З чого починається осцилограф

Магазин Gtest(R) пропонує широку номенклатуру Осцилографів та Аналізаторів Спектру на сторінці сайту в самому кінці цього Розділу, а також рекомендовані прилади та статті для самоосвіти

За матеріалами компанії Tektronix Inc., Переклад та редакція Яковлєва В.А.

Частина 1.

Точні вимірювання починаються з кінчика пробника:

Детальні інструкції щодо підбору конкретного осцилографічного щупа при вирішенні складних прикладних завдань у галузі проектування електронних систем, експлуатації електротехнічних установок, мереж зв'язку, а також проблем вимірів загального характеру.

Цей цикл публікацій заснований на матеріалах компанії Tektronix Inc., - абсолютного світового лідера в галузі розробки та виробництва найбільш універсальних та затребуваних приладів – осцилографів. За допомогою опублікованих відомостей ви отримуєте можливість робити усвідомлений вибір пробників за серіями, номером моделі, стандартами/додатками, можливостями точних налаштувань під специфічні завдання тестування. Докладний перелік рекомендованої продукції складено також і в електронному вигляді на сайті www.tektronix.com/probes , де після кожного натискання мишки викладена інформація оновлюється.

Інформаційні ресурси компанії Tektronix

Наявність постійно розширюючої бібліотеки книг, нотаток, описів рішень завдань та статей технічного змісту, а також інших інформаційних ресурсів допоможуть інженерам отримати максимальний ефект як від самих пробників, так і від контрольно-вимірювального обладнання різного функціоналу.

Відомості про безпеку

Під час здійснення вимірювань електричних або електронних систем/ланцюгів, питання персональної безпеки виходять на перший план. Переконайтеся, що ви повною мірою усвідомили можливості та функціональні обмеження вимірювального інструментарію, який ви використовуєте. Крім того, перед початком будь-яких процедур тестування, ретельно ознайомтеся із системою або електричними контурами, які мають бути піддані тестам. Перегляньте всю документацію та схеми об'єктів вимірювань, звертаючи особливу увагу на рівні та місцезнаходження точок з напругою, розташовані за ланцюгом або контурами. Крім того, вивчіть всі інструкції, що містять відомості про заходи безпеки.

На додаток до викладеного, обов'язково враховуйте наведені нижче рекомендації, щоб уникнути травм та запобігання поломкам контрольно-вимірювального обладнання.

• Вивчіть характеристики клемних з'єднань;
• Вивчіть правильні процедури заземлення;
• Розберіться як з'єднувати та від'єднувати пробники належним чином;
• Уникайте відкритих ланцюгів;
• Уникайте РЧ опіків під час управління з пробниками;
• Не працюйте без чохлів;
• Не працюйте у вологих умовах;
• Не працюйте у вибухонебезпечній обстановці;
• Не працюйте з ділянками, де ви припускаєте, що є неполадки;
• Утримуйте поверхні пробників чистими та сухими;
• Не занурюйте пробники в рідину.

Цей цикл публікацій складається з наступних розділів:

ПРОБНИКИ – найважливіший пристрій для якості вимірювань

• Що таке пробник?
• Ідеальний пробник
• Реалії пробників
• Кінчики пробників
• Висновки

Різні пробники під різні потреби

• Навіщо є стільки видів пробників?
• Різні види пробників та переваги кожного
• Плаваючі виміри
• Аксесуари до пробників

Посібник з вибору пробників

• Вибір «правильного» пробника
• Розуміння джерела сигналів
• Проблеми осцилографів
• Визначення ступеня «правильності» пробника

Як пробники впливають на результати ваших вимірів

• Вплив повного опору джерела
• Ємнісне навантаження
• Облік смуги пропускання
• Що робити з факторами впливу пробників?

Розуміння специфікацій пробників

• Загальноприйняті помилки
• Пробники ампер-секунда (струмові пробники)
• Коефіцієнт ослаблення (універсальне поняття)
• Точність (універсальне поняття)
• Смуга пропускання (універсальне поняття)
• Ємнісний опір (універсальне поняття)
• Коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу (CMRR, диференціальні пробники)
• Несуча частота зниження номінального струму (струмові пробники)
• Постійний струм (струмові пробники)
• Опір, що вноситься (струмові пробники)
• Вхідна ємність (універсальне поняття)
• Вхідний опір (універсальне поняття)
• Максимальна величина вхідного струму (струмові пробники)
• Максимальна величина пікового струмового імпульсу (струмові пробники)
• Максимальна величина напруги (універсальне поняття)
• Затримка поширення (універсальне поняття)
• Час наростання (універсальне поняття)
• Тангенційний шум (активні пробники)
• Тангенційний діапазон (універсальне поняття)

