Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 8, Elektronika, Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
POMIARY
Pomiary oscyloskopowe:
okiem praktyka, część 8
Sondy napięciowe aktywne
Ich główną zaletą jest duża
impedancja wejściowa, utrzymy-
wana w szerokim zakresie często-
tliwości. Pojemność takiej sondy
jest znikoma i osiąga wartości na-
wet rzędu kilkuset fF. Osiąga się
to poprzez wbudowanie w głowicę
sondy wzmacniacza buforowego.
Małą pojemność zapewnia wejście
z tranzystorem FET oraz odpowied-
nia konstrukcja głowicy i grotu.
Spójrzmy na
rys.
38
. Przedstawia
on uproszczony schemat sondy ak-
tywnej. Jak widać składa się ona
z trzech bloków: głowicy, przewodu
i wtyczki. W głowicy umieszczony
jest opcjonalny dzielnik oraz bu-
for. Ponieważ wyjście bufora jest
niskoomowe, zatem możliwe jest
zastosowanie w torze sygnałowym
klasycznego przewodu koncentrycz-
nego (w sondach biernych stosowa-
ny jest przewód ze środkową żyłą
oporową). Od strony oscyloskopu
jest on zakończony dopasowanym
obciążeniem 50 V. Przez wyjście
wzmacniacza w głowicy jest więc
widziany jako czysta rezystancja.
Ponieważ wzmacniacz w głowicy
sondy musi być zasilany, przewód
sondy aktywnej zawiera poza to-
rem sygnałowym także kilka do-
datkowych żył. Widoczne jest to
na
rys.
40
. We wtyczce sondy ak-
tywnej umieszczony jest zazwyczaj
zasilacz wzmacniacza oraz układ
identyfikacji. Identyfikacja w naj-
prostszym wydaniu, (ale też po-
wszechnie stosowanym) to pamięć
z interfejsem I
2
C, w której zapisane
są nazwa sondy oraz wymagane
nastawy. Po dołączeniu takiej son-
dy do oscyloskopu automatycz-
nie ustawiana jest skala pionowa
oraz włączane obciążenie 50 V.
W zależności od rodzaju sondy
(napięciowa, prądowa, optyczna)
ustawiana jest także odpowied-
nia jednostka skali. Widoczny na
rysunku obwód regulacji offsetu
jest opcjonalny. Obwód ten wy-
korzystany być może podczas po-
miarów małej składowej zmiennej
Opisane w poprzednim odcinku sondy pasywne pracują w paśmie
do kilkuset MHz. Dla wyższych częstotliwości nie da się pominąć
wpływu stosunkowo dużej pojemności wejściowej. Dodatkowo, aby
zapewnić względnie szerokie pasmo, sondy te muszą tłumić sygnał
najmniej dziesięciokrotnie. Pomiar sygnałów o małych amplitudach
i dużych częstotliwościach staje się problematyczny. W takim
przypadku stosuje się sondy aktywne.
nałożonej na dużą składową stałą.
Regulacja offsetu sondy o zwrocie
przeciwnym do składowej stałej
badanego sygnału, pozwala obser-
wować składową zmienną na całej
wysokości ekranu. Służy on także
do automatycznego wyrównywania
przesunięć przebiegu wynikających
np. ze zmian temperatury otocze-
nia wzmacniacza w głowicy sondy.
Podczas kalibracji sondy dołącza
się ją do wyjścia wewnętrznego
52
Elektronika Praktyczna 8/2007
POMIARY
Rys. 38.
Zasilanie sond
aktywnych najczęś-
ciej dostarczane jest
z przyrządu poprzez
interfejs sondy. Nie-
stety, każdy produ-
cent stosuje w tym
zakresie własne roz-
wiązania i dlatego
sondy aktywne nie
są kompatybilne
z przyrządami in-
nych producentów.
Ponadto, nie każ-
dy oscyloskop jest
wyposażony w od-
powiedni interfejs.
Niekiedy możliwe
jest jednak zasilanie
z zewnętrznego za-
silacza sieciowego,
jak np. w przypadku sondy różni-
cowej Tektronix P5200.
Sondy aktywne są niezastąpione
przy pomiarach sygnałów w szyb-
kich układach cyfrowych. Ustępują
sondom pasywnym jedynie mak-
symalnym dopuszczalnym napię-
ciem wejściowym. Sonda pasywna
ogólnego przeznaczenia, o stopniu
podziału 10X, ma maksymalne na-
pięcie wejściowe na poziomie kil-
kuset woltów (dla P2220 jest to
np. 300 V). Maksymalne napięcie
wejściowe dla sond aktywnych to
zazwyczaj kilkadziesiąt woltów.
Odmianą sondy napięciowej ak-
tywnej jest sonda różnicowa. Po-
siada ona w głowicy wzmacniacz
różnicowy z niesymetrycznym wyj-
ściem. W jednym z poprzednich od-
cinków przedstawiony był sposób
pomiaru sygnałów różnicowych za
pomocą dwóch sond pasywnych,
dołączonych do dwóch kanałów
oscyloskopu. Wadą takiego rozwią-
zania jest istnienie dwóch ście-
kalibratora, a dostrojenie dokładnej
wartości wzmocnienia i offsetu wy-
konywane jest automatycznie. Son-
dy aktywne firmy Tektronix wy-
posażone w najnowszą wersję in-
terfejsu VPI posiadają we wtyczce
przycisk MENU. Pozwala on, po
wciśnięciu, otworzyć na ekranie
przyrządu okno z wszystkimi na-
stawami jakie są dedykowane dla
sondy danego typu.
Na rys. 37 w poprzednim od-
cinku przedstawiona była zależ-
ność impedancji wejściowej sondy
pasywnej od częstotliwości. Dla
porównania na
rys.
41
widoczna
jest ta sama zależność dla son-
dy aktywnej 10X Tektronix P6243.
Jak widać początkowa wartość jest
mniejsza i wynosi 1 MV, ale utrzy-
mywana jest do częstotliwości ok.
100 kHz. Dla sondy pasywnej 10X
przy takiej częstotliwości, począt-
kowa wartość impedancji wejścio-
wej spadała z 10 MV do około
100 kV.
Fot. 40.
żek sygnałowych niedopasowanych
idealnie zarówno pod względem
wzmocnienia jak i wprowadzanych
opóźnień. Dlatego taką metodę
cechuje nienajlepszy współczyn-
nik tłumienia sygnału wspólnego,
zwłaszcza dla większych częstotli-
wości. Przeniesienie wzmacniacza
różnicowego bezpośrednio do gło-
wicy sondy radykalnie poprawia
sytuację.
Sondy prądowe
Podobnie jak w przypadku sond
napięciowych, sondy prądowe rów-
nież mogą być pasywne lub ak-
tywne. Sonda prądowa pasywna
to po prostu transformator, dla
którego uzwojeniem pierwotnym
jest przewód z mierzonym prądem.
Sondy tego typu pozwalają mie-
rzyć wyłącznie prąd zmienny, nie-
kiedy w bardzo szerokim paśmie.
Przykładem może być produkowa-
na przez Tektronix sonda CT6, dla
której górna częstotliwość pasma
to aż 2 GHz. Znajdują one zasto-
sowanie między innymi przy po-
miarach dysków twardych, gdzie
wartości prądu są nieduże a pasmo
wymagane do pomiaru wąskich
impulsów bardzo szerokie. Wadą
Fot. 39.
54
Elektronika Praktyczna 8/2007
POMIARY
Rys. 41.
rzystują do po-
miaru czujnik
Halla wykonany
w postaci pół-
przewodnikowej
płytki. Na jej
brzegach umiesz-
czone są dwie
pary elektrod. Do
jednej z par do-
prowadzone jest
napięcie wymu-
szające przepływ
prądu przez płyt-
kę. Pole magne-
tyczne prostopad-
łe do powierzch-
ni płytki powo-
duje powstanie
różnicy potencjałów pomiędzy
elektrodami drugiej pary. Hallotron
umieszczany jest w szczelinie rdze-
nia sondy. W ten sposób uzysku-
je się poszerzenie dolnej granicy
pasma pomiarowego do składowej
stałej. Zasilanie doprowadzane jest
bezpośrednio z przyrządu, poprzez
interfejs sondy lub z wewnętrznej
baterii. Wadą Hallotronu w oma-
wianym zastosowaniu jest wrażli-
wość na pole magnetyczne Ziemi.
Dlatego proste sondy prądowe, wy-
konane z użyciem tego elementu,
mogą dodawać do obserwowanego
przebiegu niewielkie przesunięcie
zależne od orientacji sondy wzglę-
dem ziemskiego pola magnetyczne-
go. Na szczęście sondy prądowe
wyposażone są zazwyczaj w pokręt-
ło regulacji offsetu. Offset powstać
też może pod wpływem namagne-
sowania rdzenia.
Najciekawszą konstrukcją son-
dy prądowej jest obwód pokazany
na
rys.
43
. Wykorzystany jest tu
zarówno transformator jak i hal-
lotron. Dla prądu stałego (a także
dla zmiennego o małej częstotli-
wości) napięcie z czujnika Halla
jest wzmacniane i następnie dopro-
wadzane do cewki. Przez cewkę
płynie wtedy prąd, czego efektem
jest pole magnetyczne o wartości
równej w przybliżeniu polu wokół
przewodu z mierzonym prądem, ale
o przeciwnym zwrocie. Oba pola
znoszą się zatem w rdzeniu son-
dy, dzięki czemu unika się jego
szybkiego nasycania i większy jest
zakres wartości prądu mierzonego.
Napięcie wyjściowe jest proporcjo-
nalne do prądu płynącego przez
cewkę. Ponieważ jednak zależy on
od napięcia na wyjściu czujnika
Halla, obserwowany na ekranie
oscyloskopu przebieg odpowiada
zmianom prądu w mierzonym ob-
wodzie. Dla prądów zmiennych
o większych częstotliwościach i bez
składowej stałej sonda działa po
prostu jak transformator. W zakre-
sie częstotliwości pośrednich cew-
ka pełni przy okazji rolę sumatora
wolnozmiennego napięcia z Hallo-
tronu oraz składowych o częstotli-
wościach większych, indukowanych
w niej samej.
Rdzeń w sondach prądowych
jest przeważnie wykonywany
z dwóch części. Umożliwia to za-
pięcie sondy wokół przewodu bez
potrzeby przerywania mierzonego
obwodu na czas pomiaru. Najbar-
dziej popularnym typem otwiera-
nego rdzenia są tzw. cęgi. Innym
spotykanym rozwiązaniem jest
rdzeń w kształcie jak na rys. 43,
sond prądowych pasywnych jest
nasycanie rdzenia transformatora
obecną w mierzonym sygnale skła-
dową stałą.
Prądowe sondy aktywne wyko-
Fot. 42.
56
Elektronika Praktyczna 8/2007
POMIARY
Rys. 43.
Dla sondy przedstawionej na ostat-
nim rysunku, generator zmiennego
sygnału rozmagnesowującego podłą-
czany jest do cewki pomiarowej na
rdzeniu poprzez wzmacniacz LF,
po uprzednim odłączeniu od jego
wejścia czujnika Halla. Przy dłuż-
szych pomiarach prądów o dużych
wartościach rdzeń może zostać na-
magnesowany, czego wynikiem bę-
dzie dodanie do obserwowanych
przebiegów składowej stałej. Dlate-
go zalecane jest okresowe wykony-
wanie rozmagnesowania.
Zwiększenie czułości sondy prą-
dowej można też łatwo uzyskać
przekładając przewód z mierzonym
prądem przez rdzeń kilkukrotnie.
Każdy taki zwój powoduje jed-
nak zwiększenie impedancji wtrą-
canej w obwód, która niestety jest
proporcjonalna do kwadratu ilości
zwojów. Rośnie też wtedy zafałszo-
wanie kształtu przebiegu. W celu
zminimalizowania zakłóceń i wpły-
wu obciążania, dobrą praktyką jest
zapięcie sondy prądowej na prze-
wodzie od strony masy lub niższe-
go napięcia.
Podobnie jak w przypadku sond
napięciowych, jeśli chcemy obser-
wować małą wartość składowej
zmiennej na tle dużej składowej
stałej, potrzebne jest wprowadzenie
dodatkowego offsetu. Dla sond prą-
dowych wykonać to można w ten
sposób, że przez rdzeń sondy
przekłada się dodatkowy przewód,
w którym wymusza się przepływ
prądu o znanej wartości i zwrocie
przeciwnym do prądu płynącego
w obwodzie badanym.
Andrzej Kamieniecki
Tespol
gdzie tylko jeden element jest ru-
chomy. Strumień magnetyczny
w rdzeniu jest osłabiany na skutek
istnienia szczeliny powietrznej na
styku obu części rdzenia. Dlatego
powierzchnie, którymi się one sty-
kają są bardzo dokładnie szlifowa-
ne. Sondy prądowe na duże czę-
stotliwości są jednak wykonywane
z rdzeniem jednoczęściowym. Wy-
maga to, niestety, rozłączenia ob-
wodu mierzonego i przewleczenia
przewodu przez rdzeń.
Sondy prądowe nie są galwa-
nicznie łączone z mierzonym obwo-
dem, jak ma to miejsce w przypad-
ku sond napięciowych czy w przy-
padku pomiaru prądu multime-
trem. Nie znaczy to jednak, że go
nie obciążają. Zapięcie sondy na
przewodzie równoważne jest wpro-
wadzeniu do obwodu mierzonego
dodatkowej impedancji. Zazwyczaj
modelowana jest ona równoległym
połączeniem rezystancji o wartości
poniżej 1 V i indukcyjności poniżej
5 mH. Dla przykładu, w dokumen-
tacji sondy Tektronix P6021 po-
dane są wartości 4 mV i 2,8 mH.
Niekorzystny wpływ tej impedancji
na kształt obserwowanych przebie-
gów zauważalny jest zwłaszcza dla
większych częstotliwości i szybko
narastających zboczy. Zwiększenie
impedancji wtrącanej w mierzony
obwód jest powodowane także
ekranem magnetycznym rdzenia,
którego zadaniem jest zabezpiecze-
nie przed wpływem pól zewnętrz-
nych.
Część aktywnych sond prądo-
wych nie jest przeznaczona do
pracy bezpośrednio z oscyloskopem
ale poprzez dedykowany wzmac-
niacz. Zapewnia on zarówno zasi-
lanie sondy o odpowiedniej wydaj-
ności, jak też pozwala zwiększyć
czułość sondy. Dodatkowym jego
wyposażeniem jest najczęściej ob-
wód rozmagnesowywania rdzenia.
Elektronika Praktyczna 8/2007
57
[ Pobierz całość w formacie PDF ]