Компенсация пробника осциллографа может включать в себя больше, чем может показаться на первый взгляд, поскольку существует компенсация как НЧ, так и ВЧ.
Пользователи осциллографов часто используют осциллографические пробники X10, чтобы увеличить доступную полосу пропускания и снизить нагрузку на тестируемую схему. На большинстве датчиков осциллографа имеется регулировка для компенсации датчика для улучшения его частотной характеристики. Большинство пользователей осциллографов знакомы с компенсацией пробника, но некоторые причины и схемы, стоящие за ней, не всегда могут быть очевидны с первого взгляда. Часто легко забыть компенсировать пробник, и это может привести к тому, что сигналы будут иметь неправильную амплитуду или будут искажены из-за неправильной частотной характеристики пробников. Компенсация пробника позволяет выполнять надежные и точные измерения.
Базовая компенсация зонда осциллографа
Компенсация частоты для пробников осциллографа требуется при использовании пробника напряжения, который включает в себя аттенюатор, т.е. X10, X100 или другие значения. Компенсация щупа Scope не требуется для щупов X1. Для многих щупов есть только одна регулировка, и это легко компенсируется простым подключением щупа к генератору прямоугольных импульсов в осциллографе, а триммер компенсации настраивается на требуемую характеристику — прямоугольный сигнал.
Как видите, регулировка довольно очевидна, ее легко и быстро осуществить. Это следует делать каждый раз, когда щуп перемещается с одного входа на другой или с одного осциллографа на другой. Не помешает время от времени проверять его, даже если он остается на том же входе. Как и в большинстве лабораторий, вещи берут напрокат и могут вернуть другой зонд и т. д. .
Компенсация осциллографа: основная теория
Пробник осциллографа X10 предназначен для десятикратного увеличения импеданса тестируемой цепи. Для этого на наконечник пробника помещается резистор 9 МОм, который образует делитель потенциала 10:1 с внутренним сопротивлением 1 МОм осциллографа (при условии, что используется вход с высоким импедансом, поскольку некоторые осциллографы также имеют вход 50 Ом для ВЧ-измерений). Помимо 1 МОм, прицел также имеет уровень емкости параллельно с этим. Он может быть порядка 15-30 пФ или около того и обычно указан на самом прицеле через входной разъем.
Если бы пробник не приспосабливался к этому, то полоса пропускания пробника была бы очень низкой. Внутренняя емкость будет работать с резистором 9 МОм для формирования фильтра нижних частот. Чтобы преодолеть это, к резистору 9 МОм подключается конденсатор, чтобы создать емкостной делитель потенциала. Когда два компонента имеют одинаковый коэффициент деления, отклик пробника будет плоским.
Сверху показана схема базового пробника с компенсацией, а под ней схема. Следует подчеркнуть, что это представление первого порядка, поскольку существует множество небольших паразитных уровней емкости, сопротивления и индуктивности. Чтобы схема обеспечивала ровную характеристику, потенциальный эффект рассеивания резисторов и конденсаторов должен быть одинаковым.
Чтобы это было правдой, должно выполняться следующее уравнение:
Обратите внимание, что C t находится в верхней части уравнения, а 9 МОм — в нижней. Эта «инверсия» происходит потому, что емкостное реактивное сопротивление равно 1/2 π f C, т. е. обратно пропорционально емкости. Поскольку значение входной емкости C in варьируется от одного типа осциллографа к другому, а от одного осциллографа к другому того же типа существуют небольшие различия, необходимо отрегулировать баланс в процессе, называемом компенсацией. Для достижения компенсации щупа прицела либо C t на кончике щупа, либо Cp делают переменным. На некоторых щупах осциллографа регулятор компенсации находится на конце, а на других он находится в небольшой коробке рядом с разъемом, который соединяется с осциллографом. Также удивительно отметить частоты, на которых начинает требоваться компенсация. С резистором 9 МОм в наконечнике емкость 25 пФ или около того начинает проявляться на очень низкой частоте. Реактивное сопротивление всего 15 пФ составляет 1 МОм на частоте 10 кГц, поэтому видно, что даже на очень низких частотах очень важна компенсация зонда осциллографа.
Типы компенсации щупа прицела
Базовая компенсация, описанная выше, используется для большинства стандартных датчиков осциллографа. Но более продвинутые пробники могут иметь два типа компенсации, чтобы гарантировать, что их производительность будет оптимальной в максимально широкой полосе пропускания:
- Компенсация датчика НЧ: это тип компенсации датчика осциллографа, который используется во всех датчиках осциллографа X10. Он компенсирует сравнительно низкие частоты пробника, но дает хороший уровень компенсации. Обычно схема, показанная для компенсации, подобна приведенной ниже.
- Регулируемый конденсатор может быть расположен в области разъема зонда, т.е. там, где он подключен к осциллографу. Часто, хотя он находится в наконечнике, где конденсатор в наконечнике является тем, который регулируется. Как правило, не имеет значения, какой из них настроен. В недорогих пробниках можно добавить только НЧ-компенсацию. Это вполне приемлемо там, где не требуются очень высокие частотные характеристики.
- Компенсация ВЧ пробника: Этот тип компенсации используется во многих пробниках осциллографа. Иногда могут быть предусмотрены два регулятора, но часто они устанавливаются конструкцией или во время изготовления. Он имеет тенденцию не сильно изменяться, когда щуп подключен к разным эндоскопам, и поэтому его не нужно настраивать одинаковым образом.
На высокочастотную характеристику пробника влияют два основных переменных фактора:- Импеданс кабеля зонда: необходимо учитывать кабель зонда осциллографа, и это влияет на характеристики ВЧ. Обычно на конце зонда имеется небольшая емкость. Это может быть 2 — 5 пФ, а также сам кабель вносит емкость. Это может быть порядка 40-50 пФ.
- Входное сопротивление осциллографа: Вход осциллографа обычно не является идеальным резистивным и емкостным входом. Существует также некоторая последовательная индуктивность, а также некоторая нелинейность. Даже чип-конденсаторы, которые имеют очень хорошие показатели производительности до частот 1 ГГц и выше, имеют некоторую индуктивность. Это приводит к собственному резонансу, который приводит к провалу в последовательном импедансе. Входное устройство для высокочастотных осциллографов состоит из сопротивления заземления 1 МОм. Вдобавок к этому есть некоторые паразитные емкости и индуктивности. Каждый из них имеет свои собственные последовательные и параллельные индуктивные и емкостные составляющие, которые имеют нелинейную характеристику на частотах в несколько сотен МГц и более, что добавляет дополнительную сложность отклику на вход.
Чтобы компенсировать эти нелинейности, ВЧ-пробники, как правило, шунтируют вход осциллографа очень маленьким конденсатором и последовательным резистором прямо на BNC. Это служит для перемещения любой нелинейности в область более высоких частот, за пределы предполагаемого диапазона датчика, не вызывая серьезных выбросов. Чтобы компенсировать работу зонда при работе на высоких частотах, низкочастотная компенсация обычно располагается на конце, как показано на рисунке. ВЧ-компенсация обычно обеспечивается компонентами, расположенными на конце пробника с разъемом. Обычно небольшая экранированная коробка расположена практически на разъеме.
ВЧ-компенсация состоит из последовательно соединенной резисторно-конденсаторной сети. Может быть две таких последовательно соединенных RC-цепи для обеспечения компенсации по всей требуемой полосе — возможно, одна для средней полосы, а другая — для более высоких частот. Они настраиваются либо при проектировании, производстве, либо иногда пользователем перед использованием. Используя эту компенсацию, можно обеспечить максимально точное воспроизведение самых быстрых фронтов прямоугольных сигналов и т.п.
Диапазон компенсации зонда осциллографа
Один момент, на который следует обратить внимание при выборе щупа эндоскопа, заключается в том, чтобы убедиться, что он имеет достаточный диапазон компенсации для эндоскопа, с которым он будет использоваться. Проблемы могут возникнуть, когда зонд с высокой пропускной способностью используется с осциллографом с низкой пропускной способностью.
Причина здесь: обычно осциллограф с низкой пропускной способностью может иметь высокую входную емкость. Стандартное входное сопротивление для высокоимпедансного входа осциллографа составляет 1 МОм, но емкость может варьироваться. Это может быть 15 пФ или 25 пФ и т. д. . Как правило, осциллографы с низкой пропускной способностью имеют более высокую входную емкость.
При выборе зонда осциллографа проверьте диапазон компенсации. Это диапазон уровней входной емкости, для которого пробник может применить правильную компенсацию. Пробники с высокой пропускной способностью, как правило, компенсируют только более низкие уровни входной емкости, поскольку это то, что может иметь широкополосный осциллограф. Бесполезно пытаться использовать пробник осциллографа с диапазоном компенсации 8–18 пФ, например, с осциллографом с входной емкостью 25 пФ. Соответственно, крайне важно убедиться, что пробник может компенсировать входную емкость для диапазона, в котором он будет использоваться.
Поскольку производительность осциллографа настолько же хороша, как и у зонда осциллографа, необходимо убедиться, что используются хорошие пробники, обычно полоса пропускания зонда должна быть примерно в 1,5 раза больше, чем у осциллографа, а затем она должна быть правильно компенсирована. . Таким образом, характеристики осциллографа могут быть максимальными, а формы сигналов в тестируемой цепи могут быть максимальными.