11 мифов об осциллографических пробниках

Практически все, кому приходилось работать с осциллографом хотя бы раз, пользовались осциллографическим пробником. Некоторые остались довольны, а некоторые – нет, возможно, по своей собственной вине. В этой статье я постараюсь развеять некоторые мифы и заблуждения, сложившиеся вокруг осциллографических пробников, чтобы пользователи могли получать более достоверные результаты измерений.

МИФ 1 Для измерения сигнала частотой 100 МГц нужно брать пробник с полосой пропускания 100 МГц.

Полоса пропускания осциллографических пробников определяется тем же способом, что и полоса пропускания осциллографа, с которым они используются – по спаду амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на 3 дБ. Чтобы проиллюстрировать этот факт, мы измерили синусоидальный сигнал с размахом амплитуды 1 В и частотой 100 МГц с помощью пробника с полосой 100 МГц. Амплитуда сигнала на выходе пробника снизилась до 0,7 В. Следовательно, пробник с полосой пропускания 100 МГц не вполне подходит для измерения сигнала 100 МГц. Согласно простому и широко известному правилу, полоса пропускания пробника должна в 3-5 раз превышать максимальную частотную составляющую измеряемого сигнала. Это позволяет захватывать третью и пятую гармонику основной частоты цифрового сигнала, и развёртка на экране осциллографа будет точнее воспроизводить реальный сигнал с крутыми фронтами.

Ещё одно полезное правило выражается формулой:

полоса пропускания × длительность перепада = 0,35,

где длительность перепада измеряется между уровнями 10%-90%.

С помощью этого правила можно определить полосу пропускания, необходимую для измерения перепада исследуемого сигнала, или определить самый крутой перепад, который можно измерить пробником с некоторой полосой пропускания.

МИФ 2. Активные пробники нужны только для широкополосных измерений.

Одним из преимуществ активного пробника, которым пренебрегают чаще всего, является его малая нагрузка на исследуемую схему. При каждом прикосновении пробника к исследуемой цепи он становится частью этой цепи. При подключении пробника к исследуемой цепи в схеме появляется дополнительная паразитная цепь, которую называют нагрузкой пробника. Чем больше эта нагрузка, тем больше пробник влияет на измеряемый сигнал. Производители пробников указывают входное сопротивление и ёмкость своих пробников.

Типичный пассивный пробник с полосой пропускания 500 МГц имеет входное сопротивление 10 МОм с параллельной ёмкостью 9,5 пФ, тогда как активный пробник с полосой пропускания 1 ГГц может иметь сопротивление 1 МОм с параллельной ёмкостью 1 пФ. На постоянном токе такой пассивный пробник выглядит для измеряемой цепи как подключенный к земле резистор 10 МОм, тогда как активный пробник будет иметь сопротивление 1 МОм. Оба эти сопротивления очень велики, а значит, не будут оказывать заметного влияния на низкочастотные сигналы. А вот на высокой частоте всё больше начинает сказываться отрицательное влияние ёмкости пробника на измеряемую цепь. Например, на частоте 75 МГц ёмкость пассивного пробника будет иметь импеданс 150 Ом, тогда как ёмкость активного пробника будет иметь импеданс 2,5 кОм. Меньшая ёмкость активного пробника приводит к тому, что на частотах выше 10 кГц он окажет меньшее влияние на переменные составляющие сигнала по сравнению с пассивным пробником.

МИФ 3. Все пробники ослабляют сигнал в пропорции 10:1.

Пробники ослабляют измеряемый сигнал так, чтобы напряжение на входе осциллографа не превышало допустимого значения. Большие коэффициенты ослабления 10:1, 50:1, 100:1 и т.п. используются для измерения больших напряжений, а меньшие коэффициенты ослабления – 2:1 и 1:1 – лучше подходят для малых напряжений. Это важно учитывать при выборе пробника. Так, для измерения сигнала с размахом амплитуды 1 В можно использовать пассивный пробник 10:1 или 1:1, но пассивный пробник 1:1 обеспечит значительно лучшее отношение сигнала к шуму.

МИФ 4. Просто подключите пробник, и всё будет хорошо.

Это недопонимание может возникать, когда вы видите огромное число соединительных принадлежностей, входящих в комплект поставки пробника, и думаете, что единственным их назначением является подключение пробника к тестируемому устройству. Эти принадлежности предназначены для удобства пользователя, чтобы он мог быстро и просто выполнять качественные измерения – увидеть, есть ли питание, и поступает ли тактовая частота. Выполняя же количественные измерения – длительности перепада, периода, выброса и т.п., лучше исключить все принадлежности и использовать максимально короткое соединение. Принадлежности большой длины добавляют в тракт сигнала индуктивность и сильно сужают его полосу пропускания, одновременно повышая нагрузку на измеряемую цепь.

МИФ 5. Земля – это всегда про заземление.

Это утверждение кажется совершенно очевидным, но для осциллографического пробника оно может быть несправедливым. Всё зависит от того, как именно пробник подключен к земле. Земляной провод пробника обладает некоторой индуктивностью, и его импеданс растёт пропорционально частоте. Чем длиннее земляной провод, тем больше его индуктивность, и тем меньше частота, на которой эта индуктивность начинает создавать проблемы. Дело в том, что обратный ток, протекающий по экрану пробника, сталкивается с этим импедансом. Это сужает полосу пропускания пробника и создаёт звоны на перепадах сигнала. Кроме того, чем длиннее земляной провод, тем больше площадь создаваемой им петли, которая ведёт себя как антенна, улавливающая посторонние шумы. Поэтому всегда нужно стремиться к тому, чтобы земляной провод был как можно короче.

МИФ 6. Для измерения мощности нужно использовать токовый пробник и пробник напряжения.

Мощность есть ток, перемноженный на напряжение, поэтому приведённое выше утверждение представляется истинным. Подвох в том, что оно неполное. Для точного измерения мощности осциллографом надо учитывать сдвиг фазы между пробником напряжения и пробником тока. Электрические длины пробников тока и напряжения, как правило, не равны. Это связано с длиной кабелей и задержками в активных цепях, и может приводить к тому, что сигналы двух пробников приходят в осциллограф не синхронно. При этом для таких систем, как импульсные источники питания, в которых ток и напряжение динамически меняются, результат произведения тока на напряжение окажется неверным. Коррекция сдвига фаз устраняет разницу времени прохождения сигналов по цепям пробников и исправляет эту ошибку. В прилагаемой к пробникам документации должно содержаться детальное описание этой процедуры, которая обычно подразумевает подключение пробников к известному сигналу, например, к предлагаемому производителем специальному приспособлению, и коррекцию сдвига фаз путём настройки задержки канала осциллографа. Многие осциллографы имеют встроенную процедуру коррекции сдвига фаз, которая выполняется автоматически при подключении к эталонному сигналу.

МИФ 7. Для устранения постоянной составляющей нужно применить фильтрацию постоянного тока или связь по переменному току.

Часто исследуемый сигнал представляет собой сигнал переменного тока со смещением сравнительно большой постоянной составляющей. Примером такого сигнала могут служить пульсации и шум источников питания постоянного тока. Классический подход заключается в том, чтобы включить последовательно с пробником конденсатор достаточно большой ёмкости, который не пропускает постоянную составляющую и позволяет расположить развёртку сигнала в центре экрана в наиболее комфортном для исследования масштабе. Но лучше использовать для этого пробник с встроенной функцией смещения, например, пробник Keysight N7020A Power Rail.

Смещением пробника называется процесс, в ходе которого осциллограф подаёт на пробник компенсирующее напряжение, в идеальном случае уже после большого сопротивления в наконечнике пробника. Преимущество смещения пробника в том, что устраняется только постоянное смещение. Если постоянное смещение блокируется конденсатором, то при этом подавляются и низкочастотные составляющие сигнала. При измерении пульсаций и шума источника питания, блокировка постоянной составляющей отфильтровывает низкочастотный дрейф источника и просадку питания. Ещё одно преимущество смещения пробника заключается в том, что пользователь сам вводит смещение, в результате осциллограф знает, насколько смещён сигнал, и может отобразить эту информацию и использовать её в расчётах и автоматических измерениях.

МИФ 8. Никогда не помещайте осциллографические пробники в климатическую камеру.

Были времена, когда это утверждение было справедливым. Однако сегодня имеются специальные возможности для высокотемпературных измерений. Например, Keysight предлагает широкий ассортимент датчиков тока и напряжения, которые могут применяться в климатических камерах и работать в диапазоне температур от -50 до +150 °C. Кроме способности выдерживать высокие температуры эти пробники имеют также и более длинные кабели, что позволяет проводить измерения непосредственно в камере, а наблюдать за измерениями на установленном снаружи контрольно-измерительного оборудовании.

МИФ 9. Пробники тока не подходят для измерения “малых” токов.

Многие пользователи осциллографических пробников тока имеют отрицательный опыт измерения малых токов (1-50 мА) и заметили, что разброс показаний пробников тока от измерения к измерению может быть больше, чем сам измеряемый ток. Это связано с целым рядом факторов, таких как изменение положения проводника, проходящего через пробник, тепловой дрейф пробника, остаточная намагниченность или наводка внешних сигналов на измерительный трансформатор тока. Но сейчас выпускаются новые модели пробников, такие как токовые пробники высокой чувствительности Keysight N2820A, которые специально предназначены для измерения очень малых токов (несколько мкА и ниже). Эти пробники отбросили прежний метод измерения на основе магнитного поля и эффекта Холла и вместо этого полагаются на закон Ома. Они представляют собой дифференциальные пробники напряжения, которые измеряют падение напряжения на резистивном датчике с сопротивлением в диапазоне от 1 мОм до 1 МОм, и выводят на осциллограф результаты измерения, выраженные в амперах. Такой подход устраняет перечисленные выше источники ошибок и позволяет точно измерять очень малые токи с помощью осциллографа.

МИФ 10. Нельзя использовать два пробника и одновременно управлять осциллографом.

Среди продуктов, выпускаемых производителями пробников, есть держатели и позиционеры пробников, которые не столь широко рекламируются и поэтому не получили широкой известности. Эти удобные принадлежности работают как дополнительная рука, позволяя пользователю управлять осциллографом и одновременно снимать сигналы в нескольких точках. Сложность этих приспособлений простирается от простой подставки с двумя ножками, которая пристёгивается к пробнику, образуя устойчивую треногу, в которой в роли третьей ноги выступает сам пробник, до многокоординатных гибко позиционируемых держателей, которые могут держать пробник в любой ориентации, позволяя контактировать не только с горизонтальными, но и вертикальными объектами.

МИФ 11. Сложно снимать сигнал в современных конструкциях с высокой плоскостью монтажа.

Снимать сигнал в устройствах с высокой плоскостью монтажа не так сложно, как многие думают. Производители пробников постоянно создают новые приспособления или линейки пробников, чтобы упростить доступ к сигналам при высокой плотности монтажа. Они уменьшают диаметр новых пассивных пробников, стремясь упростить обзор объектов, или в некоторых случаях снабжают активные пробники подсветкой. Выпускается даже новейшая магнитная головка пробника, Keysight N2851A, в которой пользователь припаивает к контрольной точке небольшую контактную площадку, а пробник подключается к площадке и удерживается на месте маленькими магнитами. Такой пробник можно легко перемещать между контрольными точками.