Пример подключения пробника на основе линии передачи

Осциллографические пробники общего применения корпорации LeCroy

PDF версия
Корпорация Teledyne LeCroy Inc. (США) выпускает современные цифровые осциллографы всех классов — от бюджетных для повседневной работы до приборов высокой четкости и широкополосных для тестирования сверхбыстродействующих электронных систем, устройств и компонентов, требующих специальных пробников и аксессуаров. В этой статье рассмотрены пробники общего применения, выпускаемые корпорацией LeCroy. Автор благодарит российское отделение Teledyne LeCroy за предоставленные для тестирования осциллографы и образцы пробников и аксессуаров к ним.

Простейшие измерительные провода и кабели

Основное назначение пробников — донести сигнал до удаленного входа осциллографа с заданными и по возможности минимальными искажениями [13]. Для уменьшения наводок иногда применяются простейшие измерительные экранированные провода или отрезки несогласованного коаксиального кабеля (рис. 1). При длине от одного до нескольких метров они заметно увеличивают входную емкость осциллографа и вызывают появление паразитных индуктивностей подводящих проводов. Они же порождают паразитные резонансы — нередко в пределах полосы пропускания осциллографа.

Измерительные провода в виде отрезка несогласованного коаксиального кабеля с разъемом BNC

Рис. 1. Измерительные провода в виде отрезка несогласованного коаксиального кабеля с разъемом BNC

Такие провода (отрезки кабеля) применяются до частот порядка десятков килогерц и приводят к довольно сильным искажениям формы более высокочастотных сигналов. Входное сопротивление осциллографа при использовании такого пробника практически не изменяется, а входная емкость возрастает в несколько раз.

 

Компенсированные высокоомные пассивные пробники напряжения

Наиболее распространенными типами осциллографических пробников являются компенсированные пассивные пробники с резистивно-емкостным делителем напряжения [2]. Компенсация частотных искажений возникает, если RC-цепи делителя имеют равные постоянные времени. Они выравниваются с помощью небольшого переменного конденсатора-триммера, обычно подключенного параллельно входу. Для этого служит пластмассовая отвертка, предусмотренная в комплекте аксессуаров пробников.

LeСroy выпускает пассивные пробники общего назначения серии PP с высоким полным сопротивлением, предназначенные для повседневного использования (табл. 1) [3]. Нижнее плечо делителя — входное сопротивление самого осциллографа Rвх = 1 МОм и емкость Cвх (около полутора десятков пФ). Для получения коэффициента деления Kдел = 10 сопротивление верхнего плеча выбирается равным R1 = 9 МОм, так что Kдел = (R1+Rвх)/Rвх = 10. Конденсатор, шунтирующий R1, должен иметь емкость в 9 раз меньшую емкости (Свх+Стрим), где Cтрим — емкость триммера. В результате входная емкость пробника Cвх пр уменьшается, хотя и не так сильно, как теоретически (на практике в нее входит емкость конструкции пробника со стороны источника исследуемого сигнала). Зато входное сопротивление с пробником Rвх пр возрастает в 10 раз.

Таблица 1. Параметры некоторых пассивных пробников напряжения широкого применения корпорации LeCroy

Тип

Полоса, МГц

Rвх пр, МОм

Cвх пр, пФ

Кдел

Umax, В

PP002

350

10

14

10

500

PP005A

500

10

11

10

500

PP006A

500

10

12

10

600

PP007

500

10

12

10

600

PP008-1

500

10

9,5

10

400

PP009-1

500

10

9,5

10

400

PP010-1

500

10

9,5

10

400

PP011-1

50

10

9,5

10

400

PP016

300/10

10/1

9,5/46

10/1

400

PP017

250

10

12

10

400

PP018

500

10

10

10

300

SS-082R

400

10

13

10

600

SS-0130R

100

10

12,5

10

600

Колечки кодирования у входа к осциллографу позволяют установить в приборе надлежащий коэффициент отклонения при отображении формы сигналов и правильные результаты измерений с учетом влияния пробника. Это осуществляется автоматически, уменьшает число операций пользователя и сокращает вероятность грубых ошибок. Конструкция и цепи частотной коррекции данных пробников оптимизированы для входных характеристик конкретных осциллографов.

Внешний вид пробника PP007 показан на рис. 2. Для расширения возможностей применения пробник имеет ряд аксессуаров, основные из которых также представлены на рис. 2. Подобный внешний вид и у других типов пробников этого класса, но они несколько отличаются набором аксессуаров.

Пассивный пробник/делитель PP007 с полосой частот до 500 МГц и набором основных аксессуаров

Рис. 2. Пассивный пробник/делитель PP007 с полосой частот до 500 МГц и набором основных аксессуаров

На рис. 3 показано применение пробника серии PP с открытой головкой-иглой (пробник слева). Надеваемый на нее универсальный зажим имеет твердый миниатюрный наконечник с выдвигаемым крючком, позволяющим подключать пробник как к отдельным оголенным проводам и штырям, так и к зажимам многих интегральных микросхем (пробник справа). При этом крючок удерживается пружиной и освобождает руки от манипуляций с пробником.

Контроль тестируемой печатной платы осциллографом с двумя пассивными пробниками

Рис. 3. Контроль тестируемой печатной платы осциллографом с двумя пассивными пробниками

Типичный полный набор аксессуаров пассивного пробника (на примере модели типа PP008) показан на рис. 4. В число аксессуаров входят различные наконечники, иглы и переходники, например для подключения к разъемам BNC исследуемых устройств. Заземлитель в виде короткой спирали-пружины позволяет получить малую индуктивность цепи заземления и минимизирует время нарастания пробника. Стандартная длина провода заземления 10 см, а паразитная индуктивность — около 100 нГ. В наборе есть пластмассовые кольца, чей оттенок соответствует цвету осциллограмм, кольцами можно пометить пробники разных каналов, чтобы различать их в дальнейшем. Компенсация емкости пробников даже одного осциллографа индивидуальна, и не следует путать пробники разных каналов.

Типичный полный набор аксессуаров пробника PP008

Рис. 4. Типичный полный набор аксессуаров пробника PP008

На рис. 5 показана осциллограмма меандра с частотой 5 МГц от генератора ArbStudio фирмы LeСroy, полученная от осциллографа высокой четкости и точности LeСroy 6054‑MS. Не считая конечной длительности фронтов (она задается, в основном, генератором), форма осциллограммы (она желтого цвета) выглядит безукоризненно. Для сравнения внизу показана красная осциллограмма сигнала, снятая простейшим измерительным кабелем (рис. 1) с установкой равной чувствительности по вертикали. Здесь осциллограмма представляет сильно искаженную форму сигнала: длительность фронтов возрастает и на фронтах появляются заметные выбросы с колебаниями. Они связаны с большой паразитной индуктивностью «земляного» вывода и большой общей входной емкостью.

Осциллограммы меандра от осциллографа высокой четкости Teledyne LeCroy 6054 MS при пробнике PP018 (сверху) и с простейшим измерительным кабелем

Рис. 5. Осциллограммы меандра от осциллографа высокой четкости Teledyne LeCroy 6054 MS при пробнике PP018 (сверху) и с простейшим измерительным кабелем

Пробники имеют полное сопротивление, быстро падающее с частотой, и на высоких частотах оно носит емкостный характер. Большинство пассивных пробников позволяет увеличить максимальное исследуемое напряжение на постоянном токе или на низких частотах с десятков вольт до 300–600 В. Это значение определяется электрической прочностью конструкции и качеством применяемых изоляционных материалов. На высоких частотах реактивная мощность растет, и нужно снижать максимальное напряжение на входе пробника (рис. 6), иначе его можно сжечь.

Типичная зависимость максимального напряжения от частоты сигнала

Рис. 6. Типичная зависимость максимального напряжения от частоты сигнала

При обычном включении пробника форма осциллограммы сильно зависит от длительности фронта исследуемого импульса tфи. Длительность фронта осциллограммы:

tфо = √(tф2и+tн2п),

где tнп — время нарастания пробника.

Когда длительность фронта импульса приближается к времени нарастания пробника, из-за паразитной индуктивности выводов пробника становятся довольно заметными выбросы на фронтах. Они могут иметь колебательный характер, свойственный резонансным цепям. Для их уменьшения можно применять заземляющий аксессуар в виде пружины, надеваемой на заземляющий цилиндр иглы вместо стандартного наконечника. Это хорошо иллюстрирует осциллограмма 12,5‑МГц меандра от демонстрационной платы D56K DemoBoard V2.1 фирмы Rigol с временем нарастания около 1 нс (рис. 7). Форма импульсов демонстрирует практически отсутствие индуктивности заземления и влияние лишь входной емкости пробника (10 пФ). На рис. 7 показаны также результаты автоматических измерений ряда параметров меандра.

Осциллограмма 12,5 МГц меандра при стандартном включении 500 МГц пробника PP018 с пружинным заземляющим аксессуаром

Рис. 7. Осциллограмма 12,5 МГц меандра при стандартном включении 500 МГц пробника PP018 с пружинным заземляющим аксессуаром

В зависимости от шага выводов микросхем и их конструкции могут применяться различные типы наконечников. Минимальную индуктивность заземления и минимальные искажения формы импульсов при тестировании ряда микросхем часто обеспечивает заземляющее полотно с медной фольгой, наложенное на поверхность микросхемы (рис. 8).

Применение заземляющего полотна с медной фольгой

Рис. 8. Применение заземляющего полотна с медной фольгой

Приведенные примеры показывают, что даже при использовании широкополосных пробников с полосой 350 или 500 МГц надо тщательно относиться не только к их выбору, но и к правилам применения. Для получения малых искажений импульсов с малыми фронтами надо предельно уменьшать длину сигнального входа пробника и «земляного» провода. Словом, необходимо минимизировать паразитные индуктивности пробника. Остается неустранимой лишь входная емкость пробника. Часто она и внутреннее сопротивление источника сигнала определяют минимальную постоянную времени и время нарастания пробника.

 

Высоковольтные пассивные пробники напряжения

Есть разновидность пассивных пробников напряжения для тестирования высоковольтных устройств. Такие высоковольтные пробники обычно имеют коэффициент деления 1/100 или 1/1000, входное сопротивление 10 или 100 МОм, а емкость составляет несколько единиц пикофарад. Например, серия PPE корпорации LeGroy включает пять пробников с фиксированными коэффициентами ослабления для диапазона напряжений от 2 до 20 кВ и один пробник с коэффициентом ослабления 10 и 100 для входного напряжения до 1,2 кВ (рис. 9 и табл. 2). Как и все стандартные пробники LeCroy с фиксированными коэффициентами ослабления, они автоматически опознаются и масштабируются любым осциллографом LeCroy для соответствующего коэффициента деления.

Высоковольтный пробник/делитель серии PPE

Рис. 9. Высоковольтный пробник/делитель серии PPE

Таблица 2. Характеристики высоковольтных пассивных пробников серии PPE фирмы LeСroy

Тип

Полоса, МГц

Rвх пр, МОм

Cвх пр, пФ

Кдел

Umax, кВ

Автомасш.

Длина, м

PPE1,2KV

400

50

<6

10/00

0,6/1,2

Нет

2

PPE2KV

400

50

<6

100

2

Да

2

PPE5KV

400

50

<6

100

5

Да

2

PPE6 KV

400

50

<6

1000

6

Да

2

PPE20 KV

100

50

<6

1000

20

Да

3

Высоковольтные пассивные пробники напряжения имеют такую же специфику применения, как и обычные пробники, за исключением особых мер обеспечения электробезопасности — более толстой пластмассы, защищенных пластиком зажимов, увеличенной длины кабеля, отсутствия оголенных металлических поверхностей и т. д. Это приводит к некоторому росту размеров высоковольтных пробников — они выглядят более массивными, чем обычные пробники, и несколько уступают им по частотным свойствам.

Пример исследования источника питания с помощью осциллографа LeCroy с высоковольтным пробником показан на рис. 10. При исследовании источников питания часто применяются также токовые пробники — клещи. Они будут описаны далее.

Применение высоковольтного пробника совместно с осциллографом фирмы LeCroy

Рис. 10. Применение высоковольтного пробника совместно с осциллографом фирмы LeCroy

 

Низкоомные пассивные пробники на основе линий передачи

Точно измерять форму импульсов с помощью осциллографов становится все более сложной задачей, поскольку скорости обработки данных растут и длительность импульсов уменьшается. Все чаще времена нарастания сигналов переходят в субнаносекундный диапазон [4]. При этом соединение тестируемых схем и компонентов с осциллографом представляет наиболее трудную часть проблемы наблюдения истинной формы сигналов.

При исследовании любой схемы включение пробника повышает порядок дифференциальных уравнений, описывающих ее работу. Это часто случается при измерении форм высокочастотных сигналов. Крайне незначительные паразитные элементы, имеющиеся в цепи пробников, могут заметно исказить измеряемый сигнал (рис. 5). Поэтому собственное полное сопротивление пробников обычно является наиболее важным фактором, влияющим на форму широкополосных сигналов. Если полное сопротивление полностью резистивное, то его действие может учитываться умножением на скалярный множитель.

Серия PP066 (рис. 11) — высокочастотные пассивные пробники напряжения, разработанные LeCroy для использования с WaveMaster и другими высокочастотными осциллографами, имеющими входное сопротивление 50 Ом. Пробники представляют собой коаксиальную линию передачи длиной 1 м с волновым сопротивлением 50 Ом, выход которой нагружен на входное 50‑омное сопротивление осциллографа. Таким образом, линия согласована с одного конца. Это позволяет получить входное сопротивление линии, также равное 50 Ом, в очень широком диапазоне частот до десятков гигагерц.

Пробник PP66 на основе линии передачи

Рис. 11. Пробник PP66 на основе линии передачи

Для получения коэффициента деления 10 между входом пробника и входом линии надо включить резистор R1 = 450 Ом, а для коэффициента деления 20 — 950 Ом. Это дает входное сопротивление соответственно 500 Ом и 1 кОм. Миниатюрный резистор в коаксиальном тракте позволяет получить очень малую емкость — порядка 0,2 пФ. Пробники PP66 имеют полосу до 7,5 ГГц и время нарастания менее 47 пс при максимальном входном напряжении 15 Вскз. Подобные пробники, правда с несколько большей входной емкостью, применялись в советских стробоскопических осциллографах еще в 1970‑е годы (например, в С1-91/4).

Такое решение обеспечивает превосходные условия для исследования высокочастотных устройств, например фидеров с полным входным сопротивлением 20–100 Ом микрополосковых линий передачи и СВЧ-фильтров. Сменные наконечники с аттенюаторами обеспечивают выбор другого входного сопротивления и чувствительности. Провод пробника соединяется со стандартным SMA-разъемом. К нему можно подключать различные аттенюаторы и СВЧ-устройства.

Другой пробник, PP065, показан на рис. 12. Он имеет Кдел = 100 и полосу частот до 1 ГГц при входной емкости менее 1,5 пФ.

Пробник PP065

Рис. 12. Пробник PP065

На рис. 13 дан пример подключения описанных пробников к выводам интегральной схемы. Виден входной разъем SDA и иглы пробника.

Пример подключения пробника на основе линии передачи

Рис. 13. Пример подключения пробника на основе линии передачи

Пробники на основе линий передачи целесообразно применять даже у осциллографов с полосой частот 350–500 МГц. На рис. 14 показано такое применение с 500‑МГц осциллографом LeCroy HDO6054‑MS. Приведенная осциллограмма отражает предельные возможности этого прибора во временной области — среднее из времен нарастания около 1 нс, искажения формы импульсов минимальны и близки к теоретическим оценкам.

Пример применения пробника на основе линии передачи для просмотра тестового сигнала с длительностью фронтов около 1 нс

Рис. 14. Пример применения пробника на основе линии передачи для просмотра тестового сигнала с длительностью фронтов около 1 нс

Пробники PP065/066 пригодны для широких областей применения, включая исследование аналоговых и цифровых ИМС в компьютерах, устройствах связи, устройствах памяти и других высокоскоростных приборах [4]. Многие современные высокоскоростные интегральные микросхемы уже не боятся низкоомной нагрузки, а некоторые даже сконструированы для работы на сопротивление 50 Ом. Это расширяет области применения пробников на основе линий передачи. Можно сформулировать следующие их достоинства:

  • Простота конструкции и дешевизна.
  • Отсутствие необходимости в настройке и компенсации.
  • Рабочие частоты до 10–20 ГГц, иногда и выше.
  • Времена нарастания в десятки и даже единицы пикосекунд.
  • Постоянство импеданса в широкой полосе частот.

Разработчики часто выбирают активные пробники как инструмент решения задач тестирования скоростных устройств. Но активные пробники даже с малой входной емкостью (около 1 пФ) имеют сопротивление сигналу на частоте 1 ГГц, равное всего 159 Ом (X = 1/2πfCвх). Таким образом, входное сопротивление меняется довольно в широких пределах: от 1 МОм на постоянном токе менее чем до 200 Ом на частоте 1 ГГц. Подобные активные пробники примерно на порядок увеличивают верхнюю частоту исследуемых сигналов, доводя ее до 1–3 ГГц. Во многих случаях применение простых по конструкции пассивных пробников на основе линий передачи может обеспечить лучшие характеристики при заметно меньшей стоимости.

 

Принципы измерения тока

После напряжения вторым измеряемым параметром электрических цепей является ток. Распространенный способ измерения тока — шунтовый метод, при котором ток пропускается через малое сопротивление (шунт), и о нем судят по падению напряжения на шунте:

V = I×Rш,

где Rш — сопротивление шунта. Этот применяемый еще в электроизмерительных приборах метод прекрасно подходит для осциллографов. Например, если чувствительность осциллографа по вертикали 1 мВ/дел. и надо выбрать чувствительность по току 1 мА/дел., то придется использовать шунт с сопротивлением 1 Ом. Выпускается несколько типов прецизионных резисторов с малой индуктивностью резисторов с номиналами такого порядка.

При малых сопротивлениях шунта влияние входной емкости осциллографа становится ничтожно малым и можно использовать открытый вход осциллографа без пробника с компенсацией. Если шунт выполнен с малой паразитной индуктивностью, то можно получить малую постоянную времени шунта Lпар/Rш и обеспечить минимальные искажения сигнала во всей полосе частот осциллографа. Входным сопротивлением в 1 МОм осциллографа также можно пренебречь (если оно 50 Ом, то его нетрудно учесть). Для измерения малых токов можно использовать подключение шунта к осциллографу через измерительный усилитель — например, интегральный операционный.

Однако все эти достоинства шунтового метода меркнут перед его основными недостатками — шунт одним концом надо заземлять (поскольку один вывод каждого канала осциллографа обычно заземлен) и включать его в разрыв цепи. Особенно это неприемлемо при измерении больших токов (от долей до десятков и сотен ампер). В электротехнике для измерения таких токов уже давно используют токовые клещи (clamps) с датчиком Холла (рис. 15). При этом на провод надевается механически размыкаемый магнитопровод, преобразующий ток в магнитный поток, который преобразуется в напряжение датчиком Холла, помещенным в щелевой разрез магнитопровода. Теперь такие бесконтактные устройства предусмотрены и в технике осциллографических измерений.

Измерение токов с помощью датчика Холла

Рис. 15. Измерение токов с помощью датчика Холла

 

Осциллографические токовые пробники — клещи

Напряжение, развиваемое датчиком Холла, обычно мало, и в состав пробника приходится вводить усилители на интегральных микросхемах, а также нередко различные виды корректоров. Они, как и сам датчик Холла, нуждаются в электрическом питании от внешнего источника или от самого осциллографа. LeCroy выпускает токовые пробники — клещи серии AP и CP [3], полностью питающиеся от осциллографа через шину ProBus, доступ к которой осуществляется при подключении пробника через входной интерфейс (рис. 16). При этом не требуются дополнительные источники питания или батареи.

Измерение тока без разрыва цепи осциллографом LeCroy с токовым пробником AP015 в виде механически размыкаемых клещей

Рис. 16. Измерение тока без разрыва цепи осциллографом LeCroy с токовым пробником AP015 в виде механически размыкаемых клещей

Для измерения тока теперь достаточно надеть на провод (на рис. 16 он черный) магнитопровод пробника, расположенный в его конце (от осциллографа). Для этого он размыкается с помощью ручной механической защелки и затем вновь замыкается. (Напоминаем, речь идет о механических действиях, не связанных с разрывом проводника с измеряемым током.) Пробник имеет гарантированную погрешность измерения, распознается осциллографом и приводит к автоматической перенастройке осциллографа на режим измерения тока и перемасштабированию. Например, полоса частот вертикального тракта сужается до проектной полосы частот пробника (табл. 3).

Таблица 3. Основные параметры токовых пробников — клещей

Тип

CP30

CP31

AP015

CP150

CP500

Полоса частот, МГц

100

50

50

10

2

Ток (скз), А

30

30

15

150

500

Чувствительность, мА/дел.

20

20

10

100

200

Ток импульсный, А

50

50

50

500

700

Погрешность, %

1

1

1

1

1

Время нарастания, нс

3,5

7

7

45

175

Шум приведенный, мА

2,5

2,5

2,5

25

25

Длина кабеля, м

1,5

1,5

2

2

6

Диаметр провода, мм

5

5

5

20

20

Масса, г

240

240

300

500

630

Пробники AP015 и СP030/031 (рис. 17) рассчитаны на контроль переменного и постоянного тока до 15/30 А в полосе частот 50 и даже 100 МГц. Такая полоса частот обеспечивает время нарастания пробников в единицы наносекунд. В импульсном режиме 15‑амперные пробники позволяют измерять амплитуду импульсов тока до 50 А. Пробники имеют малые габариты и вес.

Внешний вид пробников CP30/31

Рис. 17. Внешний вид пробников CP30/31

Функция размагничивания, единицы измерения и масштабные коэффициенты управляются с передней панели осциллографа. Это означает, что все измерения и единицы измерения будут правильными, без необходимости компенсации различий коэффициентов ослабления пробников и осциллографа. Смещение может быть легко установлено на нуль нажатием кнопки в меню соединения с осциллографом. Все это позволяет легко получать точные измерения.

Помещение проводника с током внутрь магнитопровода меняет электрические параметры проводника, в частности его индуктивность и активное сопротивление на переменном токе. Это влияние учитывается зависимостью полного вносимого сопротивления от частоты (рис. 18).

Зависимость полного вносимого сопротивления от частоты для 15-А пробника

Рис. 18. Зависимость полного вносимого сопротивления от частоты для 15-А пробника

С ростом частоты и амплитуды тока возрастают потери в магнитопроводе, и он перегревается. Поэтому ток приходится ограничивать, или при больших токах для данного типа пробника уменьшать время измерений. Зависимость допустимого значения тока от частоты для 15‑А пробника показана на рис. 19.

Зависимость допустимого тока от частоты для 15 А пробника

Рис. 19. Зависимость допустимого тока от частоты для 15 А пробника

Сильноточные пробники (на токи 150 и 500 А) показаны на рис. 20. Они имеют увеличенный до 20 мм диаметр отверстия для токопроводящего провода и увеличенные размеры и массу.

Пробники для больших токов

Рис. 20. Пробники для больших токов

На рис. 21 показаны основные частотные зависимости максимального допускаемого тока и полного вносимого сопротивления для 150‑А пробника CP150. Последняя зависимость показывает, что действие пробника сводится к введению дополнительной малой индуктивности.

Зависимость от частоты максимального допускаемого тока и полного вносимого сопротивления для 150 А пробника

Рис. 21. Зависимость от частоты максимального допускаемого тока и полного вносимого сопротивления для 150 А пробника

 

Практика применения токовых пробников — клещей

Осциллографические токовые пробники — клещи сравнительно новые приборы, и практика их применения во многом отличается от таковой для электротехнических измерений. Например, у последних влияние шумов пробника обычно игнорируется, поскольку измерительная головка инерционна и усредняет шумы. Осциллограф — прибор малоинерционный, и шумы клещей хорошо видны при максимальной чувствительности (рис. 22).

Осциллограмма синусоидального тока на фоне шумов пробника

Рис. 22. Осциллограмма синусоидального тока на фоне шумов пробника

Для электротехнических измерений редко нужна полоса частот выше десятков килогерц, поскольку для подобных целей используются сравнительно низкочастнотные цепи, а длина проводов значительна и нередко достигает сотен метров и даже километров. Токовые пробники для осциллографов могут иметь полосу частот на 3 порядка выше, и она достигает 100 МГц. В таких случаях для испытания пробников приходится использовать генераторы стандартных сигналов. Максимальный создаваемый ими ток равен максимальному выходному напряжению (обычно 20 В), деленному на внутреннее сопротивление (обычно 50 Ом).

При подключении пробника CP150 к осциллографу LeCroy на его экране появляется дескриптор с наименованием типа пробника — в данном случае это пробник СP150, и при его активизации появляется вкладка с тем же именем. На вкладке выбранного канала устанавливается значение полосы частот (20 МГц) и значение чувствительности не по напряжению, а по току (наивысшая чувствительность 100 мА/дел. для 150‑А пробника).

Для подавления шума можно использовать операцию усреднения осциллограмм. Обычно достаточное число усреднений — от 6 до 10, как показано на рис. 23 (синусоидальный ток с двойной амплитудой 200 мА). При этом удается получить четкую осциллограмму без чрезмерного увеличения времени ее вывода на экран дисплея. Возможно и программное ослабление шумов (повышение разрядности с шагом от 0,5 до 3 разрядов).

Осциллограмма синусоидального тока (частота 10 кГц) с подавленнием шумов после восьмикратного усреднения

Рис. 23. Осциллограмма синусоидального тока (частота 10 кГц) с подавленнием шумов после восьмикратного усреднения

На рис. 24 показана осциллограмма треугольного сигнала тока с 200 мA (от пика до пика), более удобного для оценки нелинейности устройств. Нетрудно заметить, что появилось едва заметное скругление верхушек этого сигнала.

Осциллограмма треугольных импульсов тока

Рис. 24. Осциллограмма треугольных импульсов тока

Для измерения времен нарастания и спала импульсных токов можно протестировать пробник на импульсах тока типа «меандр» с частотой, увеличенной до 1 МГц (рис. 25). Нетрудно заметить, что тут к форме импульсов особых нареканий нет. На рис. 25 показаны результаты автоматических измерений основных параметров импульсного сигнала. В частности, видно, что времена нарастания и спада составляют около 41 нс и чуть меньше заявленных в ТУ для этого пробника.

Осциллограмма тока типа «меандр»

Рис. 25. Осциллограмма тока типа «меандр»

Хорошо отображается и форма сложных токовых сигналов в виде повторяющихся ступенек (рис. 26). Несмотря на высокую частоту повторения (100 кГц) и применение программного шумоподавления (разрядность 3 бит), искажения такого сложного сигнала на глаз незаметны. Это не может не радовать, ведь осциллограммы получены от сильноточного 150‑А пробника (в импульсе до 500 А). Такие токи характерны для мощных энергетических устройств, работающих на промышленной частоте 50–60 Гц, а также мощных ключевых высокочастотных источников электропитания.

Осциллограмма тока, меняющегося по ступенчатому закону, построенная с применением шумоподавления

Рис. 26. Осциллограмма тока, меняющегося по ступенчатому закону, построенная с применением шумоподавления

С помощью токовых пробников — клещей можно выполнять некоторые математические операции над сильноточными токовыми сигналами (в приведенных ниже примерах использован также пробник СР150 для токов в 150 А). Простейшей является операция увеличения масштаба в кратное число N раз. Для этого надо использовать не один проводник с током, а катушку с N витками. Пробник не чувствителен в форме катушки — для него важно лишь число проводов, охваченных магнитопроводом. На рис. 27 показана осциллограмма синусоиды при двух проводах с синусоидальным током 0,25 А в каждом проводе. Отчетливо видно точное удвоение амплитуды осциллограммы.На рис. 27 показана открытая вкладка пробника и окно подготовки к размагничиванию. Оно появляется при активизации кнопки Degauss Probе на вкладке пробника. Сама операция инициируется активизацией кнопки ОК в окне подготовки к размагничиванию и длится 1–2 с. После этого окно исчезает и пробник готов к дальнейшей работе. Кнопка Auto Zero устанавливает нулевое смещение осциллограммы.

Осциллограмма синусоидального тока при двух проводниках в магнитопроводе (видны открытые панель пробника и окно подготовки к размагничиванию)

Рис. 27. Осциллограмма синусоидального тока при двух проводниках в магнитопроводе (видны открытые панель пробника и окно подготовки к размагничиванию)

На рис. 28 представлена осциллограмма меандра с удвоением чувствительности за счет двух витков в магнитопроводе. Как нетрудно заметить, искажения формы меандра и в этом примере (частота меандра 0,1 МГц) практически незаметны.

Осциллограмма меандра с удвоением чувствительности

Рис. 28. Осциллограмма меандра с удвоением чувствительности

В проводах могут протекать токи сигналов с различной формой. Если они синфазны, получается операция суммирования. На рис. 29 показано суммирование двух токов с разной формой — синусоидальной и меандра.

Суммирование двух токов (синусоидального и меандра с разной амплитудой) с дополнительным шумоподавлением

Рис. 29. Суммирование двух токов (синусоидального и меандра с разной амплитудой) с дополнительным шумоподавлением

Если токи протекают в противоположных направлениях, выполняется операция вычитания и представления разности токов. Она показана также для двух токов, описанных выше (рис. 30). Эти операции полезны и при определении токов в 3‑фазных и многофазных сетях.

Вычитание двух токов (синусоидального и меандра) с дополнительным шумоподавлением

Рис. 30. Вычитание двух токов (синусоидального и меандра) с дополнительным шумоподавлением

 

Пробники для логических и цифровых сигналов

Некоторые осциллографы LeCroy, например cерий HDO4000‑MS и HDO6000‑MS, могут применяться для тестирования логических и цифровых устройств и имеют для наблюдения сигналов от них специальные пробники (рис. 31). Они подключаются к специальному многоканальному входу D0–D15 на передней панели осциллографа и позволяют контролировать до 16 двоичных разрядов путем построения логических диаграмм. В группе переключателей каналов есть клавиша включения режима работы с цифровыми сигналами — Dig.

Осциллограф высокой четкости для смешанных сигналов серии HDO4000 MS с подключенным к нему пробником логических сигналов

Рис. 31. Осциллограф высокой четкости для смешанных сигналов серии HDO4000 MS с подключенным к нему пробником логических сигналов

Логические сигналы представляются упрощенными осциллограммами, имеющими только два условных (логических) уровня — логического 0 и логической 1. Соответственно, пробники имеют панель установки и выбора логических сигналов и их порогов. Можно просматривать одновременно аналоговые и цифровые сигналы (рис. 32).

Просмотр одновременно аналогового (слева) и цифровых (справа) сигналов

Рис. 32. Просмотр одновременно аналогового (слева) и цифровых (справа) сигналов

Функция расширенного просмотра сигналов Wave Scan работает и для логических сигналов. Это демонстрирует рис. 33. Для логических сигналов доступен ряд автоматических измерений.

Экран осциллографа при просмотре смешанных сигналов

Рис. 33. Экран осциллографа при просмотре смешанных сигналов

Логические сигналы обычно снимаются с выводов интегральных логических и цифровых микросхем, допускающих умеренную нагрузку. Поэтому пробники имеют входное сопротивление каждого канала 100 кОм при входной емкости 1,5 пФ и напряжении ±30 В. Частота дискретизации для логических сигналов составляет 1,25 ГГц, рабочая частота — до 250 МГц. Для каждого канала возможно включение и выключение.

LeCroy выпускает также широкую номенклатуру активных пробников [3]. Ввиду специфики их применения и большого числа типов такие пробники будут рассмотрены в отдельной статье.

 

Заключение

Корпорация LeCroy выпускает обширную номенклатуру осциллографических пробников. Они могут использоваться как для приборов этой фирмы, так и для осциллографов других компаний. Пробники LeCroy отличаются повышенной точностью измерений и высоким качеством изготовления, гарантирующим сохранение точности в процессе длительной эксплуатации. Большое внимание уделено удобству работы с пробниками, их интеграции с осциллографом, автоматическому масштабированию и настройке пробников (при их применении совместно с осциллографами LeCroy). Это оправдывает дороговизну некоторых типов пробников, в частности, на основе токовых клещей. Возможно одновременное применение пробников различного типа, например для измерения напряжения и тока или для просмотра аналоговых и цифровых сигналов на одном экране.

Литература
  1. Дьяконов В. Как потратить миллион рублей на покупку цифрового осциллографа и что из этого выйдет? // Компоненты и технологии. 2013. № 12.
  2. Афонский А. А., Дьяконов В. П. Современные осциллографические пробники и их грамотное применение // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2007. № 5, 6. 2008. № 2.
  3. Осциллографические пробники и аксессуары к ним. ЗАО «Прист». www.lecroy-rus.ru
  4. Дьяконов В. П. Сверхскоростная твердотельная электроника. Том 1 и 2. М.: ДМК-Пресс, 2013.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *