Незалежно від класу приладів для аналізу тих чи інших сигналів необхідно довести до входів пристроїв досліджувані сигнали. Їх джерела дуже рідко вдається впритул наблизити до входів осцилографів і аналізаторів. Часто вони розташовані на відстані від часток метра до декількох метрів. Це означає, що потрібні спеціальні погоджують пристрої, що включаються між джерелами сигналів і входами осцилограф і аналізаторів.
Зазвичай пробники використовуються для реалізації наступних важливих цілей:

• віддаленого підключення осцилографа до об'єкта дослідження;
• зменшення чутливості каналів вертикального (іноді і горизонтального) відхилення і дослідження сигналів підвищеного рівня (пасивні пробники);
• розв'язки вимірювальних ланцюгів від вузлів осцилографа (оптичні пробники);
• великого ослаблення сигналу і дослідження сигналів в високовольтних ланцюгах (високовольтні пробники);
• збільшення вхідного опору і зменшення вхідний ємності (компенсовані подільники та пробники - повторювачі);
• корекції амплітудно-частотної характеристики системи пробник-осцилограф;
• отримання осциллограмм струму (струмові пробники);
• виділення протифазних сигналів і придушення синфазних сигналів (диференціальні пробники);
• підвищення чутливості осцилографів (активні пробники);
• спеціальних цілей (наприклад, узгодження виходів джерел широкосмугових сигналів з 50-омним входом осцилографа).

Цілком очевидно, що роль пробників дуже важлива і часом нітрохи не поступається важливості самих осцилографів і аналізаторів. Але, часто, роль пробників недооцінюється і це є серйозною помилкою початківців користувачів цими приладами. Нижче розглянуті основні типи пробників і інших аксесуарів для осцилографів і аналізаторів спектрів і сигналів, а також логічних аналізаторів.

Пробники на основі компенсованого дільника

Найпростішим і давно застосовуваним типом пробників є пасивні пробники з компенсованим дільником напруги - рис.5.1. Дільник напруги будується на резисторах R1 і R2, причому R2 може бути просто вхідним опором осцилографа.

Мал. 5.1. Схема компенсованого дільника
Параметри подільника на постійному струмі обчислюються за формулами:
(5.1)
Наприклад, якщо R2 = 1 МОм і R1 = 9 МОм, то має Rвх = 10 МОм і KД = 1/10. Таким чином, вхідний опір збільшено в 10 разів, але в 10 разів падає і рівень напруги, що надходить на вхід осцилографа.
У загальному випадку (на змінному струмі) для коефіцієнта передачі подільника можна записати вираз (τ1 = R1C1 і τ2 = C2R2):

(5.2)

. (5.3)
Таким чином, за однакової кількості постійних часу τ1 і τ2, коефіцієнт передачі подільника перестає залежати від частоти і дорівнює його значенням на постійному струмі. Такий дільник називають компенсованим. Ємність C2 це загальна ємність кабелю, монтажу і вхідна ємність осцилографа. Практично, для досягнення умови компенсації ємність С1 (або C2) потрібно підлаштовувати, наприклад за допомогою підлаштування конденсатора змінної ємності - ножа (див. Рис. 5.2.). Регулювання виконується спеціальною пластиковою викруткою, що входить в комплект аксесуарів пробників. Він включає в себе різні наконечники, перехідники, кольорові наклейки та інші корисні «дрібниці».

Мал. 5.2. Конструкція стандартного пасивного пробника HP-9250 на основі частотно-компенсованого дільника
При компенсації спотворення прямокутного імпульсу (меандру), зазвичай створюється вбудованим в осцилограф калибратором, відсутні (див. Рис. 5.3). При спаді вершини імпульсу спостерігається недокомпенсація, а при наростанні - перекомпенсація. Характер осциллограмм при цьому також показаний на рис. 3 (зняті осциллографом TDS 2024 з пробником P2200 [3]). Рекомендується проводити компенсацію при максимально великому зображенні осцилограми відповідного каналу.

Мал. 5.3. Осцилограми імпульсів калібратора осцилографа Tektronix TDS 2024 при різного ступеня компенсації (зверху-вниз): нормальної компенсації, перекомпенсації і недокомпенсації
При роботі з багатоканальним осциллографом слід застосовувати пробники індивідуально для кожного каналу. Для цього їх треба помітити (якщо це вже не зроблено на заводі) пробники наклейками різного кольору, зазвичай відповідними кольорами ліній осциллограмм. Якщо не дотримуватися цього правила, то через неминуче розкиду вхідних ємностей кожного каналу компенсація буде неточною.
Для дільником 1:10 резистор R1 має дорівнювати 9R2. Це означає, що ємність C1 повинна бути в 9 разів менше вхідний ємності C2. Вхідна ємність дільника визначається послідовним з'єднанням С1 і C2:

(5.4)

Наближене значення справедливо при KД »1 і С1« С2. При KД = 10 вхідна ємність дільника майже в 10 разів менше вхідний ємності осцилографа. Слід пам'ятати, що в C2 входить не тільки істинна вхідна ємність осцилографа, а й ємність С1 збільшується на величину ємності монтажу. Тому насправді зменшення вхідної ємності подільника в порівнянні з вхідною ємністю осцилографа буде не таким помітним. Проте, саме це і пояснює значне зменшення спотворень фронтів імпульсів при роботі з дільником.
Слід враховувати наступну рекомендацію: якщо чутливість осцилографа по входу Y дозволяє спостерігати сигнал з подільником, то завжди застосовуйте його. Це заодно є і засобом захисту входів від великої напруги.
Збільшення активної складової вхідного опору дільника не завжди корисно, оскільки веде і зміни навантаження на випробний пристрою і отриманні різних результатів при відсутності дільника і при його застосуванні. Тому подільники часто проектуються так, що б вхідний опір осцилографа залишалося незмінним як при роботі без дільника, так і при роботі з ним. В цьому випадку дільник не збільшує вхідний опір осцилографа, але все ж зменшує вхідну ємність.

Підвищення рівня досліджуваних сигналів
Максимальна напруга на вході осцилографа визначається твором числа поділів його масштабної сітки на коефіцієнт відхилення по вертикалі. Наприклад, якщо число поділок масштабної сітки дорівнює 10, а коефіцієнт відхилення дорівнює 5 В / справ, то повний розмах напруги на вході дорівнює 50 В. Часто це мало для дослідження сигналів навіть помірно високого рівня - вище десятків вольт.
Більшість пробників дозволяє збільшити максимальну досліджувана напруга на постійному струмі і низькій частоті з десятків В до 500-600 В. Однак на високих частотах реактивна потужність (і активна, що виділяється на опорі втрат конденсаторів пробника) різко зростає і потрібно знижувати максимальну напругу на вході пробника - рис.5.4. Якщо не враховувати цю обставину, то можна просто спалити пробник!

Мал. 5.4. Залежність максимальної напруги на вході пробника від частоти
Ніколи не слід перевищувати рівень максимальної напруги на вході пробника на високих частотах сигналу. Це може привести до перегріву пробника і виходу його з ладу.
Різновидом пасивних пробників є високовольтні пробники [4]. Зазвичай вони мають коефіцієнт ділення 1/100 або 1/1000 і вхідний опір 10 або 100 МОм. Малопотужні резистори дільника пробника зазвичай витримують без пробою напруги до 500-600 В. Тому в високовольтних пробниках резистор R1 (і конденсатор C1) доводиться виконувати із застосуванням послідовно включених компонентів. Це збільшує розміри вимірювальної головки пробника.
Вид високовольтного пробника Tektronix P6015A показаний на рис. 5.5. Пробник має корпус з гарною ізоляцією з виступаючим кільцем, що запобігає зісковзування пальців до ланцюга, осцилограма напруги якій знімається. Пробник можна використовувати при напрузі до 20 кВ на постійному струмі і до 40 кВ при імпульсах великий шпаруватості. Частотний діапазон осцилографа з таким пробником обмежений 75 МГц, що з надлишком достатньо для вимірювань в високовольтних ланцюгах.

Мал. 5.5. Зовнішній вигляд високовольтного пробника Tektronix P6015A
При роботі з високовольтними пробниками треба дотримуватися максимально можливих запобіжних заходів. Спочатку підключіть дріт заземлення, а лише потім підключіть голку пробника до точки, осциллограмму напруги на якій потрібно отримати. Рекомендується закріпити пробник і взагалі прибрати руки від нього при проведенні вимірювань.
Високовольтні пробники випускаються як для цифрових, так і аналогових осцилографів. Наприклад, для унікальних широкосмугових аналогових осцилографів серії ACK7000 / 8000 випускається пробник HV-P30 зі смугою частот до 50 МГц, коефіцієнтом ділення 1/100, максимальною напругою синусоїди (від піку до піку) 30 кВ і максимальною напругою імпульсного сигналу до 40 кВ. Вхідний опір пробника 100 МОм, вхідна ємність 7 пФ, довжина кабелю 4 м, вихідний роз'єм BNC. Інший пробник HV-P60 з коефіцієнтом ділення 1/2000 може застосовуватися при максимальних напругах до 60 кВ для синусоїди і до 80 кВ для імпульсного сигналу. Вхідний опір пробника 1000 МОм, вхідна ємність 5 пФ. Про серйозність цих виробів красномовно говорить їх висока ціна - близько 66 000 і 124 000 рублів (за даними прайс-листа компанії Елікс).

