Bez připojení není měření. Ale jak na to?

K čemu sondu využiji? Bude se přibalená verze hodit pro všechna měření? A jaké výhody takový nástroj nabízí? Podobné otázky si klade mnoho vývojářů, když začínají pracovat s novým osciloskopem.

Logické spojení

Při měření nám sondy pomáhají spojit věc, na které pracujeme, s osciloskopem. Pro různé typy testů zde také máme různé druhy sond. Proudy tak např. změříme s proudovými kleštěmi a číslicové signály na MSO pro změnu zapisujeme a zobrazujeme díky logické sondě a potřebnému rozhraní. Účelem takových nástrojů obecně nebývá jen vytvoření jednoduchého kontaktu mezi měřicí technikou a měřeným předmětem, ale také vysoce přesné měření signálu.

Bude rovněž důležité minimalizovat další vlivy způsobené kterýmkoli typem sondy tak, aby nezatěžovaly zdroj signálu, tedy testovanou věc. Při měření se také určitě vyplatí vědět, co měřit nechceme. Jedná se např. o detekci nežádoucího vyzařování, které by mělo být potlačeno, resp. zcela vyloučeno.

Oproti měřicímu kabelu nám sondy vytváří vysoce kvalitní kontakt s praktickou možností vzájemného spojení. Poplatně vysokému odporu při měření předcházíme zachytávání nežádoucích interferencí nebo síťového rušení. Zároveň zde takový odpor umožňuje získat díky sondě ideální přístup k napětí a potažmo též optimální spojení s osciloskopem.

Společný vstupní odpor

Pasivní sonda bude mít např. dva kontaktní body – živý a také zemní spojení. U živého kontaktu nabízí pasivní sondy háček, který lze k měřenému obvodu snadno připojit, zatímco zem bývá na krátkém vodiči zakončena krokodýlkem. Kromě praktické přední části zde také máme koaxiální kabel zakončený BNC konektorem. Společně s osciloskopem tak bude sonda při měření definovat vstupní odpor. Osciloskop má vstupní impedanci 1 MΩ společně s malou kapacitou pro šířku pásma až do 350 MHz nebo 500 MHz. Pokud uvažujeme přímé spojení, představuje taková kapacita zátěž pro DUT. Abychom tedy podobné zatěžování omezili, měla by sonda vnášet jen malou kapacitu.

Napěťový rozsah a šířka pásma

S pasivní sondou se rovněž pojí dvě nastavení, která lze využít k vytvoření napěťového děliče. Při obvyklé volbě x1 je signál přiveden do osciloskopu poplatně impedanci 1 MΩ a sonda se použije bez napěťového děliče. Měřené hodnoty se tak na osciloskop dostávají v poměru 1 : 1. Omezován proto bude nejen maximální napěťový rozsah, ale také šířka pásma. Vyššího napětí a šířky pásma lze dosáhnout se stupněm 10 : 1. V tom případě je ale zapotřebí nastavit stejný poměr 10 : 1 také pro vertikální zobrazování osciloskopu, abychom zde obdrželi správnou amplitudu. Pro nastavení 1 : 1, společně s osciloskopem, obdržíme při měření následující impedanci ZM:

Vzorec 1: Impedance při měření pro sondu (x1) společně s osciloskopem

Zde můžeme vidět induktivní povahu přívodu GND. Čím delší kabel tedy máme, tím větší bude i jeho indukčnost. Ze vztahu rovněž plyne, že když ω roste (tj. roste šířka pásma), činí tak stejně i impedance a její vliv se zvyšuje (viz také obr. 2). Kromě toho je patrné, že kapacita vytváří rezonanční obvod. Pro měření s větší šířkou pásma proto ve výsledku očekávejte překmity, které lze ovšem potlačit zkrácením zemního přívodu GND.

Na jeden milimetr kabelu GND obdržíme indukčnost o velikosti přibližně 1 nH. Čím kratší bude na vyšších kmitočtech zemní vedení, tím lépe. Abychom takové vlivy omezili, lze použít i zemní pružinu a docílit s ní velmi krátkých tras GND. Zesílení x1 lze použít pro měření vyžadující malou šířku pásma i tam, kde zaznamenáváme malé napětí. U většiny požadavků na měření s obvyklým rozsahem napětí, resp. šířkou pásma, proto u zesílení raději zvolíme činitel x10. Jako příklad si uveďme PVP2350, standardní sondu pro osciloskopy řady MSO5000, kde je možné nastavit obě zesílení. S volbou x1 zde můžeme změřit napětí až 30 VRMS, zatímco s rozsahem x10 to bude již 300 VRMS. Napěťový rozsah se nám tedy zvýšil desetinásobně.

Menší kapacita sondy rovněž zvětšuje šířku pásma z 35 MHz na 350 MHz. Trasu pro nastavení x10 máme také nastíněnou na obr. 1. Zanedbáme-li odpor koaxiálního kabelu (protože je mnohem menší než RO a RP), bude nyní napěťový dělič dle vzorce 2 vytvořen, jakmile vezmeme v úvahu časovou konstantu dle vzorce 3.

Vzorec 2: Napěťový dělič pro nastavení x10. Kapacity jsou kráceny s využitím časové konstanty dle vzorce 3

Vzorec 3: Časová konstanta pro napěťový dělič x10

U většiny aplikací lze měřit se šířkou pásma a napěťovými hodnotami pro nastavení x10. Totéž ale musíme definovat na osciloskopu pro jeho vertikální systém. Použijeme-li sondu společně s osciloskopem, potřebujeme vždy zvážit šířku pásma u obou prvků – sondy i měřicího přístroje. Šířka pásma pro pokles o 3 dB bývá výrazně ovlivňována sondou a při pořizování osciloskopu je proto vhodné s tím počítat. Pokud je šířka pásma systému pro danou aplikaci příliš malá, může pomoci sonda s větším „záběrem“.

Součástí nákresu na obr. 1 je také vyznačená kompenzace. Sonda je tak tvořena i nastavitelnou kapacitou, kterou lze, např. u PVP2350, změnit s přibaleným šroubovákem v rozmezí od 10 pF do 25 pF.

Měření s vyšší impedancí se již pro aplikace s větší šířkou pásma nepoužívají. Smyslem je dosáhnout přizpůsobení obvodu (obvykle 50 Ω), abychom zabránili nežádoucím odrazům. Pokud se žádá sonda pro vf aplikace, lze místo pasivních sond použít i aktivní sondy. Pro správnou volbu zde bude rozhodující záměr, kdy chceme počítat s činitelem zesílení v rámci určité šířky pásma a současně daný obvod příliš neovlivňovat.

Zesilovače a proudové kleště

Aktivní sondy mají integrovaný, lineární širokopásmový zesilovač, který je zapotřebí napájet. Aktivní prvek zde vedle šířky pásma vykazuje rovněž velmi vysokou přesnost při měření signálu a také malou vstupní kapacitu. Nevýhodou pak bude omezené vstupní napětí. Maximum, které lze měřit s PVA8000, je např. 30 VPEAK. Proudové kleště zase nabídnou takové možnosti připojení, aby se daly změřit proudy. Vzhledem k tomu, že je osciloskop napěťovým měřidlem, je zapotřebí zmíněné proudy převést na napěťové úrovně. Konkrétní způsob převodu mezi napětím a proudem vyplývá z jejich dokumentace, takže lze proud na osciloskopu zobrazit a také změřit s využitím příslušného zesílení a také jednotky (ampér).Princip proudových kleští staví na transformátoru, kdy je měřicí linka reprezentována primárním vinutím a proudové kleště pak sekundárním vinutím. Tímto způsobem lze nyní změřit střídavé proudy. Pokud jde o proudy stejnosměrné, zaznamenáme je s využitím Hallovy sondy.

Rozdílové sondy

Rozdílová měření se vyžadují při měření mezi dvěma možnými napěťovými úrovněmi. K takovému účelu máme k dispozici dvě varianty. Na jedné straně je pro rychlé rozdílové datové signály, třeba ty u rozhraní ethernet či LVDS, vyžadována rozdílová vf sonda. Na straně druhé zde budou rozdílové sondy zapotřebí v oblasti měření vysokého napětí, tedy když musíme změřit napěťové rozdíly, které se nevztahují vůči zemi. Pro nižší kmitočty lze příslušná měření také zobrazit pomocí dvou pasivních sond (kanál č. 1 – potenciál 1, kanál č. 2 – potenciál 2) a dále na základě matematické funkce (kanál č. 2 – kanál č. 1). Taková měření však trpí rušením, mezi sondami se mohou vyskytovat odchylky a dále je zapotřebí u pasivních sond sledovat i maximální vstupní napětí. Klíčovým parametrem se pro rozdílové sondy stává činitel CMRR (common mode rejection ratio). Souhlasnými změnami zde rozumíme nežádoucí souběžné změny u potenciálů 1 a 2 s ohledem na zem, které budou na výstupu vidět, protože je měřena pouze změna mezi potenciály 1 a 2. Půjde tedy o činitel zesílení v rozdílovém režimu ve srovnání se souhlasným režimem, který by měl být mnohem vyšší. Tato hodnota je závislá na šířce pásma. Vysokonapěťová rozdílová sonda PHA2150 vykazuje šířku pásma až 200 MHz a nejvyšší rozdílové napětí, které může být změřeno, zde činí 1 500 voltů. CMRRDC bude >80 dB a CMRR1MHz poté >50 dB.