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 I
 
Ссылка на веб-сайт


Точные измерения начинаются с кончика пробника:
 
Подробные инструкции по подбору конкретного осциллографического щупа при решении сложных прикладных задач в области проектирования электронных систем, эксплуатации электротехнических установок, сетей связи, а также проблем измерений общего характера.
 
Настоящий цикл публикаций основан на материалах компании Tektronix Inc., - абсолютного мирового лидера  в области разработки и производства наиболее универсальных и востребованных приборов – осциллографов. Посредством публикуемых сведений вы получаете возможность делать осознанный выбор пробников по сериям, номеру модели, стандартам/приложениям, возможностям точных настроек под специфические задачи тестирования. Подробный перечень рекомендуемой продукции составлен также и в электронном виде на сайте www.tektronix.com/probes, где после каждого клика мышки выложенная информация обновляется.    
 
Информационные ресурсы компании Tektronix
 
Наличие постоянно расширяющей библиотеки книг, заметок, описаний решений задач и статей технического содержания, а также и иных информационных ресурсов помогут инженерам получить максимальный эффект как от самих пробников, так и от контрольно-измерительного оборудования различного функционала.
 
Сведения о безопасности
 
При осуществлении измерений электрических или электронных систем/цепей, вопросы персональной безопасности выходят на первый план. Убедитесь в том, что вы в полной мере осознали возможности и функциональные ограничения используемого вами измерительного инструментария. Кроме того, перед началом любых процедур тестирования, тщательно ознакомьтесь с системой или электрическими контурами, которые должны подвергнуться тестам. Просмотрите всю документацию и схемы объектов измерений, обращая особое внимание на уровни и местоположения точек с напряжением, расположенные по цепи или контурам. Кроме того, изучите все аннотации, содержащие сведения о мерах безопасности.
 
В дополнение к изложенному, обязательно учитывайте  нижеприведённые рекомендации во избежание травм и предотвращения поломок контрольно-измерительного оборудования.
  • Изучите характеристики клеммных соединений;
  • Изучите правильные процедуры заземления;
  • Разберитесь как соединять и отсоединять пробники надлежащим образом;
  • Избегайте открытых цепей;
  • Избегайте РЧ ожогов при управлении с пробниками;
  • Не работайте без чехлов;
  • Не работайте во влажных условиях;
  •  Не работайте во взрывоопасной обстановке;
  •  Не работайте с участками, где вы предполагаете, что присутствуют неполадки;
  • Содержите поверхности пробников чистыми и сухими;
  • Не погружайте пробники в жидкости.
Настоящий цикл публикаций состоит из следующих разделов:
 
ПРОБНИКИ – важнейшее устройство для качества измерений
  • Что есть пробник?
  • Идеальный пробник
  • Реалии пробников
  • Кончики пробников
  • Выводы
Различные пробники под различные нужды
  • Для чего имеется столько много видов пробников?
  • Различные виды пробников и преимущества каждого
  • Плавающие измерения
  • Аксессуары к пробникам
Руководство по выбору пробников
  • Выбор «правильного» пробника
  • Понимание источника сигналов
  • Проблемы осциллографов
  • Определение степени «правильности» пробника
Как пробники воздействуют на результаты ваших измерений
  • Воздействие полного сопротивления источника
  • Ёмкостная нагрузка
  • Учёт полосы пропускания
  • Что делать с факторами влияния пробников?
Понимание спецификаций пробников
  • Общепринятые заблуждения
  • Пробники ампер-секунда (токовые пробники)
  • Коэффициент ослабления (универсальное понятие)
  • Точность (универсальное понятие)
  • Полоса пропускания (универсальное понятие)
  • Ёмкостное сопротивление (универсальное понятие)
  • Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR, дифференциальные пробники)
  • Несущая частота снижения номинального тока (токовые пробники)
  • Постоянный ток (токовые пробники)
  • Вносимое сопротивление (токовые пробники)
  • Входная ёмкость (универсальное понятие)
  • Входное сопротивление (универсальное понятие)
  • Максимальная величина входного тока (токовые пробники)
  • Максимальная величина пикового токового импульса (токовые пробники)
  • Максимальная величина напряжения (универсальное понятие)
  • Задержка распространения (универсальное понятие)
  • Время нарастания (универсальное понятие)
  • Тангенциальный шум (активные пробники)
  • Тангенциальный диапазон (универсальное понятие)
Продвинутые технологии измерений при помощи пробников
  • Проблемы с выводами заземления
  • Дифференциальные измерения
  • Измерения сигналов маленького уровня
Пояснения по мерам предосторожности (приведены выше)
 
