Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 7.pdf

POMIARY

Pomiary oscyloskopowe:

okiem praktyka, część 7

Przechodzimy do prezentacji

„tajników” sond pomiarowych,

które są niepozornym, ale

niezwykle istotnym elementem

toru pomiarowego. Szczegóły –

na przykładach – prezentujemy

w artykule.

Sondy napięciowe

Ważnym elementem oscyloskopu

jest sonda pomiarowa stanowiąca po-

łączenie pomiędzy przyrządem a mie-

rzonym obwodem. Jej zadaniem jest

transport sygnału od punktu pomiaro-

wego do wejścia oscyloskopu. Zmiana

parametrów badanego obwodu wy-

wołana dołączeniem do niego sondy

powinna być możliwie mała, a trans-

port sygnału – odbywać się bez za-

uważalnych zmian kształtu przebiegu.

Spełnienie tych oczywistych wymagań

niekoniecznie musi być proste. W dal-

szej części tego odcinka zobaczymy,

jakie są ich konstrukcyjne konsekwen-

cje.

Większość pomiarów wykonywa-

nych oscyloskopem dotyczy sygnałów

napięciowych, stąd podstawowym ro-

dzajem sondy jest sonda napięciowa.

Różnorodność produkowanych sond

jest prawie tak duża jak samych

oscyloskopów. Wynika to zarówno

z wymagań mechanicznych, jak i elek-

trycznych konkretnych pomiarów.

W najprostszym przypadku sondy na-

pięciowe wykonywane są wyłącznie

z elementów biernych i właśnie na ta-

kich się skupimy. Stanowią one stan-

dardowe wyposażenie nowych przy-

rządów w ilości równej liczbie kana-

łów wejściowych. Kupując oscyloskop

„z drugiej ręki” warto zwrócić uwagę,

czy jest wyposażony w jakiekolwiek

sondy pomiarowe.

Dobre, markowe sondy są drogie

i można mieć wątpliwości, czy opła-

ca się w nie inwestować. Przecież po-

miary za pomocą multimetru wykonu-

je się korzystając z dwóch zwykłych

przewodów. Może i tu znalazłyby one

zastosowanie. Sprawdźmy to. Do oce-

ny jakości posłuży nam sygnał pro-

stokątny o częstotliwości 1 kHz i czasie

narostu zbocza ok. 800 ps. W sytuacji

wzorcowej generator połączony jest

z oscyloskopem za pomocą przewodu

koncentrycznego zakończonego obcią-

żalnikiem 50-omowym. Wynik pomia-

ru widoczny jest na rys. 27 a . Jeżeli

teraz użyjemy dwóch przewodów od

multimetru, powinniśmy uzyskać prze-

bieg podobny do przedstawionego na

rys. 27b . Jest to rezultat raczej mar-

ny. Zostawmy więc przewody labora-

toryjne przy multimetrze i spróbujmy

poszukać innego rozwiązania.

Aby uniknąć wpływu zakłóceń od

zewnętrznych źródeł, wykorzystamy

przewód koncentryczny. Gdy na koń-

cu obciążymy go rezystancją odpowia-

dającą jego impedancji charakterystycz-

nej, wówczas na wejściu będzie on

widziany jako czysta rezystancja. Jeśli

taki przewód traktować jak sondę, to

powinna ona zapewnić dość szerokie

pasmo. Dla wielu może okazać się

zaskoczeniem, że produkuje się tak

Rys. 27.

Elektronika Praktyczna 7/2007

POMIARY

Rys. 28.

jako odcinek linii długiej

rozwartej na końcu. Linia

taka będzie widziana od

strony wejścia jako po-

jemność. Dodatkowo doło-

ży się pojemność wejścio-

wa oscyloskopu. Można

się zatem spodziewać, że

pasmo pracy takiej sondy

wyjątkowo szerokie nie

będzie. Jeśli spojrzymy

na parametry sond RC z podziałem

1X, zauważymy, że pasmo ich pra-

cy to zaledwie pojedyncze MHz lub

nieco więcej. Dlatego sondy RC pra-

cują zazwyczaj z podziałem 10X. Aby

to uzyskać, na ich wejściu umieszcza

się rezystor 9 MV, który z rezystan-

cją toru pomiarowego tworzy dzielnik

1:10. Spróbujmy teraz wykonać son-

dę samodzielnie. Autor wykorzystał

w tym celu półtorametrowy odcinek

przewodu koncentrycznego dołączo-

ny jednym końcem do oscyloskopu.

Do środkowej żyły drugiego końca

przewodu został dolutowany rezystor

9 MV, a całość zamknięta w oprawce

po dwustronnym gnieździe BNC (wy-

ciągnięty środek). Dzięki takiemu wy-

konaniu „grotu” sondy możliwe było

jej łatwe przyłączenie do obciążalnika

przelotowego BNC umieszczonego na

wyjściu generatora. Na rys. 29 przed-

stawiono efekt pomiaru sygnału testo-

wego. Jak widać, zbocza narastające

są znacznie zaokrąglone. Świadczy to

o nieskompensowaniu dzielnika sondy.

Aby tego dokonać, należy równolegle

do rezystora wejściowego dołączyć

niewielką pojemność. Schemat sondy

przedstawia rys. 30 . Rezystancja wej-

ściowa wynosi:

równoległa do R 1 jest stała, a kom-

pensację dzielnika wykonuje się try-

merem dołączonym na końcu sondy.

Ze względu na rozrzut w parametrach

sond i obwodów wejściowych oscylo-

skopów, kompensację sondy powinno

wykonywać się przed pomiarem, po

każdym dołączeniu danej sondy do

konkretnego wejścia. Wyjście generato-

ra kompensującego jest zazwyczaj wy-

prowadzone na przedni panel przyrzą-

du. Strojąc trymerem należy uzyskać

przebieg prostokątny bez przerostów

i zaokrągleń na zboczach. Kompensa-

cja sondy wpływa na jej pasmo. Cha-

rakterystyka częstotliwościowa sondy

przekompensowanej ma podbicie na

końcu pasma. Dlatego sygnały sinu-

soidalne o częstotliwościach leżących

w zakresie tego podbicia będą widocz-

ne z zawyżoną amplitudą. Z kolei cha-

rakterystyka sondy niedokompensowa-

nej jest zawężona.

Przewód sondy RC jest niedopa-

sowany impedancyjnie z obu końców.

Zauważa się to zwłaszcza podczas po-

miarów impulsowych. Impuls odbity

od końca linii wraca do jej początku,

gdzie odbija się ponownie. Co praw-

da, zjawisko to ma też swoje prak-

tyczne zastosowanie w reﬂektometrii

w dziedzinie czasu, ale w omawianym

przypadku jest niekorzystne. Spójrzmy

na rys. 31 , na którym sygnał w nie-

dopasowanej linii przedstawiono ko-

lorem niebieskim. Kolejne odbicia są

wyraźnie widoczne. Rozwiązanie może

stanowić umieszczenie na drodze tych

odbić tłumiącej je rezystancji. Rezul-

tat umieszczenia w środku przewodu

rezystora o wartości 330 V zaznaczo-

no kolorem białym. Powszechnie sto-

sowane rozwiązanie nie jest jednak

dokładnie takie. Jeśli ktoś próbował

naprawiać sondę tego typu, z pewno-

ścią miał okazję zauważyć, że żyły

środkowej nie można lutować. Dzieje

się tak, ponieważ jest ona wykonana

z materiału oporowego. Wynik zasto-

sowania przewodu z żyłą środkową

o rezystancji 360 V na odcinku 1,5 m

zaznaczono kolorem pomarańczowym.

Teraz odbicia są praktycznie niewi-

doczne. Pomysłodawcą zastosowania

przewodu oporowego była

ﬁrma Tektronix. Jako cie-

kawostkę warto odnoto-

wać fakt, że na początku

lat osiemdziesiątych ubie-

głego wieku można było

zaopatrzyć się w sondę

wyprodukowaną przez

wrocławską Radiotechni-

proste sondy, a ich cena jest stosun-

kowo wysoka, mimo że składają się

w zasadzie z przewodu, grotu i nicze-

go więcej (obciążalnik 50 V jest ele-

mentem obwodu wejściowego kanału

pomiarowego oscyloskopu). W uprosz-

czeniu, opisany przewód to po prostu

sonda rezystorowa 1X. Produkowane

sondy tego rodzaju charakteryzują się

pasmem nawet kilkunastu GHz lub

więcej. Nie zapominajmy jednak, że

impedancja wejściowa jest tu mała

(stąd spotykana nazwa: low Z passive

probe ) i niestety nie wszędzie można

tę sondę wykorzystać. Pewną mody-

ﬁkacją jest układ przedstawiony na

rys. 28 . Rezystor wejściowy tworzy

z obciążeniem dzielnik napięciowy

o stopniu podziału 10. Zastosowanie

kondensatora C 1 pozwala ten dzielnik

skompensować i dla R 1 C 1 =R O C O pra-

cuje on jak obwód wyłącznie rezysto-

rowy w dość szerokim paśmie. Rezy-

stancja wejściowa sondy wynosi teraz

500 V, a pojemność wejściowa jest

rzędu 1 pF. Jednak w dalszym ciągu

może to stanowić istotne obciążenie

dla obwodu mierzonego.

Przedstawione sondy przeznaczone

są do pracy z wejściami 50 V. Zawęża

to zakres ich zastosowań. Powszechnie

używane sondy bierne są typu RC

i dołącza się je do wejść wysokoimpe-

dancyjnych 1 MV. Aby poznać sekrety

konstrukcji takiej sondy, spróbujmy ją

po prostu zbudować. Przewód sondy

zakończony jest tu impedancją o wie-

le większą od swojej impedancji cha-

rakterystycznej i w pewnym zakresie

częstotliwości może być rozpatrywany

R �

�

a pojemność wejściowa:

�

Jak widać, uzyskaliśmy zwiększe-

nie rezystancji wejściowej przy jed-

noczesnym zmniejszeniu pojemności

widzianej na zaciskach wejściowych

sondy (czyli od strony badanego ob-

wodu). W praktyce często pojemność

Rys. 29.

Rys. 30.

Elektronika Praktyczna 7/2007

POMIARY

przekonać, powróć-

my do naszej wła-

snoręcznie wyprodu-

kowanej sondy. Tym

razem w miejsce

rezystora i kondensa-

tora wejściowego za-

stosowano fabryczny

grot sondy Tektro-

nix P6139 A o pa-

śmie 500 MHz. Wy-

nik pomiaru zbocza

sygnału testowego

dla przewodu son-

dy wykonanego

ze standardowego

przewodu koncentrycznego przedsta-

wia rys. 32 . Jak widać, oscylacje są

znaczne. Wymiana tego przewodu na

taki, którego żyłę środkową wykona-

no z drutu oporowego (wg katalogu

60 V/stopę) radykalnie poprawia sy-

tuację, co przedstawiono na rys. 33 .

Wynik jest prawie akceptowalny. Pra-

wie, ponieważ po zmianie skali po-

ziomej oscyloskopu widać, że sonda

jest wyraźnie przekompensowana. Wi-

doczne jest to na rys. 34 . Powodem

jest pojemność połączona równolegle

z rezystorem wejściowym. Aby dziel-

nik skompensować, należałoby teraz

zwiększyć pojemność na końcu sondy,

przy gnieździe wejściowym oscylosko-

pu. W tym celu wykorzystany został

trójnik BNC, do którego wolnego koń-

ca został dołączony kondensator 15 pF

do masy. Rezultat przedstawiony jest

na rys. 35 . Ostatecznie, po poprawie-

niu staranności wykonania połączeń,

zmierzono zbocze narastające sygnału

testowego. Jak widać na rys. 36 uzy-

skany rezultat jest bardzo dobry. Wy-

dłużenie czasu narostu (w porównaniu

z przebiegiem z rys. 27 a) spowodowa-

ne jest skończonym pasmem sondy

(pojemność wejściowa).

Sondy RC przeznaczone są do

pracy z wysokoomowym wejściem

oscyloskopu. Nie należy ich stosować

z wejściami 50-omowymi. Utworzony

wówczas dzielnik rezystorowy nie jest

1:10, ale 1:180000. Obserwowany sy-

gnał przedostaje się do wejścia głów-

nie poprzez równoległą pojemność

kompensującą rezystora wejściowego.

Choć wydać się to może oczywiste,

autor nie raz spotkał się z taką sytu-

acją oraz sugestią, że sonda lub kanał

pomiarowy jest uszkodzony.

Dołączenie sondy do badanego ob-

wodu wiąże się z jego obciążeniem.

Wydawać by się mogło, że sonda

bierna RC 10X, której rezystancja wej-

Rys. 35.

Rys. 31.

Rys. 36.

Rys. 32.

ściowa wynosi 10 MV prawie w ogóle

nie wnosi istotnego obciążenia. Pa-

miętać należy jednak, że istnieje też

pojemność wejściowa. Dla sygnałów

zmiennych o wyższych częstotliwo-

ściach impedancja wejściowa sondy

będzie maleć. Na rys. 37 przedsta-

wiono zależność modułu impedancji

sondy Tektronix P2220 w zależności

od częstotliwości. Dla większych czę-

stotliwości wartość impedancji wej-

ściowej sondy spada nawet do kilku

omów (wg pomiarów przeprowadzo-

nych przez autora dla P2220 jest to

ok. 8…10 V). Z kolei powyżej pewnej

częstotliwości dają znać o sobie in-

dukcyjności i impedancja nieznacznie

wzrasta. Dlatego np. próba obserwacji

drgań w obwodzie w.cz. zakończy się

ich stłumieniem z chwilą dołączenia

sondy.

Andrzej Kamieniecki

Tespol

kę, w której w połowie długości prze-

wodu wlutowany był rezystor MŁT.

Całość zakryta luźną, maskującą ko-

szulką z czasów, kiedy dobrodziejstwo

materiałów termokurczliwych nie było

jeszcze powszechne.

Pojemność wejściowa sondy wraz

z indukcyjnością przewodu tworzy

szeregowy obwód rezonansowy. Pobu-

dzenie go szybkim skokiem spowodu-

je powstanie oscylacji. Żeby się o tym

Rys. 33.

Rys. 34.

Rys. 37.

Elektronika Praktyczna 7/2007

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: