Porozumět a naučit se správně používat měřicí sondy patří k naprostým základům práce s osciloskopem, ale nejen s ním. Každé nejisté zaváhání se přitom může více či méně skrytě vymstít. Zejména vysoké kmitočty pak dokážou vykouzlit nejedno překvapení, nad kterým zůstává stát i zdravý rozum. Také v tom je práce vývojáře a posléze i servisního technika pestrá, krásná a zajímavá. Proč ji ale znehodnocovat nesprávnými postupy, které místo vytouženého cíle pouze zadělávají na další vrásku?
Chceme-li přesně měřit a nezatěžovat přitom užitečný signál nejrůznějšími chybami, potřebujeme k danému osciloskopu vybrat vhodnou sondu přímo na míru naší aplikaci, byť by svůj díl práce již výrobce s přehledem udělal za nás. I ten nejpřesnější a mnohdy také nejdražší přístroj či měřicí metoda mohou ztroskotat na nejslabším článku, který vnese nejvíce nepříjemností jen a jen proto, že bude nesprávně používán. Pojďme se tedy podívat na osm základních postřehů a doporučení, jak správně nakládat se vstupní a zároveň také první částí celého řetězce – osciloskopickou sondou.
1) Pasivní nebo aktivní sonda?
Pro obecná měření v nízkém až středním kmitočtovém pásmu, přibližně do 600 MHz, představují pasivní osciloskopické sondy s vysokoimpedančním odporovým děličem rozumnou volbu. Vedle svého robustního provedení nabízejí tyto poměrně levné nástroje široký dynamický rozsah při měření amplitud v řádu až stovek voltů, včetně vysokého vstupního odporu, který vhodně odpovídá impedančním poměrům samotného měřicího přístroje. Ve srovnání s nízkoimpedančními (z0) pasivními nebo rovnou aktivními sondami však užitečnému signálu přitěžují větší kapacitní zátěží a následně jej limitují nižší použitelnou šířkou pásma. Přes veškeré výhrady se ale vysokoimpedanční pasivní sondy stále prokazují být skvělou volbou pro běžná měření během vývoje nebo hledání chyb a to ve většině analogových i digitálních obvodů.
Pro „vysokofrekvenčnější“ aplikace, spadající do kmitočtového pásma přibližně od 600 MHz výše, začínají pasivní sondy těžce nedostačovat a proto rády uvolňují místo svým aktivnějším protějškům. Aktivními sondami již sice nemůžeme „za málo peněz“ měřit v tak velkém rozsahu vstupujících amplitud, nicméně pro svou výrazně nižší kapacitní zátěž umožňují poměrně přesné nahlížení do nejrůznějších zákoutí nepoměrně rychleji se měnících signálů.
Srovnání pasivní a aktivní osciloskopické sondy při měření signálu s délkou náběžné hrany 1 ns. Vlevo je signál zatížen pasivní sondou Agilent 1165A se šířkou pásma do 600 MHz a zemí připojenou pomocí krokodýlku (alligator, pozn. překl.). Signál je zatížen a doba náběhu se zvýšila na 1.9 ns. Výstup sondy je navíc postižen rezonancí a vykazuje délku hrany 1.85 ns. Vpravo měříme aktivní sondou Agilent 1156A s kmitočtovým rozsahem 1.5 GHz a 5 cm dlouhými signálovými vodiči. Průběh není sondou prakticky ovlivňován a stále vykazuje délku hrany 1 ns. Po průchodu sondou měřený signál odpovídá svému vstupu a to včetně doby náběhu.
Na obrázku vidíme sejmuté průběhy z 1 GHz osciloskopu Agilent DSO8104A, který měří signál mající náběžnou hranu v délce trvání jedné nanosekundy. V levé části byla použita pasivní sonda Agilent 1165A pro kmitočtové pásmo do 600 MHz. V pravé opozici pak stojí aktivní sonda typu single – ended s označením Agilent 1156A a rozsahem 1.5 GHz, která bude měřit naprosto stejný signál.