ГЛОССАРИЙ
 
ПРОБНИКИ – важнейшее устройство для качества измерений
 
Пробники жизненно необходимы для осуществления измерений при помощи осциллографов. Для понимания этого, отсоедините пробники от осциллографа и попробуйте что-нибудь протестировать. Сделать это невозможно, поскольку обязательно должно присутствовать электрическое соединение, создаваемое каким-либо щупом на участке между исследуемым сигналом и входным каналом осциллографа. Помимо выполнения роли незаменимого устройства при процедурах измерений осциллографами, пробники также оказывают огромное влияние на качество тестов. При подсоединении пробников к электрическим цепям могут возникнуть явления, воздействующие на работу этих самых цепей, таким образом, осциллограф будет представлять на экране и измерять параметры того сигнала, что будет поступать на вход осциллографа посредством задействуемого в тот момент пробника. Исходя из этого, существует обязательное условие:
 
Необходимо чтобы пробник оказывал минимальное воздействие на тестируемую цепь, при этом поддерживал адекватный уровень точности при воспроизведении сигналов по ходу всех режимов измерений.
 
Если пробник не поддерживает требуемый уровень точности воспроизведения сигналов, то тогда происходят искажения их характеристик по непредсказуемому алгоритму или же имеют место изменения на функциональном уровне исследуемой электронной схемы. В результате осциллограф видит не более чем искажённую версию настоящего сигнала. Итог: инженеры получают недостоверные или же абсолютно ложные результаты измерений.
Рис. 1.1 Пробник представляет собой устройство, устанавливающее физическое и электрическое соединение между осциллографом и точкой тестирования.   
 
Электронная схема под тестированием, Точка тестирования, Пробник, Осциллограф
По своей сути пробник – первичный канал в составе измерительной цепочки осциллографа. А эффективность всего этого измерительного комплекса в равной мере зависит как от пробника, так и от осциллографа. Понизьте характеристики первичного канала посредством применения неадекватного пробника или же через задействование неправильных методик, и вся ваша система измерений «завалится».
 
В этом и последующих разделах читатель уяснит, что именно вносит вклад в усиление или ослабление производительности пробников и каким образом подобрать правильный пробник под конкретную задачу. Кроме того, можно будет ознакомиться с некоторыми важными подсказками, чтобы использовать имеющиеся у вас пробники максимально эффективно.
 
Что есть пробник?
 
Для начала давайте определимся с этим понятием. В самом общем виде пробник можно охарактеризовать как физическое и электрическое соединение между точкой тестирования (источником сигнала) и осциллографом. В зависимости от задач тестирования, это соединение может быть установлено в самом простейшем случае при помощи куска проволоки, а в самом сложном - посредством активного дифференциального пробника. Тогда вполне достаточно сформулировать определение, что осциллографический пробник представляет собой некое устройство или участок сети, соединяющие источник сигнала с входным каскадом осциллографа. Этот тезис наглядно проиллюстрирован на рис. 1.1, где пробник графически обозначен как некий неопределённый объект в измерительной схеме.
Рис. 1.2 Большинство пробников состоят из головки, кабеля, схемы компенсации или устройства формирования сигнала
 
Схема под тестированием, головка пробника, точка тестирования, кабель пробника, устройство компенсации, осциллограф
 
Где бы и когда бы не задействовался пробник, он должен обеспечивать надёжную и качественную связь между источником сигнала и входом осциллографа (см. рис. 1.2). Адекватность соединения в измерительной схеме должна обеспечиваться решением трёх важнейших проблем, которые присутствуют: на физическом соединении с точкой тестирования, при воздействии пробника на функциональность измеряемой цепи (схемы) и при передаче сигнала по кабелю. Для того чтобы приступить к измерениям при помощи осциллографов, перво-наперво необходимо обладать физической возможностью состыковать кончик пробника с точкой тестирования. Для реализации этой задачи большинство пробников имеют в составе, по меньшей мере, один или два метра кабеля, являющегося их неотъемлемой частью (см. рис. 1.2). Кабельная разводка пробников позволяет использовать осциллографы в стационарном положении как в транспортном средстве, так и в лабораториях условиях, в то время как сами пробники можно перемещать от одной точки измерений к другой по всей тестируемой цепи. Но при этом приходится чем-то поступаться. Дело в том, что кабель пробника снижает его полосу пропускания в прямой последовательности: чем больше длина кабеля, тем больше понижение. Следует учитывать, что помимо кабеля определённой длины, большинство пробников также имеют в составе головки с насадками и кончиками. Головка пробника позволяет удерживать его, в то время как вы маневрируете кончиком для установления контакта с точкой тестирования. Обычно кончик пробника имеет форму подпружиненного крючка, что даёт возможность физической состыковки всего пробника с точкой тестирования. 
 
