снижению предельного значения для максимального безопасного входного напряжения. В некоторых осциллографах отсутствует стандартная поддержка импеданса 50 Ом. В этом случае можно использовать специальные адаптеры для входных разъемов, которые при необходимости обеспечивают требуемый импеданс 50 Ом.

Размагничивание и обнуление токовых пробников

Перейдем к токовым пробникам. Важно помнить, что ферромагнитные токовые пробники способны удерживать магнетизм или магнитный поток даже при отсутствии электрического тока. Этот эффект часто проявляется после использования пробника для измерения тока, который был включен и затем выключен. Остаточный магнетизм может вызывать смещение и оказывать влияние на точность измерения. Для устранения этой проблемы многие токовые пробники оснащаются функцией размагничивания, которую можно включать непосредственно на пробнике или в пользовательском интерфейсе осциллографа.

После запуска функция размагничивания генерирует специальный сигнал, который создает произвольное магнитное поле и «стирает» остатки магнетизма в пробнике. Как правило, этот очень быстрый процесс занимает лишь несколько секунд. Поэтому мы рекомендуем выполнять размагничивание токового пробника как перед обнулением, так и перед началом измерений.

Обмотка проводом в целях повышения чувствительности

Еще один совет по работе с токовыми пробниками: для повышения чувствительности измерений можно несколько раз обернуть провод вокруг пробника. Чувствительность пробника увеличивается в линейной зависимости от количества петель. Например, если четыре раза провести провод через отверстие пробника, чувствительность увеличивается в четыре раза. Поскольку осциллограф не способен автоматически определять количество петель, необходимо вручную ввести соответствующий коэффициент.

Эти петли существенно повышают вносимый импеданс (на количество петель, возведенное в квадрат), однако при малых токах влиянием вносимого импеданса на измерения можно пренебречь. Несмотря на увеличение, вносимый импеданс остается относительно низким и не оказывает влияния на точность измерений.

Выравнивание пробников при измерении мощности

Для измерений мощности зачастую используются токовые пробники вместе с пробниками напряжения. Ведь для точного анализа мощности требуются точные измерения напряжения и тока. Однако различия во времени распространения на пробниках могут вызывать смещение по времени или «рассинхронизацию» измеренных сигналов напряжения и тока, что может означать неточность полученных значений мощности.

Решением становятся специальные выравнивающие приспособления, которые обнаруживают и компенсируют рассинхронизацию путем генерирования согласованных по времени импульсов напряжения и тока. Эти синхронизированные импульсы параллельно измеряются на подключенных пробниках напряжения и тока. Если на выводимых осциллограммах наблюдается рассинхронизация, на осциллографе можно задать соответствующее значение выравнивания или смещения по времени. Эта коррекция восстанавливает согласованность сигналов напряжения и тока, что повышает точность измерений.

Применение дифференциальных пробников для проведения измерений без заземления

Пробники для осциллографов, как правило, измеряют напряжение относительно земли — это так называемые «несимметричные» измерения. Дифференциальные измерения могут потребоваться в том случае, если вы хотите измерить напряжение на компонентах, не соединенных с землей. Это измерения без заземления.

Одним из способов проведения дифференциальных измерений является применение двух несимметричных пробников для измерения напряжения относительно земли в двух точках с последующим вычитанием полученных значений на осциллографе. Это так называемые «квазидифференциальные измерения».

Более эффективный подход заключается в применении специального дифференциального пробника, оборудованного внутренним дифференциальным усилителем. Этот пробник генерирует напряжение, соответствующее разности напряжений между двумя точками подключения. Дифференциальные пробники идеально подходят для измерений без заземления из следующих соображений:

• Они способны измерять напряжение между любыми двумя точками.
• Они обеспечивают повышенную точность благодаря подавлению синфазного шума, т. е. общих помех на обоих входах.
• Они играют ключевую роль в защите устройств и операторов от высокого тока в случае неосторожного или нежелательного соединения на землю.

Применение активных пробников для проведения сложных измерений

И наш заключительный совет: для проведения более сложных измерений используйте активный пробник. Как уже было сказано ранее, активные пробники имеют активные компоненты — как правило, это полевой транзистор, который встраивается в наконечник пробника. Конструкция активных пробников существенно снижает входную емкость по сравнению с пассивными пробниками. Это снижение емкости дает два важных преимущества:

• Оно сводит к минимуму нагрузку цепи, обеспечивая более достоверное воспроизведение измеренного сигнала на осциллографе и снижая влияние на работу цепи.
• Оно обеспечивает увеличенную полосу пропускания, которая необходима для точного измерения высокочастотных сигналов, особенно при наличии таких ярко выраженных составляющих, как прямоугольные или импульсные сигналы.

Кроме того, некоторые активные пробники могут осуществлять значительное смещение сигнала. Эта функция удобна при измерении слабых сигналов переменного тока, накладываемых на сильные сигналы постоянного тока (например, уровень пульсаций в источниках питания).