Введение в осциллографы
В этой статье рассматриваются различные типы осциллографических зондов и способы их использования.
Давайте поговорим о осциллографах … в общих условиях
Осциллограф (aka scope или o-scope) является очень мощным инструментом - и, возможно, самым используемым оборудованием - для инженеров-электриков или любого другого, кто хочет измерить электрические характеристики электронных устройств. Однако вам нужно больше, чем просто осциллограф; вам также нужен хотя бы один зонд.
При выборе зонда для вашего o-scope лучше всего проверить руководство o-scope, чтобы узнать, какой зонд он рекомендует. Если ваше руководство нигде не найдено (что часто бывает в реальном мире), перейдите на веб-сайт производителя осциллографа для получения рекомендаций.
При выборе зондов следует также учитывать следующую информацию:
- Убедитесь, что входной разъем датчика соответствует разъему на вашем пространстве.
Большинство осциллографов имеют разъемы типа BNC; SMA - еще одна возможность. См. Рисунки 1 и 2 ниже.
- Выберите зонд, входное сопротивление и емкость которого соответствуют входному сопротивлению и емкости вашего прицела. Как правило, желательно, чтобы зонд имел наименьшее влияние на измеряемую цепь - это называется эффектом нагрузки. Сопротивление и соответствие емкости имеют решающее значение для обеспечения правильной передачи сигнала и точности сигнала.
Рисунок 1. Разъем BNC. Изображение предоставлено Swift. Hg (CC BY-SA 3.0)
Рисунок 2. Разъем SMA. Изображение предоставлено Swift. Hg (CC BY-SA 3.0)
Большинство современных областей позволяют выбирать входное сопротивление 50 Ом или 1 МОм. Для универсального тестирования обычно используется вход 1 МОм. Входное сопротивление 50 Ом используется для высокоскоростных сигналов (думаю, микроволны), задержки распространения в логических схемах и тестирование импеданса печатных плат.
В отличие от стандартного входного сопротивления области, равного 1 МОм или 50 Ом, входная емкость области может меняться в зависимости от ширины полосы пропускания и других конструктивных особенностей. При этом общая входная емкость для многих областей с 1 МОм составляет 20 пФ. Однако это значение может варьироваться от 5 пФ до 100 пФ. Наилучший подход для сопоставления зонда с областью - это сначала выбрать зонд, емкость которого находится в пределах вашей области действия, а затем точно настроить емкость зонда, отрегулировав свою компенсационную сеть, используя конденсатор триммера зонда, если это возможно. Этот процесс известен как компенсация вашего зонда.
Сколько зондов и какие типы вам нужны
Сколько зондов и тип зондов вам может понадобиться, зависит от ситуации. Например, если требуется только индивидуальное измерение напряжения постоянного тока, то потребуется пассивный одномодовый датчик напряжения 1 МОм. Однако, если вы измеряете время установления и удержания высокоскоростного сигнала, например, линии передачи данных NAND на твердотельном накопителе (SSD), то вам нужно использовать два активных высокоскоростных дифференциальных датчика, См. Рисунок 4 для примера такого типа измерений.
Рисунок 3. Активный дифференциальный датчик Tektronix. Изображение из этого технического описания (PDF). Обратите внимание на переключатель селектора ослабления 10 × и 1 ×
Рисунок 4. Высокоскоростные измерения напряжения и времени удержания
Пассивные зонды
Пассивные зонды являются наиболее часто используемыми зондами для проведения измерений общего назначения. Пассивные зонды строятся с использованием проводов, разъемов, корпуса и, при необходимости, компенсационных или затухающих резисторов или конденсаторов. В этих типах зондов не используются активные компоненты, такие как транзисторы или усилители. Вообще говоря, пассивные зонды просты в использовании, относительно недороги и довольно прочны.
Пассивные зонды обычно доступны в следующих конфигурациях:
- 1 ×: отсутствие затухания
- 10 ×: коэффициент ослабления 10
- 100 ×: коэффициент затухания 100
- 1000 ×: коэффициент затухания 1000
Датчики затухания служат для умножения диапазона измерения напряжения осциллографа с использованием внутреннего резистора, который при использовании в сочетании с входным сопротивлением области создает делитель напряжения. Например, типичный 10-зонный датчик содержит внутренний резистор 9 МОм, который при использовании с областью 1 МОм создает коэффициент ослабления 10: 1 на входном канале области видимости. Это означает, что отображаемый сигнал на области будет 1/10-й величины фактического измеренного сигнала. Эта функция ослабления полезна для следующих причин:
- Он позволяет измерять сигнал, который может превышать пределы осциллографа.
- Схема затухания приводит к более высокому сопротивлению (как правило, хорошему) и более низкой емкости, что важно для высокочастотных измерений.
См. Рисунок 5 ниже для типичной схемы пассивного зонда 10 ×.