Физическое соединение пробника сточкой тестирования также устанавливает ещё и электрическую связь между кончиком пробника и входом осциллографа. Для получения достоверных результатов измерений, соединение пробника с измеряемой цепью должно иметь минимальное воздействие на функциональность этой цепи, при этом сигнал на кончике пробника должен с высокой точностью передаваться через головку и кабель на входной каскад осциллографа. Таким образом, все три перечисленные аспекта: физическое состыковка с объектом, минимальное воздействие на функциональность измеряемой цепи, высокая точность транслируемого сигнала охватывают большинство параметров, которые необходимо учитывать при выборе «правильных» пробников. Из-за того, что всегда имеет место воздействие пробников на электронные схемы и необходимо поддерживать высокую точность передаваемых на осциллограф сигналов, именно эти проблемы представляют собой наибольшую сложность, соответственно им посвящена большая часть материалов в публикуемом цикле статей. Однако никогда не следует игнорировать и проблемы, связанные с физической состыковкой кончика пробника и точки тестирования. При наличии трудностей с соединением пробника с исследуемым участком на цепи, возникают ситуации, когда точность при воспроизведении передаваемых на осциллограф сигналов существенно понижается.
 
Идеальный пробник
 
В идеальном мире идеальный пробник должен обладать следующими атрибутами:
  • Удобство и простота соединений
  • Способность передавать абсолютно точный сигнал
  • Нулевая нагрузка на точки тестирования
  • Абсолютный иммунитет на шумовые воздействия
Удобство и простота соединений
 
Установление физического канала с тестируемой точкой уже упоминалось как одно из ключевых требований при производстве измерений. В случае идеального пробника вы также должны иметь возможность устанавливать соединение легко и быстро. Когда тестируются миниатюрные электронные схемы, такие как плата высокоплотного поверхностного монтажа (SMT), то простота и удобство в установлении физического канала достигаются посредством использования сверхминиатюрных насадок и головок пробников, а также различных адаптеров, специально разработанных для устройств SMT.
 
Такая система пробников представлена на рис. 1.3а. Однако эти модели пробников слишком малы для практического использования в определённых приложениях, как например, промышленные энергетические сети, где как правило, присутствуют высокие значения напряжения и конструктивы проволочных межзубных лигатур. Для приложений в области энергетики востребованы существенно большие по физическим размерам пробники с большим запасом по параметрам безопасности. На рис. 1.3b и 1.3с представлены образцы таких пробников. На рис. 1.3b показан высоковольтный пробник, а на рис. 1.3c токовый пробник с зажимами.
 
Рис. 1.3а, 1.3b и 1.3c Различные модели пробников используются для различных приложений и технологий, а также методик тестирования
 
                          Рис. 1.3a Система пробников для устройств SMT
 
 
                                              Рис. 1.3b Высоковольтный пробник
 
 
                                              Рис. 1.3c Токовый пробник с зажимом
 
Рассматривая эти несколько примеров по способам физического соединения, становится ясно, что не существует неких идеальных размеров пробника или конфигураций под все приложения. Из-за этого были разработаны многочисленные модели и варианты пробников, с различными форм факторами для соответствия задачам в различных применениях.
 
Способность передавать абсолютно точный сигнал
 
Идеальный пробник должен передавать любой сигнал от кончика до входа осциллографа при абсолютной точности воспроизведения этого сигнала. Другими словами, сигнал, появляющийся на кончике пробника должен прибыть на входной разъём осциллографа точно в таком же виде. Для достижения абсолютной точности, электрическая цепь пробника от его кончика до входа осциллографа должна обладать нулевым коэффициентом понижения, безграничной полосой пропускания и линейной фазой по всем частотам. Суть в том, что все эти идеальные характеристики не только невозможно достигнуть, но они ещё и непрактичны. Например, отсутствует необходимость в безграничной полосе пропускания пробника или даже осциллографа в тех случаях, когда вы имеете дело с частотами аудио сигналов. Точно также нет необходимости в обладании безграничной полосой, с учётом того, что 500 МГц вполне достаточно для анализа большинства высокоскоростных цифровых сигналов, ТВ и иных подобного рода приложений с использованием осциллографа. Таким образом, в рамках определенной полосы пропускания при решении конкретных задач фактор абсолютной точности сигнала может стать некоей идеальной характеристикой, к которой можно стремиться и брать за основу лишь теоретически.        
 
Нулевая нагрузка на источники сигналов и точки тестирования
 
Электрическая схематика за точкой тестирования может считаться или моделироваться как источник сигналов. Любое внешнее устройство, как то пробник, подстыкованный к этой точке, может стать дополнительной нагрузкой на этот источник, расположенный за точкой тестирования.
 
Внешнее устройство выступает как нагрузка когда оно отводит величину тока из цепи (источника сигналов). Такая нагрузка или извлечение определённой токовой величины изменяет функциональность электронной схемы, располагающейся за и вокруг точки тестирования, тем самым изменяется и оригинальный сигнал, исходящий именно от этой точки на вход осциллографа.  
Идеальный пробник вообще не является объектом нагрузки на источник сигналов. Иными словами, он вообще не «извлекает» токовый сигнал от источника. Это означает, что при нулевом значении отвода тока пробник должен обладать безграничным импедансом, фактически представляя собой разомкнутую цепь в отношении к точке тестирования.
 
На практике же, пробник с нулевой нагрузкой на источник сигналов не существует. Это потому, что в любом случае пробник должен отводить некоторое небольшое количество токового сигнала для того, чтобы создать значение напряжения на входе осциллографа. Соответственно, при любом раскладе ожидается некоторая нагрузка на источник сигналов при использовании какого то бы ни было пробника. Тем не менее, целью любого инженера должна быть минимизация величины нагрузки посредством тщательного подбора пробников (или осциллографических щупов).    
 
Абсолютный иммунитет на шумовые воздействия
 
Флуоресцентные лампы и моторы от вентиляторов – лишь две позиции из большинства источников электрических шумов, что нас окружают. Эти источники могут наводить генерируемые ими шумы на близлежащие кабельные разводки и цепи, тем самым добавляя негативные воздействия к анализируемым в настоящий момент сигналам. Понятно, что из-за восприимчивости к наводящимся шумам, простой кусок проволоки вряд ли может выступать в качестве идеального осциллографического пробника.
 
Идеальный пробник полностью невосприимчив ко всем без исключения источникам шумов. В результате поступивший на осциллограф сигнал не содержит в себе никаких иных помех, кроме тех, что поступили на него в точке тестирования.    
  
На практике применение экранированных пробников позволяет достигнуть высокого уровня иммунитета к шумам, что касается большинства уровней сигналов. Тем не менее, шум может продолжать оставаться проблемой для определённых сигналов низкого уровня. В особенности шумовые воздействия представляют из себя серьёзную угрозу для дифференциальных измерений, о чём речь пойдёт ниже.
 
Реалии пробников
 
В предыдущих разделах секции «Идеальный пробник» речь шла нескольких аспектах, значительно отличающих реальные пробники от идеальных. Для понимания того, как это может воздействовать на качество проводимых вашим осциллографом измерений, необходимо тщательно исследовать характеристики пробников, что используются инженерами в повседневных жизненных условиях. 
Во-первых, необходимо уяснить, что пробник, даже если это простой кусок проволоки, потенциально представляет из себя сложную электрическую цепь.
 
a. Распределённые R для сигналов постоянного тока DC (0 Hz), пробник, заземляющий вывод
 
 
b. Распределённые R, L, & C для сигналов переменного тока (AC), пробник, заземляющий вывод
Рис. 1.4а и рис. 1.4b Пробники представляют собой электрические цепи, скомпонованные из распределённых элементов напряжения, индуктивности и ёмкости (соответственно R, L и C)
 
Для сигналов постоянного тока (частота 0 Гц) пробник представляет из себя простую проводящую пару с определёнными величинами последовательного и нагрузочного сопротивления (рис. 1.4а). Однако, в отношении сигналов переменного тока (АС), картина меняется драматически по мере увеличения частоты (рис. 1.4b). Причиной существенного изменения ситуации при измерениях AC сигналов является то, что любой участок провода обладает распределённой индуктивностью (С). Эта величина воздействует на сигналы АС через создание значительных препятствий протеканию тока АС по мере увеличения частотной характеристики импульсов.   Распределённая ёмкость реагирует с сигналами АС через снижение импеданса протекающего переменного тока при увеличении частоты сигнала.
 
Взаимодействие этих реактивных элементов (L и C) с резистивными элементами [R] продуцирует общую величину импеданса пробника, которая варьируется вместе с частотной характеристикой сигнала. При надлежащем конструктиве пробника, его элементы R, L, C  могут быть контролируемы для обеспечения требуемых параметров по точности воспроизведения сигнала, затуханию, и нагрузки источника на всех диапазонах установленных частот. Но даже при надлежащем конструктиве пробники ограничены характеристиками своих электрических цепей. Очень важно при выборе пробников быть в курсе этих ограничений и их воздействий на качество осуществляемых измерений.   
 
По материалам компании Gtest  (ООО "Контентус")
 
Ссылка на веб-сайт