Oscyloskop − najważniejszy przyrząd pomiarowy 9.pdf

Miernictwo

Oscyloskop – najważniejszy

przyrząd pomiarowy

w pracowni elektronika

CZĘŚĆ 9

W poprzednim odcinku omówione były podsta−

wowe właściwości sond oscyloskopu.

Niektóre zagadnienia zawarte w niniejszym od−

cinku przeznaczone są dla nieco bardziej zaawan−

sowanych, dotyczą bowiem zagadnień, których

zrozumienie wymaga pewnego przygotowania

i wiedzy. Nikomu jednak nie sprawi trudności przy−

swojenie sobie wniosków, wynikających z przepro−

wadzonej analizy .

2 π

Zdziwienie może budzić druga linia. Przedstawia

ona przebieg rezystancji wejściowej sondy w funk−

cji częstotliwości. Dlaczego ta rezystancja nie jest

stała (1M

Parametry sondy oscyloskopowej

W poprzednim odcinku wyjaśniono w ogólnym

zarysie, jak duże znaczenie ma zrozumienie para−

metrów sondy oscyloskopu, zwłaszcza kwestii po−

jemności wejściowej.

Przyjrzyjmy się bliżej tej sprawie.

Na rysunku 33 przedstawiono parametry katalo−

gowe pewnej sondy 1:1, a konkretnie przebieg re−

zystancji i reaktancji wejściowej. Taka sonda

dla prądu stałego) rzeczywiście zmniej−

sza się ze wzrostem częstotliwości. Ściślej biorąc,

chodzi o straty w dielektryku – ze wzrostem częstot−

liwości coraz większa ilość energii „obecnej w prze−

wodzie” zamienia się na ciepło. Inaczej mówiąc,

przy większych częstotliwościach z obwodu bada−

nego pobierana jest pewna energia, która zamienia

się na ciepło. Te straty są równoznaczne ze zmniej−

szaniem się rezystancji wejściowej sondy i słusznie

traktujemy je jako zmniejszanie się rezystancji.

Na marginesie trzeba dodać, że w przypadku re−

aktancji pojemnościowej nie mówimy o stratach –

choć przez reaktancję tę płynie prąd, nie występują

tam straty mocy (czynnej). Choć w przypadku prze−

pływu prądu przez reaktancję możemy jedynie mó−

wić o magazynowaniu energii i przesunięciu fazy

między prądem a napięciem, a nie o stratach mocy,

tym niemniej wpływ dołączenia tej pojemności do

badanego układu niewątpliwie jest negatywny.

W każdym razie rysunek 33 udowadnia, iż stra−

ty te są na tyle znaczne, że taka prosta sonda 1:1

zupełnie nie nadaje się do pracy przy częstotliwoś−

ciach większych niż 10...20MHz.

Rysunek 34 pokazuje przebieg rezystancji i reak−

tancji jakiejś sondy o tłumieniu 1:10. Tym razem,

Rys. 33. Charakterystyki sondy 1:1

w rzeczywistości jest po prostu odcinkiem kabla

współosiowego, zakończonym z jednej strony

zgrabnym chwytakiem, a z drugiej wtykiem BNC.

Mniej więcej takie parametry ma też metrowy od−

cinek kabla współosiowego – takiej prymitywnej

„sondy” dość często używa się w praktyce. Dlate−

go warto przeanalizować ten wykres. Jedna z linii

(prosta) określa przebieg reaktancji, czyli oporności

pojemnościowej. Tu sprawa jest jasna – ze wzros−

tem częstotliwości jednostajnie zmniejsza się reak−

tancja, zgodnie ze wzorem

Rys. 34. Charakterystyki sondy 1:10

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97

)? Czy to nie jest pomyłka?

Nie! Rezystancja wejściowa sondy (a także re−

zystancja wejściowa samego oscyloskopu, wyno−

sząca 1M

Miernictwo

dzięki zastosowaniu „sztuczki” z dzielnikiem, pojem−

ność wejściowa i reaktancja pojemnościowa jest

mniejsza; mniejszy jest też wpływ strat rezystancyj−

nych w dielektryku. W sumie sonda o takich para−

metrach jest użyteczna w znacznie szerszym paśmie

częstotliwości, aż do prawie stu megaherców. Oczy−

wiście przy tak dużych częstotliwościach wypadko−

wa oporność sondy (wypadkowe połączenie rezys−

tancji i reaktancji) jest mała, ale mając świadomość,

jakie dodatkowe obciążenie dla układu stanowi dołą−

czona sonda, można jednak przeprowadzać sensow−

ne pomiary przy częstotliwościach do 100MHz.

Rysunek 35 pokazuje charakterystyki sondy 1:100.

Jak widać, tym razem użyteczny zakres częstotli−

wości przekracza 300MHz.

czemu uzyskuje się małą pojemność wejściową.

Dla wyeliminowania wpływu kabli, element czynny,

tranzystor, umieszcza

się w końcówce son−

dy. Dzięki temu zmi−

nimalizowany jest

wpływ jakichkolwiek

szkodliwych pojem−

ności montażowych.

Obecnie produkuje

się sondy czynne

o oporności wejścio−

wej 1M

1pF)

i pojem−

ności 1pF, pracujące

w paśmie do 1GHz.

Taka sonda pokazana

jest na fotografii.

Choć wykonanie

dobrej sondy czynnej

o pojemności wejściowej 1pF jest nie lada zada−

niem, jednak w amatorskiej praktyce warto czasa−

mi zbudować prostą „sondę aktywną” w postaci

wtórnika z tranzystorem polowym złączowym –

przyda się w pomiarach urządzeń w.cz.

Oprócz pojedynczych sond aktywnych, znane są

również różnego typu sondy różnicowe. Ten temat

wykracza jednak poza ramy niniejszego artykułu.

Należy jeszcze wspomnieć o sondach prądo−

wych. Jak wskazuje nazwa, służą one do pomiaru

prądu. Sonda prądowa firmy Fluke pokazana jest

na fotografii. Sondy prądowe, w przeciwieństwie

do zwykłego amperomierza, nie wymagają przecię−

cia obwodu wstawienia tam niewielkiego rezysto−

ra, na którym mierzony byłby spadek napięcia. Son−

dy prądowe przypominają cęgi – aby zmierzyć prąd

Fot. 2. Sonda prądowa do oscyloskopu

Rys. 35. Charakterystyki sondy 1:100

Charakterystyki sond pokazane na rysunkach

33...35 dotyczą sond starszej produkcji. Dziś pro−

dukuje się sondy o lepszych parametrach, współ−

pracujące z oscyloskopami o paśmie przenoszenia

sięgającym 500MHz. W artykule celowo przedsta−

wiono wyroby nieco starsze, ponieważ do najnow−

szego sprzętu ma w naszym kraju dostęp niewiel−

kie grono osób, a artykuł ma być przydatny dla sze−

rokiego grona elektroników, którzy zwykle mają

styczność ze sprzętem co najwyżej klasy średniej,

ewentualnie starszym sprzętem wyższej klasy.

Ale ogólne wnioski są jasne:

Dopiero właściwa sonda umożliwia wykorzysta−

nie szerokiego pasma oscyloskopu.

Obecnie wiele, jeśli nie większość sond, ma sys−

tem identyfikacji, dzięki któremu oscyloskop „wie”

jakie tłumienie ma dołączona sonda, i może wyświet−

lać na ekranie aktualne współczynniki odchylania.

W praktyce nie zawsze możliwe jest wykorzys−

tanie sondy 1:100, najmniej obciążającej badany

układ. Przy pomiarach bardzo małych napięć po−

trzebna jest sonda o jak najmniejszym tłumieniu.

Od lat produkuje się więc tak zwane sondy aktyw−

ne, w przeciwieństwie do sond biernych, wymaga−

jące źródła zasilania. Najczęściej nie tłumią one, ani

nie wzmacniają sygnału. Zbudowane są zazwyczaj

na specjalnego typu tranzystorach polowych, dzięki

w przewodzie wystarczy objąć nimi ten przewód.

Niektóre sondy działają na zasadzie transformatora,

ściślej przekładnika – mogą mierzyć tylko prąd

zmienny. Inne sondy prądowe wykorzystują czuj−

nik Halla – hallotron – dzięki czemu mierzą prądy

stałe i zmienne.

W starszej literaturze można znaleźć układy

przystawek, za pomocą których oscyloskop morze

mierzyć inne parametry, na przykład pojemność,

charakterystyki elementów półprzewodnikowych,

itd. Obecnie przystawki takie nie są używane

w praktyce. Jedynym wyjątkiem jest układ do po−

miaru indukcyjności i maksymalnego prądu pracy

cewek indukcyjnych.

(red)

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97

Fot. 1. Sonda czynna 1GHz (1M Ω

Miernictwo

i zapewnić

dopasowanie z obu stron takiej linii przesyłowej.

Dlatego wielu elektroników łącząc oscyloskop z ba−

danym układem stosuje zawsze taki koncentryczny

przewód, upewniając się, czy rzeczywiście jest to

przewód 50−omowy.

Zasada jest w swej istocie słuszna, ale należy

wiedzieć, jakiego zakresu częstotliwości dotyczy.

Należy zacząć od prędkości przesyłania sygnału

w takim kablu koncentrycznym. Jest ona nieco

mniejsza od prędkości światła i wynosi mniej wię−

cej 20cm/ns

Kwestia odbić i dopasowania wtedy będzie od−

grywać jakąś rolę, gdy długość przesyłanej fali, al−

bo też czasy przesyłanych impulsów będą porów−

nywalne z czasem przejścia sygnału przez daną li−

nię.

Weźmy przewód pomiarowy o długości 1 met−

ra. Sygnał przechodzi przez niego przez około

100cm / (20cm/ns) = 5ns

Długość 1m ma fala elektromagnetyczna

o częstotliwości około 300MHz.

A więc dopiero powyżej częstotliwości 100MHz

i przy impulsach krótszych niż 10ns trzeba się za−

cząć martwić o dopasowanie. Rzeczywiście, oscy−

loskopy pracujące przy częstotliwościach rzędu kil−

kuset megaherców, często mają wejście o rezys−

tancji nie 1M

do badanego układu. Nader często są to grube,

twarde 50−omowe kable koncentryczne. Używanie

takich sztywnych kabli to prawdziwa męczarnia.

Tymczasem, jeśli pomiary dotyczą tylko małych

częstotliwości, do 20...100kHz, śmiało można za−

stosować krótkie (20cm) kawałki cienkiego i mięk−

kiego przewodu ekranowanego. Różnica między

grubym „porządnym” koncentrycznym kablem 50−

omowym, a takim cienkim i elastycznym przewo−

dem ekranowanym, w zakresie małych częstotli−

wości są praktycznie żadna.

Dlatego przy braku fabrycznych sond 1:10 (któ−

re są zalecane w każdej sytuacji), do układów m.cz.

można śmiało wykorzystać krótkie odcinki jakiego−

kolwiek przewodu ekranowanego.

. Do takich oscy−

loskopów koniecznie trzeba stosować odpowied−

nie kable, rozgałęźniki, tłumiki i dopasowania.

Natomiast w oscyloskopie o paśmie 20MHz czy

nawet 50MHz, współpracującym z sondą o długoś−

ci 1m, problem dopasowania impedancji przewo−

dów praktycznie nie występuje. Ponadto dopaso−

wanie 50−omowego kabla do wejścia o dużo więk−

szej rezystancji wcale nie jest sprawą łatwą (jeśli

w ogóle możliwą).

Wniosek?

Przy oscyloskopach o paśmie rzędu kilkudziesię−

ciu megaherców wcale nie jest konieczne

stosowanie 50−omowego kabla koncent−

rycznego w roli prostej sondy 1:1.

Dotyczy to zwłaszcza pomiarów przy

małych częstotliwościach (do 100kHz).

Często się widzi, że elektronik nie ma właś−

ciwych sond do oscyloskopu i stosuje

zwykłe kable, z jednej strony zakończone

wtykiem BNC, z drugiej wprost lutowane

, tylko właśnie 50

Zakłócenia i błędy

W tym miejscu należy jeszcze wspomnieć, że

w pewnych sytuacjach nie stosuje się ani żadnych

fabrycznych sond, ani „samoróbki” z przewodu ek−

ranowanego, tylko łączy się badany układ z gniaz−

dem wejściowym oscyloskopu za pomocą dwóch

krótkich (do 10cm) jednożyłowych przewodów;

jedna żyła to masa, druga – sygnał. Jeśli przewody

nie są ze sobą skręcone, pojemność takiej

„sondy” jest praktycznie żadna, poniżej 1pF, i bada−

ny układ obciążony jest tylko pojemnością i rezys−

tancją wejściową oscyloskopu.

Takie dwa przewody mogą jednak działać jak an−

tena i zbierać z otoczenia różne „śmieci”, w tym

zakłócenia. Dlatego metoda z gołymi krótkimi prze−

wodami może być stosowana przy sygnałach

o większej amplitudzie. Przy badaniu małych syg−

nałów w obecności silnych zakłóceń, zapewne ko−

nieczny będzie przewód ekranowany lub koncent−

ryczny.

I tu warto zwrócić uwagę na kilka istotnych

spraw.

Wśród elektroników panuje powszechne prze−

konanie, że przewód ekranowany całkowicie likwi−

duje wszelkie problemy z przenikaniem, czy

„zbieraniem” zakłóceń z otoczenia. Jest w tym

sporo prawdy, ale jak zwykle nie jest to prawda

ostateczna. Rzeczywiście, ekranowany przewód,

którego ekran jest podłączony do masy układu, nie

Rys. 36. Szkodliwa pętla w pomiarach oscyloskopowych

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97

Dopasowanie linii i odbicia

W tym śródtytule zostanie wyjaśnione pewne

nieporozumienie.

W literaturze często spotyka się zalecenie, że

przy przesyłaniu sygnałów o większych częstotli−

wościach należy stosować przewody koncentrycz−

ne o rezystancji charakterystycznej 50

Miernictwo

dopuszcza do środkowej żyły zakłó−

ceń przedostających się przez pole

elektrostatyczne i elektromagne−

tyczne. Ale należy tu jeszcze wziąć

pod uwagę wpływ pola magnetycz−

nego. Jak podają mądre książki, że−

by wyeliminować wpływ pola mag−

netycznego, należy zastosować ek−

ran, a właściwie pancerz, stalowy

o grubości powyżej 10mm lub mie−

dziany jeszcze grubszy...

W praktyce wcale nie jest to po−

trzebne, trzeba tylko rozumieć pew−

ną ważną sprawę.

O ile pod wpływem pola elekt−

rycznego, zakłócenie może się zaindukować w jed−

nym przewodzie, o tyle pole magnetyczne może

zaindukować napięcie i prąd tylko w pętli czyli

w zwoju lub zwojach. Pętla lub wielozwojowa cew−

ka podłączona do wejścia oscyloskopu może więc

pełnić rolę czujnika pola magnetycznego.

Na rysunku 36 pokazano trzy sytuacje. Rysu−

nek 36a pokazuje jak zrobić pętlę do pomiaru pół

magnetycznych. Tymczasem wielu elektroników

stosując fabryczną sondę lub przewód ekranowa−

ny, nie podłącza do badanego układu masy sondy,

tylko dla wygody, do połączenia mas oscyloskopu

i układu stosuje oddzielny przewód, jak pokazano

na rysunku 36b. Tworzą tym samym większą lub

mniejszą pętlę, która zbiera z otoczenia zakłócenia

przenoszone przez pole magnetyczne. Należy tu

podkreślić, że zakłócenia te nie są duże, i problem

pojawia się tylko przy pomiarach małych napięć,

rzędu miliwoltów. Przy dużych sygnałach można

stosować sposób z rysunku 36b, bo rzeczywiście

jest wygodny.

Natomiast przy małych sygnałach należy mini−

malizować powierzchnię pętli tworzonej przez

przewód masy, jak pokazano to na rysunku 36c.

Sprawa połączenia masy ma też bardzo duże

znaczenie przy obserwacji krótkich impulsów. Przy

niewłaściwym połączeniu, np. wg rysunku 36b, ob−

raz zboczy impulsów będzie zniekształcony i może

wprowadzić w błąd obserwatora. Będzie on potem

szukał w układzie przyczyny zniekształceń impul−

sów, gdy tymczasem impulsy w układzie będą pra−

widłowe, natomiast przyczyną zniekształceń obra−

zu w oscyloskopie będzie właśnie niepoprawne

prowadzenie obwodu masy.

Błędne jest także dwukrotne połączenie obwo−

du masy, tak „na wszelki wypadek”. Dlatego rysu−

Rys. 37.Błędne prowadzenie „podwójnej” masy

nek 37 jest przekreślony. W takiej sytuacji ekran

kabla i dodatkowy przewód tworzą pętlę. W pętli

tej indukuje się prąd, być może o znacznej wartoś−

ci, który na rezystancji ekranu kabla może wywołać

zauważalny spadek napięcia.

Przy okazji omawiania zakłóceń warto jeszcze

wspomnieć o kolejnej możliwości utworzenia pętli

masy. Większość oscyloskopów ma wtyczkę „z

uziemieniem”. Bolec uziemiający jest połączony

z obudową oscyloskopu, czyli masą. Jeśli używany

zasilacz ma takie same połączenie obwodu

„uziemienia”, wtedy połączenie przewodami masy

zasilacza, masy układu i masy oscyloskopu za−

mknie takową pętlę. Na problemy z taką pętlą ma−

sy można się natknąć bardzo często i nie ma jedno−

znacznej reguły, jak wtedy postąpić.

W każdym razie generalnie należy unikać pętli

masy i stosować sposób z rysunku 36c.

Wiadomości podane w dwóch ostatnich odcin−

kach nie wyczerpują wszystkich spraw związanych

z praktycznym wykorzystaniem oscyloskopu. Syg−

nalizują jednak dwa podstawowe zagadnienia:

– Czy dołączenie oscyloskopu ma wpływ na pracę

badanego układu?

– Czy obraz na ekranie dokładnie odwzorowuje

przebiegi w badanym układzie?

Dobry elektronik powinien zdawać sobie spra−

wę, na ile parametry wejścia oscyloskopu, zasto−

sowanej sondy i sposobu podłączenia, mają wpływ

na działanie układu i kształt przebiegów na ekranie.

(red)

fotografie

1. Aktywna sonda pomiarowa Tektronix 1GHz

1MHz 1pF (skanować z prospektu

2. Sonda prądowa AC 100mA−1000A firmy Flu−

ke (skanować zkatalogu str. 35

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: