Chytrá sonda s dělicím poměrem 21 : 1

Stává se vám, že potřebujete změřit vysokorychlostní signál nebo signál citlivý na kapacitní zátěž a nemáte k tomu dostatečně kvalitní sondu? „Chytrá“ sonda s dělicím poměrem 21 : 1 vám může pomoci.

K osciloskopu se standardně dodává sada pasivních sond s parazitní kapacitou 9−10 pF, přičemž sondy jsou vybaveny zemnicím drátkem 6−10 cm. To nijak nevadí, měříte-li „pomalý“ nebo stejnosměrný signál. Se zvyšováním frekvence začíná parazitní kapacita ovlivňovat měření a deformuje tvar signálů. To nás nutí k zamyšlení nad nákupem nové lepší sondy, ale taková sonda může stát více než celý osciloskop. Naštěstí existují i jiné a levnější metody, jak se s těmito problémy vypořádat.

Na obr. 1 je schéma „chytré“ sondy s dělicím poměrem 21 : 1 [1]. Tato sonda se skládá z běžného koaxiálního kabelu s charakteristickou impedancí 50 Ω (RG-174, RG-58 nebo RG-8). Na jednom z konců kabelu je připojený BCN konektor (pro připojení k osciloskopu), na druhém konci kabelu je připájen rezistor 1 kΩ v THT pouzdře, druhý vývod rezistoru je připojen do měřicího bodu. Opletení koaxiálního kabelu musí být připájeno v nejbližším zemnicím bodě.

Sonda má charakter téměř ideální reálné zátěže, a to díky 50 Ω přizpůsobení na vstupu osciloskopu. Celková impedance sondy je 1 050 Ω. Rezistor 1 kΩ a impedance koaxiálního kabelu 50 Ω vytváří odporový dělič s dělicím poměrem:

V případě nastavení zesílení kanálu osciloskopu na 100 mV / díl bude vertikální měřítko osciloskopu definováno jako:

Často je možné v osciloskopu použít matematickou funkci a vyhnout se tak zbytečným výpočtům.

Měřicí sonda má tří hlavní benefity:

• Vstupní impedance se rovná 1 050 Ω, a ne 50 Ω jako v případě koaxiálního kabelu.
• Parazitní kapacita 0,25W rezistoru s drátěnými vývody se rovná přibližně 0,5 pF.
• Velmi malá doba náběhu přechodového děje.

Doba náběhu pro úroveň 10–90 % závisí na třech faktorech: na vlastnostech konektoru připojeného k osciloskopu, na délce a druhu koaxiálního kabelu a na velikosti proudové smyčky.

Budeme-li uvažovat, že osciloskop má vnitřní přizpůsobení 50 Ω, bude BNC konektor přinášet do měřeného obvodu sériovou indukčnost, a to v místě připojení stínění koaxiálního kabelu ke konektoru. V tabulce 1 jsou uvedeny různé druhy kabelů a jejich indukčnost včetně odpovídající doby náběhu pro úroveň 10−90 %.

V tabulce 2 jsou uvedeny doby náběhu pro různé délky koaxiálních kabelů. Doba náběhu kabelu bývá přímo úměrná druhé mocnině jeho délky. Pro každý kabel můžeme vyjádřit vlastní koeficient proporcionality.

Proudová smyčka tvořená sondou začíná v měřicím bodě, pokračuje přes 1kΩ rezistor, kontakt se středním vodičem koaxiálního kabelu, oplet koaxiálního kabelu, připojení na zem a zpět ke zdroji signálu. Pro zvýšení přesnosti měření je potřeba udělat tuto cestu co nejkratší. V tabulce 3 jsou uvedeny indukčnosti smyček v závislosti na jejich délce.

Několik tipů pro zvýšení kvality sondy:

1. V případě použití rezistoru v menším pouzdře bude i parazitní kapacita menší. Je ale potřeba pamatovat na maximální ztrátový výkon rezistoru, například pro 1 kΩ 0,125 W bude mezní napětí ±11 V.
2. Zvětšením hodnoty rezistoru se zmenší doba náběhu, která je dána odporem a indukčností proudové smyčky.
3. Parazitní kapacitu rezistoru je možné kompenzovat pomocí bypass kondenzátoru na vstupu sondy. Správná hodnota bypass kondenzátoru spolu s parazitní kapacitou rezistoru vytvoří kapacitní dělič 21 : 1. V tomto bodě má sonda plochou frekvenční charakteristiku pro vysoké frekvence.

Příklad výpočtu:

Kabel RG-174 o délce 1,5 m s BNC konektorem RG-58 double-crimp. Sonda tvoří proudovou smyčku o délce 1,3 cm.

Na obr. 2 jsou oscilogramy pro 24MHz krystal změřené různými sondami, kde modře je značena pasivní sonda LeCroy PP022 s parazitní kapacitou 10 pF, červeně 1GHz aktivní sonda LeCroy ZS1000 0,9 pF a zeleně sonda s dělicím poměrem 21 : 1 a délkou 1 m. Na obrázku je dobře vidět, že parazitní kapacita standardní pasivní sondy (10 pF) ovlivňuje měřicí signál, průběh je deformován. Průběhy s aktivní sondou a 50Ω sondou jsou téměř stejné.