Пробники з корекцією частотної характеристики

Часто пасивні пробники використовуються для корекції амплітудно-частотної характеристики осцилографів. Іноді це корекція, розрахована на розширення смуги частот, але частіше вирішується зворотна задача - звуження смуги частот для зменшення впливу шуму при спостереженні сигналів малого рівня і усунення швидких викидів на фронтах імпульсних сигналів.
Такими пробниками (P2200) комплектуються масові осцилографи серій Tektronix TDS 1000B / 2000B. Зовнішній вигляд їх показаний на рис. 5.6.

Основні параметри пробників наведені в табл. 5.1.
Таблиця 5.1. Основні параметри пасивних пробників P2200

Мал. 5.6. Пасивний пробник P2200 з вбудованим фільтром низьких частот в положенні перемикача розподілу напружень 1/10
З табл. 5.1 добре видно, що застосування пробника з коефіцієнтом ділення 1/1 доцільно тільки при дослідженні низькочастотних пристроїв, коли досить смуга частот до 6,5 МГц. У всіх інших випадках доцільно працювати з пробником при коефіцієнті розподілу 1/10. При цьому вхідна ємність зменшується з 110 пФ до приблизно 15 пФ, а смуга частот розширюється з 6,5 МГц до 200 МГц. Осцилограми меандру з частотою 10 МГц, показані на рис. 5.7, добре ілюструють ступінь спотворення осциллограмм при коефіцієнті розподілу 1/10 і 1/1. В обох випадках використовувалося стандартне включення пробників з зачіпляються насадкою і довгим проводом заземлення (10 см) з крокодилом. Меандр з часом наростання 5 нс було отримано від генератора Tektronix AFG 3101.

Мал. 5.7. Осцилограми імпульсів (меандру) з частотою 10 МГц при використанні 200-МГц осцилографа Tektronix TDS 2024В з пробниками P2200 при коефіцієнті розподілу 1/10 (верхня осцилограма) і 1/1 (нижня осцилограма)
Неважко помітити, що в обох випадках осцилограми спостережуваного сигналу (а він у генераторів AFG 3101 на частоті 10 МГц близький до ідеального і має гладкі вершини без натяку на «дзвін») сильно спотворені. Однак характер спотворення різний. При положенні дільника 1/10 форма сигналу близька до меандру і має фронти малої тривалості, але спотворена затухаючими коливаннями, що виникають через індуктивності довгого заземлюючого проводу - рис. 8. А в положенні дільника 1/1 затухаючі коливання пропали, але явно помітно значне зростання постійної часу системи «пробник-осцилограф». В результаті замість меандру спостерігаються пилковидні імпульси з експонентними наростанням і спадом.

Мал. 5.8. Схема включення пробника до навантаження RL
Пробники з вбудованою корекцією треба застосовувати суворо за призначенням з урахуванням сильного відмінності частотних характеристик при різному положенні дільника напруги.

Облік параметрів пробників

Наведемо типові дані схеми рис. 5.8: внутрішній опір джерела сигналу Ri = 50 Ом, опір навантаження RL >> Ri, вхідний опір пробника RP = 10 МОм, вхідна ємність пробника CP = 15 пФ. При таких даних елементів схеми вона вироджується в послідовний коливальний контур, що містять опір R≈Ri, індуктивність земляного дроті L≈LG (близько 100-120 нГн) і ємність C≈CP.
Якщо на вхід такого контуру подати ідеальний перепад напруги E, то тимчасова залежність напруги на C (і вході осцилографа) матиме вигляд:

(5.5)
Розрахунки показують, що ця залежність може мати значний викид при великих L і малих R, що і спостерігається на верхній осциллограмме рис. 5.7. При α / δ = 1 цей викид становить не більше 4% від амплітуди перепаду, що є цілком задовільним показником. Для цього величину L = LG треба вибирати рівний:

(5.6)
Наприклад, якщо C = 15 пФ і R = 50 Ом, то L = 19 нГн. Для зменшення L до такої величини (з типовою близько 100-120 нГн для земляного дроти завдовжки 10 см) треба вкоротити земляний (можливо і сигнальний) провід до довжини менше 2 см. Для цього слід зняти насадку з головки пробника і відмовитися від використання стандартного земляного дроти. Початок пробника в цьому випадку буде представлено контактної голкою і циліндричним земляний смужкою (рис. 5.9) з малою індуктивністю.

Мал. 5.9. Головка пробника зі знятим наконечником (зліва) і перехідник до коаксіального роз'єму (праворуч)
Ефективність застосовуваних для боротьби зі «дзвоном» заходів ілюструє рис. 5.10. На ньому показані осцилограми 10-МГц меандру при звичайному включенні пробника і включення зі знятою насадкою і без довгого проводу землі. Добре видно практично повне усунення явних згасаючих коливальних процесів на нижній осциллограмме. Невеликі коливання на вершині пов'язані з хвильовими процесами в сполучному коаксіальному кабелі, який в таких пробниках працює без узгодження на виході, що породжує відображення сигналу.

Мал. 5.10. Осцилограми 10-МГц меандру при звичайному включенні пробника (верхня осцилограма) і включенні зі знятою насадкою і без довгого проводу землі (нижня осцилограма)
Для отримання осциллограмм з гранично малими часом наростання і «дзвоном» слід вжити заходів щодо граничного зменшення індуктивності вимірюваної ланцюга: видалення насадки пробника і підключення пробника з допомогою голки і циліндричної заземляющей вставки. Слід вживати всіх можливих заходів щодо зменшення індуктивності ланцюга, сигнал в якій спостерігається.
Важливими параметрами системи пробник-осцилограф є час наростання системи (на рівнях 0,1 і 0,9) і смуга частот або максимальна частота (на рівні спаду чутливості на 3 дб). Якщо скористатися відомим значенням резонансної частоти контуру

, (5.7)
то можна висловити значення R через резонансну частоту контуру, що визначає граничну частоту тракту відхиляє:

. (5.8)
Неважко довести, що час досягнення напругою u (t) значення E амплітуди перепаду дорівнюватиме:

. (5.10)

Це значення зазвичай і беруть за час встановлення пробника з оптимальною перехідною характеристикою. Загальний час наростання осцилографа з пробником можна оцінити як:

, (5.11)
де tосц - час наростання осцилографа (при подачі сигналу прямо на вхід відповідного каналу). Верхня гранична частота Fмакс (вона ж і смуга частот) визначається як

. (5.12).
Наприклад, осцилограф має t0 = 1 нс має Fмакс = 350 МГц. Іноді множник 0,35 збільшують до 0,4-0,45, оскільки АЧХ багатьох сучасних осцилографів з Fмакс> 1 ГГц відрізняється від гауссовский, для якої характерний множник 0,35.
Не варто забувати про ще один важливий параметр пробників - часу затримки сигналу tз. Це час визначається, перш за все, погонних часом затримки (на 1 м довжини кабелю) і довжиною кабелю. Воно зазвичай становить від одиниць до десятків нс. Щоб затримка не впливала на взаємне розташування осциллограмм на екрані багатоканального осцилографа потрібно використовувати у всіх каналах пробники одного типу з кабелями однакової довжини.

Підключення пробників до джерел сигналів

Підключення пробників до потрібних крапок досліджуваних пристроїв може здійснюватися за допомогою різних наконечників, насадок, зачіпок і «мікро-крокодилів» які часто входять в комплект аксесуарів пробника. Однак найчастіше найбільш точні вимірювання виконуються при підключенні за допомогою первинної голки пробника - см. Рис. 5.11 або двох голок. При розробці високочастотних і імпульсних пристроїв на друкованій платі для цього передбачаються спеціальні контактні площадки або металізовані отвори.

Мал. 5.11. Підключення пробника до контактних майданчиків друкованої плати досліджуваного пристрою
Особливо актуально в наш час Підключення пробніків до контактних майданчиків мініатюрніх Друкований плат, гібрідніх и монолітних інтегральніх мікросхем [43. Тримати в руках пробники в цьому випадку незручно, а зісковзування голки з контактної площадки можуть з'єднати або навіть механічне пошкодження пристрою. Спеціальні аксесуари - кріплення дозволяють підключати пробники до ніжок мікросхем і контактним висновків друкованих плат навіть при їх малих розмірах - рис. 5.12.

Мал. 5.12. Спеціальні наконечники пробників для підключення до мікросхем і контактним висновків друкованих плат
Слід заздалегідь продумати спосіб підключення пробника до контрольних точок досліджуваного пристрою (схеми) і фіксації вимірювальної головки пробника. Непродумане застосування пробника може не тільки сильно спотворити осцилограму в контрольній точці, але і пошкодити випробувані пристрій, наприклад мікросхему.

продовження статті

З умовами придбання книги можна ознайомитися на www.solon-press.ru