Данная статья является частью книги Цифровые анализаторы спектра, сигналов и логики и любезно предоставлена для ознакомления читателям "РадиоЛоцмана" издательством ''Солон-Пресс".
Эволюция конструкции осциллографических пробников
Конструкции пассивных пробников и приспособлений к ним (аксессуаров) постоянно совершенствуются. На рис. 5.13 показано начало эволюции пробников ведущей в разработке и производстве осциллографов корпорации Tektronix. Пока описанные выше пробники относились к их первому поколению – на основе стандартного 50-Омного коаксиального разъема BNC (рис. 5.13,а).
Рис. 5.13. Интерфейсы пробников XХ века корпорации Tektronix
С ростом полосы частот пробника приходится применять улучшенные изолирующие и проводящие материалы и специальные цепи коррекции переходной и частотной характеристик. Кроме того, возникла необходимость передачи осциллографу данных о типе применяемых пробников, меняющихся в ходе работы коэффициентов деления.
Некоторые осциллографы, например Tektronix TDS 1000B/2000B, способны распознавать коэффициенты деления обычных пробников. Есть пробники, например пассивные Tektronix P-6105A, P-6106, P-6158, конструкция разъема которых предусматривает выдачу сигнала о коэффициенте деления пробника (Readout) – рис. 5.13,б. На рис. 5.14. показан внешний вид одного из таких пассивных пробников P-6109.
Рис. 5.14. Внешний вид пассивного пробника P-6109 c выводом Readout
Однако более мощные осциллографы могут работать с большим набором пробников, и задача распознавания их и их коэффициентов деления приобрела актуальный характер. В связи с этим компанией Tektronix была создана специальная архитектура и конструкция пробников, обеспечивающая двухсторонний обмен информацией между осциллографом и пробником, необходимый не только для точной передачи преобразованных пробником сигналов и данных о пробнике на вход осциллографа, но и передачу данных от осциллографа к пробнику при дистанционном управлении устройствами.
Широкое применение нашли и пробники с интерфейсом Tekprobe, созданные в 1986 г. (рис. 5.13,в). Для съема данных об установленном коэффициенте деления используются пружинящие штыри – пины с остриями, контактирующие с контактными площадками входного разъема каналов осциллографа. Аналогичные по назначению пробники выпускаются и другими производителями осциллографов.
Пробники с оптической развязкой
Особым видом пробников являются «оптические пробники». Есть два вида таких пробников: для приема оптического излучения (например, от лазерных импульсных источников излучения) и пробники, использующие оптроны (комбинацию светодиода и фотодиода) для осуществления гальванической развязки от земли осциллографа. Часто этого достаточно для снятия осциллограммы напряжения между двумя любыми точками устройства (схемы). На рис. 5.15 показан внешний вид оптических пробников Tektronix P6701B.
Рис. 5.15. Внешний вид оптических пробников Tektronix P6701B
Для измерений напряжений между двумя контрольными точками устройства (схемы) можно использовать пробники с гальванической (оптической) развязкой от земли осциллографа. Учтите, что есть альтернативный вариант таких измерений с помощью дифференциальных пробников (см. ниже). Однако они применяются при исследовании низковольтных устройств.
Токовые пробники
Часто возникает необходимость в осциллографировании не напряжений, а токов. Для этого часто используется включение в разрыв цепи низкоомного шунта и преобразование тока в напряжение в соответствии с формулой U=RI. Например, если чувствительность осциллографа равна 5 мВ/дел, то при сопротивлении шунта R=1 Ом получаем чувствительность по току 5 мА/дел. Этот метод имеет целый ряд недостатков:
- шунт включается в разрыв цепи, что требует отключения устройства и проведения монтажных работ;
- прецизионный шунт является дорогим и редким изделием;
- при измерении больших токов шунт надо делать очень низкоомным;
- возможен разогрев шунта;
- даже малая индуктивность шунта создает большую постоянную времени L/R, что удлиняет фронты наблюдаемых импульсов тока и ограничивает полосу наблюдаемых частот.
В связи с этим были созданы бесконтактные токовые пробники, принцип действия которых основан на регистрации магнитного поля, появляющегося вокруг проводника при пропускании через него тока I (рис. 5.16). Для повышения чувствительности головка пробника выполняется в виде токового трансформатора, принцип действия которого хорошо известен.
Рис. 5.16. Принцип контроля тока в проводнике по его магнитному полю
На рис. 5.17 показан внешний вид токового пробника TCP202 с интерфейсом TekProbe с максимальным измеряемым током (постоянным и переменным) до 15 А. Измерительная головка пробника построена по аналогии с токовыми клещами, давно применяемыми в мультиметрах с бесконтактным измерением тока с помощью токового трансформатора. Но она более миниатюрна и предназначена для измерения умеренных токов.
Рис.5.17. Токовый пробник Tektronix TCP202 с интерфейсом TekProbe
С помощью отжима «токовых ключей» их можно разомкнуть и вставить в отверстие провод, ток в котором измеряется и наблюдается. Для увеличения чувствительности и измерения малых токов можно создать обмотку из провода, содержащую несколько витков – рис. 5.18. Для измерения суммарных и разностных токов возможна вставка в отверстие измерительной головки двух проводников. Значения чувствительности для того или иного способа измерений можно найти в описании пробника. При использовании специального калибратора тока погрешность измерения тока после калибровки составляет ±1% для токов от 0,05 до 5 А и ±2% для токов от 5 до 15 А.
Рис. 5.18. Измерительная головка пробника Tektronix TCP202
При отказе от измерения постоянного тока можно существенно расширить диапазон измеряемых токов. Tektronix, к примеру, выпускает токовые пробники A621 с диапазоном токов от 0,1 до 2000 А в диапазоне частот от 5 Гц до 50 кГц с диаметром токовых клещей 54 мм. Такие пробники используются для контроля за мощными энергетическими установками, например подстанциями и силовыми трансформаторами.
При измерениях средних и больших токов (от единиц мА до тысяч А) разумно применять специальные бесконтактные токовые пробники на основе датчиков магнитного поля, возникающего вокруг проводника с током. Повышение чувствительности достигается созданием обмотки датчика из одного или нескольких витков. Обращайте внимание на такие важные параметры токовых датчиков, как диапазон измеряемых токов, погрешность измерений и частотный диапазон (он обычно уже, чем у пробников напряжения).
Новейшие пробники Tektronix класса TekConnectTM и TekVPITM
В 2001 г. корпорацией Tektronix были созданы пробники класса TekConnectTM, внешний вид которых показан на рис. 5.19,а, а затем в 2006 г. – новейшие пробники типа TekVPITM – рис. 5.19,б. Такие пробники применяются в новейших осциллографах серий DPO/MSO-4000 и DPO-7000 корпорации Tektronix.
Рис. 5.19. Новейшие интерфейсы пробников корпорации Tektronix XXI века
Выпускаются разнообразные пробники с интерфейсом TekConnectTM. В основном пробники этого класса предназначены для широкополосных осциллографов корпорации Tektronix. Так, в конце 2006 г. были выпущены дифференциальные пробники этого класса P7380SMA и P7313SMA с полосой частот 8 и 13 ГГц – рис. 20. Времена нарастания из переходной характеристики составляют 55 и 40 пс при отсчете на уровнях 10% и 90% и 35 и 25 пс при отсчете на уровнях 20% и 80%. Это позволяет использовать пробники при испытании высокоскоростных импульсных и логических схем. Более подробно дифференциальные пробники рассматриваются ниже.
Рис. 20. Широкополосные пробники P7380SMA и P7313SMA с интерфейсом TekConnectTM
Новые осциллографы корпорации Tekronix серий 4000/7000 используют новейшую и наиболее перспективную архитектуру и конструкцию пробников типа TekVPITM (рис. 5.19,б). Это пробники нового поколения. Они обеспечивают интеллектуальный двухсторонний интерфейс, удобство подключения к осциллографу с фиксацией с помощью защелки, сохранение высочайшей точности вычислений и выполнение любых функций пробников различного класса. Пробники имеют удобные средства настройки и диагностики, что снижает требования у квалификации пользователей осциллографами. Светодиодные индикаторы на блоке компенсации, подключаемом к осциллографу, дают наглядную цветовую информацию о работе пробника. Windows-интерфейс осциллографов имеет контекстное меню, также дающее полную информацию о пробниках и их установках. Это меню можно вызвать специальной кнопкой на блоке компенсации.
Одним из первых с интерфейсом TekVPITM был выпущен токовый пробник TCP0030 (рис. 5.21). Он обеспечивает осциллографирование токов от 1 мА до 30 А с пиковой импульсной нагрузкой до 50 А. Полоса частот этого пробника до 120 МГц, он обеспечивает подключение к любому осциллографу серий DPO4000 и DPO7000 без применения источника питания пробника. Пробник широко используется при тестировании и отладке элетротехнических и энергетических устройств малой и средней мощности.
Рис. 5.21. Токовый пробник TCP0030 с интерфейсом TekVPITM
Согласованные пассивные пробники и аттенюаторы
Тут уместно отметить, что наибольшую полосу частот и наименьшее время нарастания можно получить только при использовании режима согласования линии передачи пробника (кабеля). До сих пор они рассматривались как сосредоточенные элементы с общей емкостью. Однако, на самом деле кабели и иные (например, микрополосковые) линии передачи являются распределенными и характеризуются погонной (на единицу длины) индуктивностью L1 и емкостью C1. Величины
и
(5.13)
называют волновым сопротивлением и погонной временной задержкой линии с распределенными постоянными. В измерительной технике используются кабели с волновым сопротивлением 50 Ом, а в телевизионной – 75 Ом.
Если линия (кабель) согласованы со стороны источника сигнала и осциллографа (т.е. нагружены на сопротивления, равные Rл), то характер передачи сигналов качественно меняется – по кабелю, представляющему собой распределенную линию передачи, движется бегущая волна сигнала и искажения его почти отсутствуют. У хорошего кабеля время нарастания составляет всего несколько пс. При отсутствии согласования на входе или выходе линии происходит отражение волн от мест рассогласования и форма импульсов сильно искажается.
При особо ответственных измерениях в области сверхмалых времен (доли-единицы нс) используйте характерную для СВЧ технику согласованных по волновому сопротивлению трактов с применяемыми в них коаксиальными линиями передачи (кабелей), аттенюаторами, тройниками, 50-Омных заглушек и т.д.
Для анализаторов спектра и осциллографов часто выпускаются специальные пробники с входным и выходным сопротивлением, равным 50 Ом, а также коаксиальные делители напряжения и мощности (аттенюаторы). Эти устройства являются самыми широкополосными и нередко рассчитаны на работу с сигналами, частота которых лежит в пределах от единиц до десятков ГГц.
С условиями приобретения книги можно ознакомиться на www.solon-press.ru