Рисунок 5. Типичная схема пассивного зонда 10 ×
Активные зонды
Активные зонды получают свои имена, потому что они содержат активные компоненты, такие как полевые транзисторы или усилители (см. Рис. 6 ниже). Активные зонды обычно используются для проведения высокоскоростных измерений (> 500 МГц) или высокоомных цепей. Для таких применений пассивные зонды не являются адекватными: они могут вызывать сильную нагрузку на цепь (поскольку входное сопротивление не намного выше выходного импеданса схемы) и ухудшение высокочастотных характеристик (поскольку датчик имеет слишком большую емкость).
Активные зонды используют внутренние полевые транзисторы или другие активные компоненты, которые обеспечивают чрезвычайно высокое входное сопротивление и низкую входную емкость (~ 1 пФ). Активные датчики снаружи питаются, что позволяет им усилить сигналы без использования мощности от тестируемой схемы.
Рисунок 6. Типичная схема однократного активного зонда
Активные зонды имеют полосу пропускания от 500 МГц до 4 ГГц, и обычно они имеют выходной импеданс 50 Ом (который соответствует входному импедансу 50 Ом области). Однако существуют активные датчики с выходным сопротивлением 1 МОм (см. Рис. 7 ниже).
Рисунок 7. Активный зонд (выходное сопротивление 1 МОм). Изображение предоставлено Teledynelecroy.com
Одним из ограничений активных зондов, как видно на рисунке 7 выше, является их ограниченный диапазон напряжений. Обычно этот диапазон составляет от ± 0, 6 до ± 10 В с максимальным значением напряжения ± 40 В.
Дифференциальные датчики
Дифференциальные датчики измеряют дифференциальные сигналы. То есть они измеряют разницу между любыми двумя точками. Это контрастирует с однополярным зондом, который измеряет разницу между одной точкой и землей. Дифференциальные датчики особенно популярны для измерения высокочастотных сигналов или сигналов очень низкой амплитуды (т. Е. Приближения к шумовому полу). Дифференциальные датчики используют дифференциальный усилитель для преобразования разности между двумя сигналами в напряжение, которое может быть отправлено на типичный односторонний ввод области. См. Рисунок 8 ниже.
Дифференциальные датчики предлагают высокую частотную характеристику отклонения в широком диапазоне частот.
Рисунок 8. Типичная схема активного дифференциального зонда
Текущие датчики
Токовый зонд обеспечивает неинвазивный метод измерения электрического тока, протекающего через проводник. В датчике постоянного тока используется датчик Холла для измерения магнитного поля, генерируемого постоянным током при его прохождении через ферритовый сердечник зонда. В датчике тока переменного тока используется трансформатор тока для измерения переменного тока при его протекании через сердечник зонда. Токовые датчики, измеряющие ток переменного и постоянного тока, также доступны и довольно распространены.
Ферритовые сердечники внутри токовых зондов по существу разрезаются пополам, так что сердцевина может быть «открыта», что позволяет проводить проводящий тест внутри сердечника; ядро должно быть закрыто перед принятием текущих показаний.
На рисунке 9 ниже показана внутренняя конструкция токового зонда, а на рисунке 10 показаны измерительные приборы переменного и постоянного тока.
Рисунок 9. Токовый измерительный зонд Fluke. Изображение предоставлено Fluke
Рисунок 10. Слева: трансформатор тока только для переменного тока. Справа: датчик эффекта Холла помещен в воздушный зазор для измерения постоянного тока. Изображение предоставлено Fluke
Рисунок 11. Пример токового зонда. Изображение предоставлено yokogawa.com
Предложения зондов
В заключение я хотел бы предложить следующие предложения по зондированию:
Всегда компенсируйте свои датчики:
Есть небольшие вариации ввода от области до области охвата и даже между различными каналами в одном и том же объеме. Чтобы преодолеть эти вариации, всегда хорошая инженерная практика компенсировать зонд для конкретного канала области, который вы будете использовать.
Используйте соответствующие адаптеры зонда:
Всегда используйте подходящий наконечник зонда и / или наконечник зонда, когда это возможно. См. Рисунок 3 выше для разных типов адаптеров.
Держите заземление коротким:
- Неоправданно длинный провод заземления зонда может привести к значительной индуктивности, приводящей к искажению и / или искажению сигнала.
- Удерживание проводов заземления зонда особенно важно при измерении высокоскоростных сигналов и сигналов с низкой амплитудой. Длинные выводы заземления ведут себя как антенны и могут поднимать шум, что приводит к искажению сигнала.
Вспомогательная информация
- Анализ основных осциллограмм с осциллографом
- Rohde и Schwarz - Осциллограф HMO3042
- Webinar Replay: 12 вещей, которые следует учитывать при выборе осциллографа