Обзор или руководство по различным типам пробников для осциллографов, доступных для использования с осциллографами.
Осциллографы широко используются для проверки и ремонта электронного оборудования всех типов. Однако необходимо иметь способ подключения входа осциллографа к точке тестируемого оборудования, которая нуждается в мониторинге. Для подключения осциллографа к контролируемой точке необходимо использовать экранированный кабель для предотвращения приема нежелательных сигналов, а в дополнение к этому входы большинства осциллографов используют коаксиальные разъемы BNC. Хотя можно использовать коаксиальный кабель нечетной длины с разъемом BNC на одном конце и открытыми проводами с зажимами типа «крокодил» или «крокодил» на другом, это не идеально, и специально изготовленные пробники для осциллографов обеспечивают гораздо более удовлетворительное решение.
Щупы осциллографа
Пробники осциллографа обычно состоят из разъема BNC, коаксиального кабеля (длиной обычно около метра) и того, что можно назвать самим пробником. Он состоит из механического зажима, позволяющего прикрепить пробник к соответствующей контрольной точке, и заземления или зажима заземления, который необходимо прикрепить к соответствующей точке заземления на тестируемой цепи.
Следует соблюдать осторожность при использовании щупов осциллографа, так как они могут сломаться. Несмотря на то, что они надежно изготовлены, любая лаборатория электроники будет рассматривать пробники осциллографов почти как «живые» предметы, которые можно утилизировать через некоторое время, когда они сломаются. К сожалению, тот факт, что они прикреплены к проводам оборудования, создает огромную нагрузку на механическое устройство зажима. В конце концов, это та часть, которая ломается.
Пробники для осциллографов X1 и X10
Существует два основных типа пассивных пробников осциллографа. Обычно они обозначаются X1 и X10, хотя иногда встречаются 1X и 10X. Обозначение относится к коэффициенту, на который импеданс самого прицела умножается на зонд. Пробники X1 подходят для многих низкочастотных применений. Они имеют такой же входной импеданс, как и осциллограф, который обычно составляет 1 МОм. Однако для приложений, где требуется более высокая точность и когда частоты начинают расти, необходимы другие тестовые пробники.
Для достижения большей точности требуются более высокие уровни импеданса. Для этого в конец пробника, который подключается к тестируемой цепи, встроены аттенюаторы. Самый распространенный тип пробника со встроенным аттенюатором дает десятикратное затухание и известен как осциллографический пробник X10. Затухание позволяет увеличить импеданс тестируемой цепи в десять раз, что позволяет проводить более точные измерения. Поскольку датчик X10 ослабляет сигнал в десять раз, сигнал, поступающий в сам осциллограф, будет уменьшен. Это необходимо учитывать. Некоторые осциллографы автоматически настраивают шкалы в соответствии с имеющимся пробником, хотя не все могут это делать. Перед чтением стоит проверить.
Пробник осциллографа 10X использует последовательный резистор (9 МОм) для обеспечения ослабления 10 : 1, когда он используется с входным сопротивлением самого осциллографа 1 МОм. Импеданс 1 МОм — это стандартный импеданс, используемый для входов осциллографов, и, следовательно, это позволяет заменять пробники осциллографов между осциллографами разных производителей.
Показанная схема зонда осциллографа является типичной, которую можно увидеть — другие варианты с переменным компенсационным конденсатором на наконечнике столь же распространены. В дополнение к щупам для осциллографов X1 и X10 также доступны щупы X100. Эти осциллографические пробники, как правило, используются там, где требуются очень низкие уровни нагрузки схемы и присутствуют высокие частоты. Сложность использования заключается в том, что сигнал ослабляется в 100 раз.
Компенсация пробника осциллографа X10
Пробник осциллографа X10 является эффективным аттенюатором, что позволяет значительно снизить нагрузку на тестируемую цепь. Это достигается за счет уменьшения резистивной и емкостной нагрузки на цепь. Он также имеет гораздо более широкую полосу пропускания, чем традиционный зонд X1. Пробник осциллографа x10 обеспечивает лучшую высокочастотную характеристику, чем обычный пробник X1, по целому ряду причин. Это достигается за счет уменьшения резистивной и емкостной нагрузки на пробник X10, который часто можно отрегулировать или компенсировать для улучшения частотной характеристики.