Průběh modré barvy vystihuje nezatížený vstupní signál, který se v obou případech jeví být zcela totožným. Žlutobarevný náhled poté zachycuje způsob, jakým obě sondy zatěžují užitečný signál, připojený na jejich vstupy. Konečně zelená barva vypovídá o skutečně měřeném průběhu na samotném vstupu měřicího přístroje po jeho průchodu a následném „znetvoření“ osciloskopickou sondou.
Ze žlutě zbarveného časového průběhu vyplývá, že vstupní indukčnosti spolu s kapacitami, krutě vládnoucími v pasivní sondě, užitečnému signálu rozhodně přitíží. Nemůžeme-li se tohoto jevu rozumnou měrou zbavit, musíme s ním minimálně počítat. Namísto očekávané doby náběhu v délce 1 ns obdržíme pouhým připojením sondy čas odpovídající 1.9 ns. Tento neduh však není možné svalit pouze na vstupní impedanci sondy, protože svou roli při měření našeho užitečného signálu o frekvenci 350 MHz zde následně sehrává také omezená šířka kmitočtového pásma 600 MHz, jako přímý důsledek neblahých impedančních poměrů každé pasivní sondy. Induktivní a kapacitní složky navíc „vylepší“ měřený průběh po průchodu pasivní sondou o různé překmity a zvlnění, které bude provázet ještě o něco rychlejší nástupná hrana v délce 1.85 ns, viz zelený časový průběh. Někteří vývojáři nad tímto problémem velkoryse mávnou rukou, pro jiné však bude zcela pochopitelně představovat chybu měření, kterou jednoduše nemohou přejít úsměvem.
Připojíme-li však aktivní sondu typu Agilent 1156A s kmitočtovým rozsahem 1.5 GHz, zůstává krása měřeného signálu prakticky nedotčena. Průběh se výrazně přibližuje původním společným rysům, včetně délky trvání své vzestupné hrany. Zmíněná zjištění budou samozřejmě platit také pro samotný průchod signálu měřicí sondou.
Klíčové rozdíly mezi použitím pasivní nebo aktivní sondy můžeme vyjádřit takto:
- Vysokoimpedanční pasivní sonda:
- Požadavek na napájení: Ne
- Zátěž: Vysoká kapacitní s malým odporovým zatížením
- Šířka pásma: Do 600 MHz
- Použití: Obecná měření v pásmu nízkých až středních kmitočtů
- Odolnost: Velmi odolná
- Maximální vstupní napětí: ~ 300 V
- Provedení: Malá a lehká
- Aktivní sonda:
- Požadavek na napájení: Ano
- Zátěž: Nejlepší celková kombinace odporové a kapacitní zátěže
- Šířka pásma: Do 13 GHz
- Použití: Vysokofrekvenční aplikace
- Odolnost: Méně odolná
- Maximální vstupní napětí: ~ 40 V
- Provedení: Těžší
2) Kontrola zatěžování dvěma sondami
Jak vyhodnotit zátěž? K měřenému bodu připojme špičku sondy. Poté stejným způsobem zapojíme sondu druhou a necháme se překvapit tím, co se stane. Aneb jak praví reklama zviditelňující jistý výjimečně hořký leč výjimečně dobrý nápoj, v ideálním světě lze některé lidi „vypustit“. Skutečně, v modelovém případu nebudeme na osciloskopu pozorovat žádnou změnu signálu. Protože ale v reálu musíme někdy „vypustit“ my sami, pravděpodobně uvidíme poněkud odlišný, někdy také zcela jiný časový průběh, který pouze odráží fyzickou přítomnost druhé sondy.
Kontrola zatěžování pomocí druhé sondy
V ideálním světě se každá osciloskopická sonda, pokud ji vůbec musíme používat, uvede svým nekonečně velkým vstupním odporem, umocněným nulovou vnitřní kapacitou včetně indukčnosti, čímž může naprosto věrohodně rekonstruovat kdejaký měřený signál v zorném poli našeho zájmu. A nejen to. Ve skutečném světě každodenního shonu se však každá sonda včetně svých nejrůznějších parazitních proměnných stává nedělitelnou součástí měření, které z principu věci musí ovlivnit.
V praxi proto můžeme zvolit následující postup kontroly zatěžovacího efektu: Do testovacího bodu či místa s přítomností známého skokového signálu připojíme hrot první sondy, přičemž opačný konec zapojíme do příslušného vstupu osciloskopu. Měřený průběh sejmeme, pokud můžeme tak uložíme a opětovně vyvoláme k nadcházejícímu srovnání. Do stejného místa připojíme jinou sondu stejného druhu a sledujeme, jak se původní průběh změnil v důsledku přidané zátěže. Pokud se divíme opravdu hodně a nové ráno po vydatném spánku výsledek jen potvrzuje, může pomoci přizpůsobení sondy (viz níže) nebo její náhrada za jinou, méně přitěžující. Jednou z možností jak obelstít přírodu je také účinné zkrácení zemního vodiče s „aligátorem“ na svém konci.
Zatížení způsobené dlouhým zemním přívodem
Situace znázorněná na obrázku věrně odráží zemní vodič dlouhý úctyhodných 18 cm. Na časovém průběhu vykresleném níže se naprosto stejná země připojuje pomocí výrazně kratšího přívodu. Parazitní zvlnění bylo účinně potlačeno.
Vliv krátkého zemního vodiče na zkreslení užitečného signálu
3) Kompenzace sondy před použitím
Většina sond se obvykle navrhuje způsobem, který bude odpovídat vstupům konkrétních modelů osciloskopů. Parametry se přitom mohou u jednotlivých přístrojů určitým způsobem odlišovat a to dokonce i při srovnání různých vstupních kanálů jediného osciloskopu. Nezbývá tedy než při prvním zapojení sondy, případně i s určitým výhledovým intervalem do budoucna, pečlivě zkontrolovat její kompenzaci, která mohla být docela dobře provedena pro jiný vstup nebo dokonce se zcela jiným přístrojem. Pro tento účel výrobci vybavili většinu pasivních sond zabudovaným RC děličem s možností dorovnávání, které zaručí udržení dělicího poměru sondy v celém předepsaném kmitočtovém rozsahu.
Pokud náš osciloskop umožňuje automatickou kompenzaci, máme celou situaci o něco jednodušší. V opačném případě musíme proměnlivou vstupní kapacitu sondy nastavit ručně.
Použití malého šroubováku k nastavení proměnné vstupní kapacity sondy
Většina přístrojů na tuto důležitou činnost pamatovala vyvedením referenčního obdélníkového signálu přímo na čelní panel. Příslušný měřicí vstup tak můžeme pomocí sondy rovnou napájet z těchto kompenzačních svorek. Smyslem celého nastavení je náležité dorovnání zobrazovaného průběhu tak, aby se co nejvíce podobal svému referenčnímu pravoúhlému zdroji. Pro kompenzační účely výborně poslouží malý šroubovák.
Kompenzace jde ruku v ruce s pravými úhly obdélníkového průběhu
Jak ukazuje obrázek, naměřený nízkofrekvenční průběh může být buď nedokompenzovaný nebo také překompenzovaný, přičemž obojí je rozhodně špatně. Pouze maximálně plochá odezva zajistí náležitou přesnost měření, kterou oceníme zejména na vyšších kmitočtech. Je proto nanejvýš důležité pečlivě a možná také pravidelně kontrolovat způsob, jakým byly všechny používané sondy vykompenzovány!
Závěr:
V úvodním dílu byly předloženy první tři z celkového počtu osmi postřehů ke správnému využití osciloskopických sond:
- vhodný výběr mezi pasivním a aktivním přístupem
- kontrola způsobu zatěžování pomocí druhé sondy
- vlastní kompenzace
Pro mnohé se zajisté jedná o zcela zažité postupy, zatímco další si na ně budou teprve zvykat. Přesné a nezpochybnitelné výsledky včetně spousty ušetřeného času, jinak stráveného „plakáním na nesprávném hrobě“, však stojí za tu malou námahu.
Použitá literatura:
Download a odkazy:
- Osciloskopy a jejich příslušenství v HW shopu
- Osciloskopy a jejich použití
- Základní parametry digitálních osciloskopů a jejich význam (HW.cz)
- Nový SW pro osciloskop USBscope50 – praktické zkušenosti (HW.cz)