Просунуті технології вимірювань за допомогою пробників

• Проблеми із висновками заземлення
• Диференціальні виміри
• Вимірювання сигналів невеликого рівня

Пояснення щодо запобіжних заходів (наведені вище)

ГЛОСАРІЙ

ПРОБНИКИ – найважливіший пристрій для якості вимірювань

Пробники життєво необхідні здійснення вимірювань з допомогою осцилографів. Для розуміння цього, від'єднайте пробники від осцилографа і спробуйте щось протестувати. Зробити це неможливо, оскільки обов'язково має бути присутнє електричне з'єднання, створюване яким-небудь щупом на ділянці між досліджуваним сигналом і вхідним каналом осцилографа. Крім виконання ролі незамінного пристрою при процедурах вимірювань осцилографами, пробники також мають величезний вплив на якість тестів. При приєднанні пробників до електричних ланцюгів можуть виникнути явища, що впливають на роботу цих ланцюгів, таким чином, осцилограф буде представляти на екрані і вимірювати параметри того сигналу, що надходитиме на вхід осцилографа за допомогою пробника, що задіюється в той момент. Виходячи з цього, існує обов'язкова умова:

Необхідно, щоб пробник мав мінімальний вплив на тестований ланцюг, при цьому підтримував адекватний рівень точності при відтворенні сигналів по ходу всіх режимів вимірювань.

Якщо пробник не підтримує необхідний рівень точності відтворення сигналів, тоді відбуваються спотворення їх характеристик за непередбачуваним алгоритмом або мають зміни на функціональному рівні досліджуваної електронної схеми. В результаті осцилограф бачить не більше ніж спотворену версію цього сигналу. Підсумок: інженери отримують недостовірні або абсолютно помилкові результати вимірювань.

Рис. 1.1 Пробник являє собою пристрій, що встановлює фізичне та електричне з'єднання між осцилографом та точкою тестування.

Електронна схема під тестуванням, Точка тестування, Пробник, Осцилограф

За своєю суттю пробник – первинний канал у складі вимірювального ланцюжка осцилографа. А ефективність всього цього вимірювального комплексу однаково залежить як від пробника, так і від осцилографа. Понизьте характеристики первинного каналу за допомогою застосування неадекватного пробника або через залучення неправильних методик, і вся ваша система вимірювань «завалиться».

У цьому та наступних розділах читач усвідомить, що саме робить внесок у посилення або ослаблення продуктивності пробників і яким чином підібрати правильний пробник під конкретне завдання. Крім того, можна буде ознайомитися з деякими важливими підказками, щоб використовувати пробники максимально ефективно.

Що таке пробник?

Спочатку давайте визначимося з цим поняттям. У найзагальнішому вигляді пробник можна охарактеризувати як фізичне та електричне з'єднання між точкою тестування (джерелом сигналу) та осцилографом. Залежно від завдань тестування, це з'єднання може бути встановлене в найпростішому випадку за допомогою шматка дроту, а в найскладнішому - активним диференціальним пробником. Тоді цілком достатньо сформулювати визначення, що осцилографічний пробник є деяким пристроєм або ділянкою мережі, що з'єднують джерело сигналу з вхідним каскадом осцилографа. Ця теза наочно проілюстрована на рис. 1.1 де пробник графічно позначений як якийсь невизначений об'єкт у вимірювальній схемі.

Рис. 1.2 Більшість пробників складаються з головки, кабелю, схеми компенсації або пристрою формування сигналу

Схема під тестуванням, головка пробника, точка тестування, кабель пробника, пристрій компенсації, осцилограф

Де б і коли б не задіявся пробник, він повинен забезпечувати надійний та якісний зв'язок між джерелом сигналу та входом осцилографа (див. рис. 1.2). Адекватність з'єднання у вимірювальній схемі повинна забезпечуватися вирішенням трьох найважливіших проблем, які присутні: на фізичному з'єднанні з точкою тестування, при впливі пробника на функціональність ланцюга, що вимірюється (схеми) і при передачі сигналу по кабелю. Для того щоб приступити до вимірювань за допомогою осцилографів, насамперед необхідно мати фізичну можливість зстикувати кінчик пробника з точкою тестування. Для реалізації цього завдання більшість пробників мають у складі щонайменше один або два метри кабелю, що є їх невід'ємною частиною (див. рис. 1.2). Кабельне розведення пробників дозволяє використовувати осцилографи в стаціонарному положенні як в транспортному засобі, так і в лабораторіях умовах, у той час як самі пробники можна переміщати від однієї точки вимірювань до іншої по всій ланцюгу, що тестується. Але при цьому доводиться чимось поступатися. Справа в тому, що кабель пробника знижує його смугу пропускання в прямій послідовності: що більше довжина кабелю, то більше вписувалося зниження. Слід враховувати, що крім кабелю певної довжини більшість пробників також мають у складі головки з насадками і кінчиками. Головка пробника дозволяє утримувати його, тоді як ви маневруєте кінчиком для встановлення контакту з точкою тестування. Зазвичай кінчик пробника має форму пружного гачка, що дає можливість фізичного стикування всього пробника з точкою тестування.