Для многих преобразователей осциллографа предусмотрена одна регулировка для компенсации пробника, хотя на некоторых пробниках их может быть две: одна для НЧ-компенсации, а другая для ВЧ-компенсации. Пробники, которые имеют только одну регулировку, регулируется компенсация НЧ, иногда компенсация ВЧ может быть отрегулирована на заводе. Для достижения правильной компенсации зонд подключается к генератору прямоугольных импульсов в осциллографе, а триммер компенсации настраивается на требуемую характеристику — прямоугольный импульс.
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. Предупреждение: многие пробники для осциллографов имеют переключатель X1/X10. Это удобно, но надо понимать, что резистивная и емкостная нагрузки на цепь значительно возрастают в положении Х1. Следует также помнить, что компенсационный конденсатор не действует при использовании в этом положении. В качестве примера представленных уровней нагрузки типичный датчик осциллографа может иметь сопротивление нагрузки 10 МОм вместе с емкостью нагрузки 15 пФ для цепи в положении X10. Для положения X1 щуп может иметь емкость, возможно, 50 пФ плюс входная емкость осциллографа. В конечном итоге это может быть порядка 70-80 пФ.
Другие типы зондов
Помимо стандартных пробников напряжения 1X и 10X, доступен ряд других типов пробников осциллографа.
- Токовые пробники: иногда необходимо измерить формы сигналов тока на осциллографе. Этого можно добиться с помощью токоизмерительного датчика. У него есть зонд, который зажимается вокруг провода и позволяет измерять ток. Иногда, используя математические функции осциллографа вместе с измерением напряжения на другом канале, можно измерить мощность, а также посмотреть на разность фаз.
- Активные пробники: по мере роста частоты стандартные пассивные пробники становятся менее эффективными. Влияние емкости возрастает, а полоса пропускания ограничивается. Для преодоления этих трудностей можно использовать активные зонды. У них есть усилитель прямо на кончике зонда, позволяющий проводить измерения с очень низким уровнем емкости. Частоты в несколько ГГц достижимы с использованием датчиков активного осциллографа.
- Датчики дифференциального осциллографа: В некоторых случаях может потребоваться измерение дифференциальных сигналов. Звук низкого уровня, сигналы дисковода и многие другие случаи используют дифференциальные сигналы, и их необходимо измерять как таковые. Один из способов добиться этого состоит в том, чтобы исследовать обе линии дифференциального сигнала, используя один пробник для каждой линии, как если бы имелось два несимметричных сигнала, а затем использовать осциллограф для дифференциального сложения (т. е. вычитания одного из другого), чтобы получить разницу. Использование двух осциллографов таким образом может привести к ряду проблем. Основной из них заключается в том, что несимметричные измерения такого рода не дают требуемого подавления каких-либо синфазных сигналов (т. е. коэффициент подавления синфазного сигнала, CMMR), и, вероятно, будет присутствовать дополнительный шум. У каждого датчика может быть разная длина кабеля, что может привести к разнице во времени и небольшому искажению между сигналами. Чтобы преодолеть это, можно использовать дифференциальный датчик. При этом используется дифференциальный усилитель в точке измерения для обеспечения требуемого дифференциального сигнала, который затем передается по проводу датчика осциллографа на сам осциллограф. Такой подход обеспечивает гораздо более высокий уровень производительности.
- Высоковольтные пробники. Большинство стандартных пробников напряжения для осциллографов, таких как X1 или X10, предназначены для работы только при напряжении до нескольких сотен вольт. Для работы выше этого уровня требуется соответствующий высоковольтный датчик со специальной изоляцией. Он также понизит напряжение на входе осциллографа, чтобы испытательный прибор не был поврежден высоким напряжением. Часто датчики напряжения могут быть X50 или X100.
Резюме
Пробники для осциллографов являются важным дополнением к любому осциллографу. В большинстве случаев можно использовать датчики пассивного осциллографа 10X, но другие типы тестовых датчиков необходимо рассматривать в зависимости от предполагаемых приложений.