Публикация пресс-релизов Поиск по компании
Решения, технологии, стандарты Рынок, отрасль, люди Основы
Отменить подписку Подписка
Производители Системные интеграторы Дистрибьюторы
Продукты месяца Поиск по категории Добавить продукт
Добавить мероприятие
Добавить вакансию Специалисты по АСУ ТП, КИП Специалисты по электротехнике, энергетике Главные инженеры, технологи, электрики Менеджеры по продажам, консультанты, другое
Технические требования Публикация статей Публикация пресс-релизов Media Kit 2014
 


 

Решения, технологии, стандарты - статьи Ua.Automation.com

Теория пробников. Основы. Часть II
 
Ссылка на веб-сайт


Ограничения по полосе пропускания и времени нарастания фронта импульсов

 
Полоса пропускания – диапазон частот, под которые проектировались осциллограф и пробник. Например, 100 МГц пробник и осциллограф предназначены для осуществления измерений в рамках спецификаций на все частоты до 100 МГц. Нежелательные или непредусмотренные режимы измерений могут привести к получению результатов за пределами установленной полосы пропускания (рис. 1.5)
 
 
Рис 1.5. Пробники и осциллографы разработаны таким образом, чтобы осуществлять измерения в рамках спецификаций по установленной полосе пропускания. При частотах, выходящих за рамки 3dB, амплитуды сигналов получаются чрезмерно затухающими, соответственно получаемые результаты измерений могут быть непредсказуемыми 
 
Как правило, для осуществления точных измерений по амплитуде полоса пропускания осциллографа должна быть в 5 раз шире значения частоты измеряемого сигнала. Если следовать «Правилу пяти», то гарантированно обеспечивается адекватная ширина полосы пропускания под высокочастотные компоненты несинусоидальных форм сигналов, как то квадратичные волны. Точно также осциллограф должен обладать адекватной характеристикой времени нарастания фронта импульса под измеряемые формы сигналов. Характеристика Времени нарастания осциллографа или пробника определяется как время нарастания, которое было бы измерено в случае с идеальным импульсом, имеющим фронт мгновенного нарастания. Для приемлемой точности при измерениях времени нарастания или спада импульсов, характеристика времени нарастания как у пробника, так и осциллографа должны быть от 3-х до 5-ти раз быстрее, чем у измеряемого импульса (рис. 1.6)     
 
 
 
Рис. 1.6. Ошибка при измерениях времени нарастания фронта импульса может быть выведена из представленной выше диаграммы. Комбинация осциллограф/пробник при характеристике времени нарастания в 3 раза большей, чем у измеряемого импульса (соотношение 3:1) может привести к погрешности в результатах до 5%. Соотношение 5:1 уже снизит эту погрешность до 2%.
 
В тех случаях, когда время нарастания не специфицировано, можно самостоятельно вывести значение этой характеристики (Tr) отталкиваясь от полосы пропускания (BW) при помощи расчётов: Tr = 0.35/BW.
 
Каждый осциллограф обладает чётко установленными границами по полосе пропускания и времени нарастания фронта импульса.  Точно также каждый пробник имеет собственные значения полосы пропускания и времени нарастания. А когда пробник подстыковывается к осциллографу, то получается измерительная система уже с новыми характеристиками полосы пропускания и фронтом нарастания. К сожалению, взаимосвязь между значениями полосы пропускания системы и отдельно взятыми осциллографом и пробником очень непростая. Точно также и в отношении значений времени нарастания фронта импульса. Чтобы решить эти задачи, производители высококачественных осциллографов чётко указывают характеристики полосы пропускания или времени нарастания фронта импульсов своих приборов от кончиков пробников именно при тех ситуациях, когда осциллограф непосредственно задействован с конкретными моделями тех или иных пробников. Это очень важно, поскольку, как уже отмечалось, осциллограф и пробник вместе формируют измерительную систему, а именно характеристики полосы пропускания и времени нарастания фронта импульсов определяют измерительные возможности такой системы. Если применяется пробник, не входящий в перечень рекомендованных для конкретного типа осциллографа, то возникает большой риск получения недостоверных результатов измерений.    
 
Ограничения по динамическому диапазону
 
Все пробники обладают высоковольтными пределами безопасности, которые не должны быть превышены. Что касается пассивных пробников, то эти пределы могут находиться в значениях от сотен вольт до тысяч. Однако в отношении активных пробников максимально безопасные пределы очень часто не превышают несколько десятков вольт.  Для избегания несчастных случаев, а также повреждений самих пробников, очень важно быть осведомлённым о значениях измеряемого напряжения и его безопасных пределах. Помимо соображений безопасности, также присутствуют и практические аспекты, связанные с динамическим диапазоном измерений. Осциллографы имеют диапазоны чувствительности по амплитуде. Например, характеристика от 1 mV до 10 V/деление и есть обычный диапазон чувствительности. На дисплее с 8 делениями это означает, что возможно проводить довольно таки точные измерения на сигналах в диапазоне от 4mV до 40 V между пиковых значений. Это предполагает применение дисплея с как минимум 4 делениями для отображения параметров амплитуды, что позволит достигать приемлемого разрешения.
 
При пробнике 1 Х (однократный пробник), динамический диапазон измерений такой же, как и у осциллографа. Что касается приведённого выше примера, то это будет диапазон измерений сигнала от 4 mV до 40 V. Но что случится, если потребуется измерять сигналы, выходящие за пределы 40 V диапазона? Тогда возникнет необходимость смещения динамического диапазона осциллографа к более высоким значениям напряжения посредством понижающего пробника. Например, 10 Х пробник расширяет динамический диапазон от 40 mV до 400 V. Он делает это через понижение входного сигнала на фактор 10, тем самым эффективно умножая масштабную сетку осциллографа соответственно на 10. Для большинства применений общего назначения, предпочтительны именно пробники 10 Х, как по причине того, что они имеют достаточный высоковольтный диапазон, а также и потому, что они меньше всего нагружают источник сигналов.  Однако если планируются измерения очень широкого диапазона по уровням напряжения, то можно рассмотреть варианты применения переключаемых 1 Х/10 Х пробников. Такое решение обеспечивает динамический диапазон от 4 mV до 400 V. Однако в режиме 1 Х больше внимания следует уделять в отношении нагрузки на источник сигналов.
 
 
Нагрузка на источник сигналов
 
Как упоминалось ранее, пробник должен оттягивать некоторое количество тока от сигнала для того, чтобы создать напряжение, соответствующее величине сигнала на входе осциллографа. Такой процесс накладывает нагрузку в точке тестирования, что может привести к изменениям характеристик сигнала, которого цепь или источник направляют на эту точку.
 
А) Цепь постоянного тока с нагрузкой 100 кΩ
Б) Та же самая цепь DC с нагрузкой пробника, добавленного параллельно
 
Рис. 1.7а и рис. 1.7б Примеры резистивной нагрузки
 
Простейшим примером нагрузки на источник сигнала могут послужить измерения резистивной сети от батарейного питания. Это показано на рисунках 1.7. На рис. 1.7а видно, что до того, как пробник был подстыкован, батарейное напряжение постоянного тока распределяется вдоль внутреннего сопротивления батареи (Rj) и нагрузки сопротивления (Ri), которое батарея приводит в действие. Для значений, представленных на диаграмме, результаты выходного напряжения будут такими:      
 
Eo = Eb * Rj/(Rj + Ri) = 100 V * 100,000/(100 + 100,000) = 10,000,000 V/100,100 = 99.9 V
 
На рисунке 1.7б пробник был подстыкован к цепи, привнося сопротивление (Rp) параллельно с Rj. Если Rp составляет 100 kΩ, то реальная резистивная нагрузка согласно рис. 1.7б разделится пополам,  до 50 KΩ.
 
Нагрузочный эффект составит:
 
Eo = 100 V * 50,000/(100 + 50,000) = 5,000,000 V/50,100 = 99.8 V
 
Такое нагрузочное воздействие в 99.9 против 99.8 составляет всего лишь 0.1% и в большинстве применений просто ничтожно по своему воздействию. Однако если значение Rp было бы меньшим, скажем 10 kΩ, то такое воздействие уже сложно назвать «ничтожным». Для минимизации такой резистивной нагрузки, пробники 1 Х обычно обладают сопротивлением в 1 МΩ, а пробники 10 Х соответственно 10 МΩ. В большинстве случаев эти значения приводят вообще к отсутствию резистивной нагрузки как таковой. Тем не менее, некоторую нагрузку следует ожидать даже при измерениях источников сигналов с высоким сопротивлением.
 
Очень часто именно та нагрузка вызывает наибольшую озабоченность, которая вызвана ёмкостью, присутствующей на кончике пробника (см. рис. 1.8). При низких частотах ёмкость обладает реактивным сопротивлением, которое очень высоко, поэтому упомянутое выше воздействие либо очень небольшое, либо отсутствует вовсе. Но по мере повышения частоты ёмкостное реактивное сопротивление понижается. Как результат: повышенная нагрузка при высоких частотах.
 
Рис. 1.8. При источниках сигналов переменного тока, ёмкостное сопротивление на кончиках пробников (Cp) представляет собой наибольшую проблему по нагрузке. По мере повышения частоты сигналов, ёмкостное реактивное сопротивление (Xc) понижается, вызывая перетекание сигнала через конденсатор.
 
  
 
Рис. 1.9. Индуктивность заземляющих выводов.
 
Заземляющие выводы пробника добавляют индуктивность к цепи. Чем длиннее заземляющий вывод, тем выше индуктивность и выше вероятность увидеть процесс затухания на быстрых сигналах
 
 
Ёмкостная нагрузка воздействует на полосу пропускания и время нарастания фронта импульса измерительной системы (осциллограф + пробник) через сокращение первой характеристики и повышения второй. Ёмкостная нагрузка может быть минимизирована посредством подбора пробников с низкими значениями ёмкостного сопротивления на кончиках. Некоторые значения ёмкостного сопротивления различных пробников представлены на таблице внизу:
 
Пробник
Понижающий фактор
Сопротивление
Ёмкость
P6101B
1 X
1 Mx
100 pF
P6106A
100 X
10 Mx
11 pF
P6139A
10 X
10 Mx
8 pF
P6139A
10 X
1 Mx
1 pF
 
Поскольку заземляющий вывод представляет собой проволоку, то он имеет некоторое количество распределённой индуктивности (см. рис. 1.9). Эта индуктивность взаимодействует с ёмкостным сопротивлением пробника для вызова явления затухающего колебания при определённой частоте, определяемой значениями L и С. Эти затухающие колебания неизбежны, и могут быть видимы как синусоиды с ослабевающей амплитудой, что запечатлевается на тестируемых импульсах. Эффект затухающих колебаний может быть снижен посредством применения заземления пробника, таким образом, что затухающая частота имеет место вне пределов границ полосы пропускания системы пробник/осциллограф.
 
Для избегания проблем с заземлением, всегда рекомендуется применять наиболее короткий заземляющий вывод, который имеется у пробника. Применение иных средств заземления может привести возникновению затухающих колебаний на измеряемых импульсах.  
 
Пробники и сенсоры
 
При столкновении с реалиями осциллографических пробников, очень важно держать в памяти, что пробники по своей сути не что иное как сенсоры. Большинство осциллографических пробников это датчики напряжения. Поэтому эти устройства обнаруживают (измеряют) или пробируют определённую величину напряжения, после чего направляют сигнал напряжения на входной каскад осциллографа. Однако имеются также и такие пробники, которые позволяют измерять и иные феномены, не только сигналы напряжения.   
 
 
 
Рис. 1.10 Настройки компенсации пробника осуществляются либо на головке пробника, либо на устройстве компенсации, когда это устройство прикрепляется к входному каналу осциллографа
 
Например, токовые пробники предназначены для измерения тока, протекающий по проводу. Пробник конвертирует измеряемый ток в соответствующий сигнал напряжения, который затем передаётся на входной разъём осциллографа. Точно также оптические пробники измеряют мощность светового потока и преобразуют его в сигнал напряжения для последующих измерений на осциллографе. Кроме того, осциллографические пробники напряжения могут применяться с большим множеством иных сенсоров или преобразователей для анализа различного рода феноменов. Преобразователь вибрации, к примеру, позволяет изучать характеристики машинной вибрации, представленные на экране осциллографа, при этом имеющихся возможностей для этого ровно столько, сколько вообще существует преобразователей «вибрация – напряжение». Следует помнить, что во всех случаях комбинация «преобразователь, пробник, осциллограф» должна рассматриваться как единая измерительная система. Более того, реалии пробников, что обсуждалось выше, также распространяются и на преобразователи. Преобразователи обладают полосой пропускания, кроме того, могут также вызывать эффект нагрузки.
 
 
Подсказки в отношении пробников
 
Правильная подборка пробников, соответствующих конкретной модели осциллографа и определённым приложениям, предоставляет возможности для успешной реализации конкретных задач измерений. На самом деле, осуществление измерений и получение нужных результатов зависит от того, насколько правильно эксплуатируется тестовый инструментарий. Приводимые ниже подсказки в отношении пробников помогут избежать довольно часто распространённых ошибок и ловушек, в которые попадают пользователи.
 
Компенсация пробников
 
Большинство пробников сделаны так, что согласуются с входными разъёмам большинства моделей осциллографов. Тем не менее, имеют место небольшие различия у определённых модельных рядов осциллографов и даже среди различных каналов входа на одном и том же осциллографе. Для того чтобы управляться с этими явлениями, большинство пробников, особенно это касается понижающих пробников (10 Х и 100 Х), имеют встроенные компенсационные цепи. Если ваш пробник имеет такую цепь, то её необходимо настроить для компенсации пробника в отношении канала осциллографа, который в данный момент задействован. Для этой цели необходимо следовать следующей процедуре:
  1. Соедините пробник с осциллографом
  2. Подсоедините кончик пробника к тестовой точке компенсации пробника на передней панели осциллографа (см. рис. 1.10)
  3. Используйте регулировочный инструментарий, поставляемый с пробником или иное не намагничивающее устройство для настройки компенсационной цепи и получения экранного изображения формы сигнала калибровки с плоскими верхними краями без выбросов или закруглений  (см. рисунки 1.11)
  4. Если ваш осциллограф обладает некоей встроенной процедурой калибрования, то реализуйте эту процедуру в целях повышения точности
Не компенсированный пробник может привести к целому ряду ошибочных результатов при измерениях, особенно это относится к таким характеристикам как скорость нарастания и падения фронтов импульса. Для избегания такого рода явлений всегда проводите процедуру компенсации пробника сразу же после подстыковки его к осциллографу, после чего не ленитесь периодически проверять уже достигнутые параметры компенсации. 
Рис. 1.11а Чрезмерная компенсация   Рис. 1.11b Недостаточная компенсация  Рис. 1.11с  Правильная компенсация
 
Рисунки 1.11a, 1.11b, 1.11c Примеры результатов различных компенсаций пробника, отражаемые на волне компенсации
Рис.1.12а Непосредственный контакт с кончиком пробника  Рис.1.12b Двухдюймовый провод на кончике пробника
Рисунки 1.12a, 1.12b Даже короткий кусочек провода, припаянный к точке тестирования пробника, может вызвать искажения при воспроизведении измеряемого сигнала на экране осциллографа
Рис.1.13а 6.5 дюймовый заземляющий вывод пробника  Рис.1.13b 28 дюймовый заземляющий вывод, прикреплённый к пробнику
 
Рисунки 1.13а и 1.13b Удлинение заземляющих выводов пробника может привести к появлению эффекта затухающих колебаний на измеряемых импульсах
 
Также будет разумно проверять параметры компенсации пробника при каждой смене адаптеров его на кончике.
 
Применяйте соответствующие адаптеры на кончике пробников там, где это возможно
 
Адаптеры для кончиков пробников предназначены для определённого типа тестируемых цепей в целях быстрого, удобного и электрически надёжного соединения. К сожалению, не приходится видеть коротеньких выводов проволоки, припаянной к отдельным участкам электрической цепи, которые могли бы послужить заменой адаптерам пробников. Проблема заключается в том, что даже пара дюймов дополнительного провода может вызвать значительные изменения в импедансе при высоких частотах измеряемого сигнала. Такого рода явления представлены на рисунках 1.12, когда цепь измеряется через прямой контакт с кончиком пробника, после чего такие же измерения осуществляются через короткий участок провода между цепью и кончиком пробника.   
  
Используйте как можно короткие и как можно прямые заземляющие выводы 
 
При проведении тестов на производительность или же при отладке неисправностей больших плат или систем, может возникнуть искушение удлинить заземляющие выводы пробника. Удлинённый заземляющий вывод позволяет сразу подсоединиться к участку заземления и свободно перемещать пробник по всей площади тестируемой системы по ходу поиска точек тестирования. Однако добавленная индуктивность за счёт удлинённого заземляющего вывода может вызвать феномен затухающего колебания на формах сигналов с быстрыми переходными характеристиками.  Эти явления показаны на рисунках 1.13, где иллюстрируются режимы измерений форм сигналов, осуществляемые с использованием стандартного заземляющего вывода пробника и удлинённого.  
 
Выводы
 
Завершилась первая глава из публикуемого цикла материалов об осциллографических пробниках, где была сделана попытка предоставить основополагающую информацию, необходимую для осуществления правильного выбора пробников и наиболее эффективного их использования. В последующих разделах будут публиковаться более развёрнутые сведения о различных типах пробников и технологиях их применения.  
 
Продолжение следует

 

 
Ссылка на веб-сайт