Фізичне з'єднання пробника з точкою тестування також встановлює ще й електричний зв'язок між кінчиком пробника і входом осцилографа. Для отримання достовірних результатів вимірювань з'єднання пробника з вимірюваним ланцюгом повинно мати мінімальний вплив на функціональність цього ланцюга, при цьому сигнал на кінчику пробника повинен з високою точністю передаватися через головку та кабель на вхідний каскад осцилографа. Таким чином, всі три перелічені аспекти: фізична стиковка з об'єктом, мінімальний вплив на функціональність ланцюга, що вимірюється, висока точність сигналу, що транслюється, охоплюють більшість параметрів, які необхідно враховувати при виборі «правильних» пробників. Через те, що завжди має місце вплив пробників на електронні схеми і необхідно підтримувати високу точність сигналів, що передаються на осцилограф, саме ці проблеми являють собою найбільшу складність, відповідно їм присвячена більша частина матеріалів у публікованому циклі статей. Однак ніколи не слід ігнорувати і проблеми, пов'язані з фізичним стикуванням кінчика пробника та точки тестування. За наявності труднощів зі з'єднанням пробника з досліджуваним ділянкою на ланцюгу, виникають ситуації, коли точність при відтворенні сигналів, що передаються на осцилограф істотно знижується.

Ідеальний пробник

В ідеальному світі ідеальний пробник повинен мати наступні атрибути:

• Зручність та простота з'єднань
• Здатність передавати абсолютно точний сигнал
• Нульове навантаження на точки тестування
• Абсолютний імунітет на шумові дії

Зручність та простота з'єднань

Встановлення фізичного каналу з точкою, що тестується, вже згадувалося як одна з ключових вимог при виробництві вимірювань. У разі ідеального пробника ви повинні мати можливість встановлювати з'єднання легко і швидко. Коли тестуються мініатюрні електронні схеми, такі як плата високощільного поверхневого монтажу (SMT), то простота і зручність у встановленні фізичного каналу досягаються за допомогою надмініатюрних насадок і головок пробників, а також різних адаптерів, спеціально розроблених для пристроїв SMT.

Така система пробників представлена на рис. 1.3а. Однак ці моделі пробників занадто малі для практичного використання в певних додатках, як, наприклад, промислові енергетичні мережі, де, як правило, присутні високі значення напруги та конструктиви дротяних міжзубних лігатур. Для додатків у галузі енергетики потрібні значно більші за фізичними розмірами пробники з великим запасом за параметрами безпеки. На рис. 1.3b та 1.3с представлені зразки таких пробників. На рис. 1.3b показаний високовольтний пробник, але в рис. 1.3c струмовий пробник із затискачами.

Рис. 1.3а, 1.3b та 1.3c Різні моделі пробників використовуються для різних додатків та технологій, а також методик тестування

Рис. 1.3a Система пробників для пристроїв SMT

Рис. 1.3b Високовольтний пробник

Рис. 1.3c Токовий пробник із затискачем

Розглядаючи ці кілька прикладів за методами фізичного з'єднання, стає ясно, що немає певних ідеальних розмірів пробника чи змін під усі додатки. Через це були розроблені численні моделі та варіанти пробників, з різними форм факторами для відповідності завданням у різних застосуваннях.

Здатність передавати абсолютно точний сигнал

Ідеальний пробник повинен передавати будь-який сигнал від кінчика до входу осцилографа за абсолютної точності відтворення цього сигналу. Іншими словами, сигнал, що з'являється на кінчику пробника повинен прибути на вхідний роз'єм осцилографа точно в такому вигляді. Для досягнення абсолютної точності, електричний ланцюг пробника від його кінчика до входу осцилографа повинна мати нульовий коефіцієнт зниження, безмежну смугу пропускання і лінійну фазу по всіх частотах. Суть у тому, що всі ці ідеальні характеристики не тільки неможливо досягти, але ще й непрактичні. Наприклад, немає потреби в безмежній смузі пропускання пробника або навіть осцилографа в тих випадках, коли ви маєте справу з частотами аудіо сигналів. Так само немає необхідності у володінні безмежною смугою, з урахуванням того, що 500 МГц цілком достатньо для аналізу більшості високошвидкісних цифрових сигналів, ТБ та інших подібних додатків з використанням осцилографа. Таким чином, в рамках певної смуги пропускання при вирішенні конкретних завдань фактор абсолютної точності сигналу може стати якоюсь ідеальною характеристикою, якої можна прагнути і брати за основу лише теоретично.         

Нульове навантаження на джерела сигналів та точки тестування

Електрична схематика за точкою тестування може вважатися чи моделюватися як джерело сигналів. Будь-який зовнішній пристрій, як пробник, підстикований до цієї точки, може стати додатковим навантаженням на це джерело, розташоване за точкою тестування.

Зовнішній пристрій виступає як навантаження коли воно відводить величину струму з ланцюга (джерела сигналів). Таке навантаження або вилучення певної струмової величини змінює функціональність електронної схеми, що знаходиться за і навколо точки тестування, тим самим змінюється і оригінальний сигнал, що виходить саме від цієї точки на вхід осцилографа.

Ідеальний пробник взагалі не є об'єктом навантаження на джерело сигналів. Іншими словами, він взагалі не «витягує» струмовий сигнал від джерела. Це означає, що при нульовому значенні відведення струму пробник повинен володіти безмежним імпедансом, фактично являючи собою розімкнений ланцюг у відношенні до точки тестування.

Насправді ж, пробник з нульовим навантаженням на джерело сигналів немає. Це тому, що в будь-якому випадку пробник повинен відводити деяку невелику кількість струмового сигналу для створення значення напруги на вході осцилографа. Відповідно, при будь-якому розкладі очікується деяке навантаження на джерело сигналів при використанні будь-якого пробника. Тим не менш, метою будь-якого інженера має бути мінімізація величини навантаження за допомогою ретельного підбору пробників (або осцилографічних щупів).

Абсолютний імунітет на шумові дії

Флуоресцентні лампи та мотори від вентиляторів – лише дві позиції з більшості джерел електричних шумів, що оточують нас. Ці джерела можуть наводити шуми, що генеруються ними, на прилеглі кабельні розведення і ланцюги, тим самим додаючи негативні впливи до аналізованих в даний момент сигналів. Зрозуміло, що через сприйнятливість до шумів, що наводяться, простий шматок дроту навряд чи може виступати в якості ідеального осцилографічного пробника.

Ідеальний пробник повністю несприйнятливий до всіх джерел джерел шумів. В результаті сигнал, що надійшов на осцилограф, не містить в собі ніяких інших перешкод, крім тих, що надійшли на нього в точці тестування.

На практиці застосування екранованих пробників дозволяє досягти високого рівня імунітету шумів, що стосується більшості рівнів сигналів. Тим не менш, шум може залишатися проблемою для певних сигналів низького рівня. Особливо шумові впливу являють собою серйозну загрозу для диференціальних вимірювань, про що йтиметься нижче.

Реалії пробників

У попередніх розділах секції «Ідеальний пробник» йшлося в кількох аспектах, що значно відрізняють реальні пробники від ідеальних. Для розуміння того, як це може впливати на якість вимірювань, що проводяться вашим осцилографом, необхідно ретельно дослідити характеристики пробників, що використовуються інженерами в повсякденних життєвих умовах.

По-перше, необхідно усвідомити, що пробник, навіть якщо це простий шматок дроту, потенційно є складним електричним ланцюгом.

a. Розподілені R для сигналів постійного струму DC (0 Hz), пробник, що заземлює висновок

b. Розподілені R, L, & C для сигналів змінного струму (AC), пробник, що заземлює висновок

Рис. 1.4а та рис. 1.4b Пробники є електричними ланцюгами, скомпонованими з розподілених елементів напруги, індуктивності та ємності (відповідно R, L і C)

Для сигналів постійного струму (частота 0 Гц) пробник являє собою просту пару з певними величинами послідовного і навантажувального опору (рис. 1.4а). Проте, щодо сигналів змінного струму (АС), картина змінюється драматично зі збільшенням частоти (рис. 1.4b). Причиною суттєвої зміни ситуації при вимірюваннях AC сигналів є те, що будь-яка ділянка дроту має розподілену індуктивність (С). Ця величина впливає на сигнали АС через створення значних перешкод протіканню струму АС зі збільшенням частотної характеристики імпульсів. Розподілена ємність реагує з сигналами АС через зниження імпедансу змінного струму, що протікає, при збільшенні частоти сигналу. Взаємодія цих реактивних елементів (L і C) з резистивними елементами [R] продукує загальну величину імпедансу пробника, що варіюється разом із частотною характеристикою сигналу. При належному конструктиві пробника, його елементи R, L, C можуть бути контрольовані для забезпечення необхідних параметрів точності відтворення сигналу, згасання, і навантаження джерела на всіх діапазонах встановлених частот. Але навіть за належного конструктиву пробники обмежені характеристиками своїх електричних кіл. Дуже важливо при виборі пробників бути в курсі цих обмежень та їх впливів на якість вимірювань.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник осцилографів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy