Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 8.pdf

POMIARY

Pomiary oscyloskopowe:

okiem praktyka, część 8

Sondy napięciowe aktywne

Ich główną zaletą jest duża

impedancja wejściowa, utrzymy-

wana w szerokim zakresie często-

tliwości. Pojemność takiej sondy

jest znikoma i osiąga wartości na-

wet rzędu kilkuset fF. Osiąga się

to poprzez wbudowanie w głowicę

sondy wzmacniacza buforowego.

Małą pojemność zapewnia wejście

z tranzystorem FET oraz odpowied-

nia konstrukcja głowicy i grotu.

Spójrzmy na rys. 38 . Przedstawia

on uproszczony schemat sondy ak-

tywnej. Jak widać składa się ona

z trzech bloków: głowicy, przewodu

i wtyczki. W głowicy umieszczony

jest opcjonalny dzielnik oraz bu-

for. Ponieważ wyjście bufora jest

niskoomowe, zatem możliwe jest

zastosowanie w torze sygnałowym

klasycznego przewodu koncentrycz-

nego (w sondach biernych stosowa-

ny jest przewód ze środkową żyłą

oporową). Od strony oscyloskopu

jest on zakończony dopasowanym

obciążeniem 50 V. Przez wyjście

wzmacniacza w głowicy jest więc

widziany jako czysta rezystancja.

Ponieważ wzmacniacz w głowicy

sondy musi być zasilany, przewód

sondy aktywnej zawiera poza to-

rem sygnałowym także kilka do-

datkowych żył. Widoczne jest to

na rys. 40 . We wtyczce sondy ak-

tywnej umieszczony jest zazwyczaj

zasilacz wzmacniacza oraz układ

identyﬁkacji. Identyﬁkacja w naj-

prostszym wydaniu, (ale też po-

wszechnie stosowanym) to pamięć

z interfejsem I 2 C, w której zapisane

są nazwa sondy oraz wymagane

nastawy. Po dołączeniu takiej son-

dy do oscyloskopu automatycz-

nie ustawiana jest skala pionowa

oraz włączane obciążenie 50 V.

W zależności od rodzaju sondy

(napięciowa, prądowa, optyczna)

ustawiana jest także odpowied-

nia jednostka skali. Widoczny na

rysunku obwód regulacji offsetu

jest opcjonalny. Obwód ten wy-

korzystany być może podczas po-

miarów małej składowej zmiennej

Opisane w poprzednim odcinku sondy pasywne pracują w paśmie

do kilkuset MHz. Dla wyższych częstotliwości nie da się pominąć

wpływu stosunkowo dużej pojemności wejściowej. Dodatkowo, aby

zapewnić względnie szerokie pasmo, sondy te muszą tłumić sygnał

najmniej dziesięciokrotnie. Pomiar sygnałów o małych amplitudach

i dużych częstotliwościach staje się problematyczny. W takim

przypadku stosuje się sondy aktywne.

nałożonej na dużą składową stałą.

Regulacja offsetu sondy o zwrocie

przeciwnym do składowej stałej

badanego sygnału, pozwala obser-

wować składową zmienną na całej

wysokości ekranu. Służy on także

do automatycznego wyrównywania

przesunięć przebiegu wynikających

np. ze zmian temperatury otocze-

nia wzmacniacza w głowicy sondy.

Podczas kalibracji sondy dołącza

się ją do wyjścia wewnętrznego

Elektronika Praktyczna 8/2007

POMIARY

Rys. 38.

Zasilanie sond

aktywnych najczęś-

ciej dostarczane jest

z przyrządu poprzez

interfejs sondy. Nie-

stety, każdy produ-

cent stosuje w tym

zakresie własne roz-

wiązania i dlatego

sondy aktywne nie

są kompatybilne

z przyrządami in-

nych producentów.

Ponadto, nie każ-

dy oscyloskop jest

wyposażony w od-

powiedni interfejs.

Niekiedy możliwe

jest jednak zasilanie

z zewnętrznego za-

silacza sieciowego,

jak np. w przypadku sondy różni-

cowej Tektronix P5200.

Sondy aktywne są niezastąpione

przy pomiarach sygnałów w szyb-

kich układach cyfrowych. Ustępują

sondom pasywnym jedynie mak-

symalnym dopuszczalnym napię-

ciem wejściowym. Sonda pasywna

ogólnego przeznaczenia, o stopniu

podziału 10X, ma maksymalne na-

pięcie wejściowe na poziomie kil-

kuset woltów (dla P2220 jest to

np. 300 V). Maksymalne napięcie

wejściowe dla sond aktywnych to

zazwyczaj kilkadziesiąt woltów.

Odmianą sondy napięciowej ak-

tywnej jest sonda różnicowa. Po-

siada ona w głowicy wzmacniacz

różnicowy z niesymetrycznym wyj-

ściem. W jednym z poprzednich od-

cinków przedstawiony był sposób

pomiaru sygnałów różnicowych za

pomocą dwóch sond pasywnych,

dołączonych do dwóch kanałów

oscyloskopu. Wadą takiego rozwią-

zania jest istnienie dwóch ście-

kalibratora, a dostrojenie dokładnej

wartości wzmocnienia i offsetu wy-

konywane jest automatycznie. Son-

dy aktywne ﬁrmy Tektronix wy-

posażone w najnowszą wersję in-

terfejsu VPI posiadają we wtyczce

przycisk MENU. Pozwala on, po

wciśnięciu, otworzyć na ekranie

przyrządu okno z wszystkimi na-

stawami jakie są dedykowane dla

sondy danego typu.

Na rys. 37 w poprzednim od-

cinku przedstawiona była zależ-

ność impedancji wejściowej sondy

pasywnej od częstotliwości. Dla

porównania na rys. 41 widoczna

jest ta sama zależność dla son-

dy aktywnej 10X Tektronix P6243.

Jak widać początkowa wartość jest

mniejsza i wynosi 1 MV, ale utrzy-

mywana jest do częstotliwości ok.

100 kHz. Dla sondy pasywnej 10X

przy takiej częstotliwości, począt-

kowa wartość impedancji wejścio-

wej spadała z 10 MV do około

100 kV.

Fot. 40.

żek sygnałowych niedopasowanych

idealnie zarówno pod względem

wzmocnienia jak i wprowadzanych

opóźnień. Dlatego taką metodę

cechuje nienajlepszy współczyn-

nik tłumienia sygnału wspólnego,

zwłaszcza dla większych częstotli-

wości. Przeniesienie wzmacniacza

różnicowego bezpośrednio do gło-

wicy sondy radykalnie poprawia

sytuację.

Sondy prądowe

Podobnie jak w przypadku sond

napięciowych, sondy prądowe rów-

nież mogą być pasywne lub ak-

tywne. Sonda prądowa pasywna

to po prostu transformator, dla

którego uzwojeniem pierwotnym

jest przewód z mierzonym prądem.

Sondy tego typu pozwalają mie-

rzyć wyłącznie prąd zmienny, nie-

kiedy w bardzo szerokim paśmie.

Przykładem może być produkowa-

na przez Tektronix sonda CT6, dla

której górna częstotliwość pasma

to aż 2 GHz. Znajdują one zasto-

sowanie między innymi przy po-

miarach dysków twardych, gdzie

wartości prądu są nieduże a pasmo

wymagane do pomiaru wąskich

impulsów bardzo szerokie. Wadą

Fot. 39.

Elektronika Praktyczna 8/2007

POMIARY

Rys. 41.

rzystują do po-

miaru czujnik

Halla wykonany

w postaci pół-

przewodnikowej

płytki. Na jej

brzegach umiesz-

czone są dwie

pary elektrod. Do

jednej z par do-

prowadzone jest

napięcie wymu-

szające przepływ

prądu przez płyt-

kę. Pole magne-

tyczne prostopad-

łe do powierzch-

ni płytki powo-

duje powstanie

różnicy potencjałów pomiędzy

elektrodami drugiej pary. Hallotron

umieszczany jest w szczelinie rdze-

nia sondy. W ten sposób uzysku-

je się poszerzenie dolnej granicy

pasma pomiarowego do składowej

stałej. Zasilanie doprowadzane jest

bezpośrednio z przyrządu, poprzez

interfejs sondy lub z wewnętrznej

baterii. Wadą Hallotronu w oma-

wianym zastosowaniu jest wrażli-

wość na pole magnetyczne Ziemi.

Dlatego proste sondy prądowe, wy-

konane z użyciem tego elementu,

mogą dodawać do obserwowanego

przebiegu niewielkie przesunięcie

zależne od orientacji sondy wzglę-

dem ziemskiego pola magnetyczne-

go. Na szczęście sondy prądowe

wyposażone są zazwyczaj w pokręt-

ło regulacji offsetu. Offset powstać

też może pod wpływem namagne-

sowania rdzenia.

Najciekawszą konstrukcją son-

dy prądowej jest obwód pokazany

na rys. 43 . Wykorzystany jest tu

zarówno transformator jak i hal-

lotron. Dla prądu stałego (a także

dla zmiennego o małej częstotli-

wości) napięcie z czujnika Halla

jest wzmacniane i następnie dopro-

wadzane do cewki. Przez cewkę

płynie wtedy prąd, czego efektem

jest pole magnetyczne o wartości

równej w przybliżeniu polu wokół

przewodu z mierzonym prądem, ale

o przeciwnym zwrocie. Oba pola

znoszą się zatem w rdzeniu son-

dy, dzięki czemu unika się jego

szybkiego nasycania i większy jest

zakres wartości prądu mierzonego.

Napięcie wyjściowe jest proporcjo-

nalne do prądu płynącego przez

cewkę. Ponieważ jednak zależy on

od napięcia na wyjściu czujnika

Halla, obserwowany na ekranie

oscyloskopu przebieg odpowiada

zmianom prądu w mierzonym ob-

wodzie. Dla prądów zmiennych

o większych częstotliwościach i bez

składowej stałej sonda działa po

prostu jak transformator. W zakre-

sie częstotliwości pośrednich cew-

ka pełni przy okazji rolę sumatora

wolnozmiennego napięcia z Hallo-

tronu oraz składowych o częstotli-

wościach większych, indukowanych

w niej samej.

Rdzeń w sondach prądowych

jest przeważnie wykonywany

z dwóch części. Umożliwia to za-

pięcie sondy wokół przewodu bez

potrzeby przerywania mierzonego

obwodu na czas pomiaru. Najbar-

dziej popularnym typem otwiera-

nego rdzenia są tzw. cęgi. Innym

spotykanym rozwiązaniem jest

rdzeń w kształcie jak na rys. 43,

sond prądowych pasywnych jest

nasycanie rdzenia transformatora

obecną w mierzonym sygnale skła-

dową stałą.

Prądowe sondy aktywne wyko-

Fot. 42.

Elektronika Praktyczna 8/2007

POMIARY

Rys. 43.

Dla sondy przedstawionej na ostat-

nim rysunku, generator zmiennego

sygnału rozmagnesowującego podłą-

czany jest do cewki pomiarowej na

rdzeniu poprzez wzmacniacz LF,

po uprzednim odłączeniu od jego

wejścia czujnika Halla. Przy dłuż-

szych pomiarach prądów o dużych

wartościach rdzeń może zostać na-

magnesowany, czego wynikiem bę-

dzie dodanie do obserwowanych

przebiegów składowej stałej. Dlate-

go zalecane jest okresowe wykony-

wanie rozmagnesowania.

Zwiększenie czułości sondy prą-

dowej można też łatwo uzyskać

przekładając przewód z mierzonym

prądem przez rdzeń kilkukrotnie.

Każdy taki zwój powoduje jed-

nak zwiększenie impedancji wtrą-

canej w obwód, która niestety jest

proporcjonalna do kwadratu ilości

zwojów. Rośnie też wtedy zafałszo-

wanie kształtu przebiegu. W celu

zminimalizowania zakłóceń i wpły-

wu obciążania, dobrą praktyką jest

zapięcie sondy prądowej na prze-

wodzie od strony masy lub niższe-

go napięcia.

Podobnie jak w przypadku sond

napięciowych, jeśli chcemy obser-

wować małą wartość składowej

zmiennej na tle dużej składowej

stałej, potrzebne jest wprowadzenie

dodatkowego offsetu. Dla sond prą-

dowych wykonać to można w ten

sposób, że przez rdzeń sondy

przekłada się dodatkowy przewód,

w którym wymusza się przepływ

prądu o znanej wartości i zwrocie

przeciwnym do prądu płynącego

w obwodzie badanym.

Andrzej Kamieniecki

Tespol

gdzie tylko jeden element jest ru-

chomy. Strumień magnetyczny

w rdzeniu jest osłabiany na skutek

istnienia szczeliny powietrznej na

styku obu części rdzenia. Dlatego

powierzchnie, którymi się one sty-

kają są bardzo dokładnie szlifowa-

ne. Sondy prądowe na duże czę-

stotliwości są jednak wykonywane

z rdzeniem jednoczęściowym. Wy-

maga to, niestety, rozłączenia ob-

wodu mierzonego i przewleczenia

przewodu przez rdzeń.

Sondy prądowe nie są galwa-

nicznie łączone z mierzonym obwo-

dem, jak ma to miejsce w przypad-

ku sond napięciowych czy w przy-

padku pomiaru prądu multime-

trem. Nie znaczy to jednak, że go

nie obciążają. Zapięcie sondy na

przewodzie równoważne jest wpro-

wadzeniu do obwodu mierzonego

dodatkowej impedancji. Zazwyczaj

modelowana jest ona równoległym

połączeniem rezystancji o wartości

poniżej 1 V i indukcyjności poniżej

5 mH. Dla przykładu, w dokumen-

tacji sondy Tektronix P6021 po-

dane są wartości 4 mV i 2,8 mH.

Niekorzystny wpływ tej impedancji

na kształt obserwowanych przebie-

gów zauważalny jest zwłaszcza dla

większych częstotliwości i szybko

narastających zboczy. Zwiększenie

impedancji wtrącanej w mierzony

obwód jest powodowane także

ekranem magnetycznym rdzenia,

którego zadaniem jest zabezpiecze-

nie przed wpływem pól zewnętrz-

nych.

Część aktywnych sond prądo-

wych nie jest przeznaczona do

pracy bezpośrednio z oscyloskopem

ale poprzez dedykowany wzmac-

niacz. Zapewnia on zarówno zasi-

lanie sondy o odpowiedniej wydaj-

ności, jak też pozwala zwiększyć

czułość sondy. Dodatkowym jego

wyposażeniem jest najczęściej ob-

wód rozmagnesowywania rdzenia.

Elektronika Praktyczna 8/2007

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: