Miernictwo_13 Oscyloskopy.pdf

Miernictwo

Oscyloskop – najważniejszy

przyrząd pomiarowy

w pracowni elektronika

CZĘŚĆ 8

Pomiary

W poprzednich odcinkach cyklu omówiono głów−

ne grupy oscyloskopów i ich możliwości pomiaro−

we. Parametry oscyloskopu, w szczególności szero−

kie pasmo przenoszenia to jednak nie wszystko.

Udowodni to niniejszy odcinek, poświęcony bar−

dzo ważnym zagadnieniom praktycznym.

Każdy elektronik dokonujący pomiarów jakim−

kolwiek przyrządem powinien sobie zadać dwa

podstawowe pytania:

1.Czy dołączenie przyrządu pomiarowego nie

wpływa na pracę i parametry badanego układu?

2.Czy przyrząd dokładnie pokazuje mierzone wiel−

kości, czy może „po drodze” do sygnału badane−

go przenikają zakłócenia, fałszujące wynik.

Pytania te są jak najbardziej na miejscu w przy−

padku pomiarów dokonywanych przy użyciu oscy−

loskopu.

Omówimy to bliżej.

Wraz z pojemnością wejściową oscyloskopu da−

je to, powiedzmy, 140pF.

Dołączając kabel oscyloskopu do jakiegoś punk−

tu, dołączamy więc między ten punkt a masę po−

jemność 140pF.

Czy to może coś zmienić w układzie?

Obliczmy, jaką oporność (reaktancję) będzie

mieć taka pojemność przy częstotliwości powiedz−

my 15MHz:

2 π

podstawiamy:

2 314 15 140

MHz pF

758

Tylko 75 omów ?!

I jak to się ma do rezystancji wejściowej 1M

podanej w danych katalogowych?

Wyobraźmy sobie jeszcze, co się stanie, gdy os−

cyloskopem z takim kablem spróbujemy zmierzyć

przebiegi w obwodzie rezonansowym generatora

LC o częstotliwości, powiedzmy, 15MHz. Tam po−

jemności w układzie są rzędu kilkudziesięciu piko−

faradów. Najprawdopodobniej po dołączeniu oscy−

loskopu generator przestanie pracować. Natknie−

my się na paradoksalną sytuację – oscyloskop po−

każe, że generator nie pracuje, jednak po odłącze−

niu oscyloskopu układ, którego częścią jest ten ge−

nerator, może dawać „oznaki życia”.

Nieświadomy elektronik dołączy oscyloskop na

stałe i będzie próbował ustalić, który element jest

przyczyną milczenia generatora. Wymieni wszyst−

kie elementy i zniechęci się zupełnie. Nabierze

przekonania, że to schemat jest zły, a winę za nie−

powodzenie ponosi konstruktor układu, czy autor

książki, z której pochodzi schemat.

Być może generator jednak zadziała. Wtedy jed−

nak pojemność oscyloskopu i kabla niewątpliwie

zmieni częstotliwość drgań (w stopniu zależnym

od tego, w którym punkcie układu został dołączony

oscyloskop). Próba nastrojenia takiego generatora

przy użyciu oscyloskopu nie da więc zadowalające−

go rezultatu.

To jest bardzo jaskrawy iskrajny przykład. Ma on

pokazać, że bezkrytyczne podejście do pomiarów

może dać błędne wyniki, a nawet zniechęcić do

uprawiania elektroniki.

Elektronik rozumiejący problem znajdzie spo−

sób na pomiar takiego generatora – nie będzie mie−

rzył przebiegu na obwodzie rezonansowym, tylko

gdzieś dalej, na kolejnym stopniu wzmocnienia.

W razie potrzeby dołączy prosty wtórnik z tranzys−

Wpływ oscyloskopu

na pracę badanego układu

Początkujący elektronik zwykle bagatelizuje

sprawę wpływu dołączenia oscyloskopu na pracę

badanego układu. Wie przecież, że rezystancja we−

jściowa każdego oscyloskopu wynosi aż 1 me−

gaom. 1 megaom to rzeczywiście bardzo duża re−

zystancja, a więc wpływ jej dołączenia powinien

być znikomy, prawie niezauważalny. Przecież rezys−

tancje, z jakimi zwykle mamy do czynienia w ukła−

dach są rzędu omów, ewentualnie kiloomów...

To wszystko prawda, ale tylko w odniesieniu do

prądu stałego i małych częstotliwości, nie więk−

szych niż kilkadziesiąt kiloherców.

Przy większych częstotliwościach oscyloskop

ma oporność znacznie mniejszą niż 1M

Fot. 1. Krajowa sonda 1:10

Dlaczego?

Po pierwsze nie wolno zapominać o pojemnoś−

ci wejściowej samego oscyloskopu. Wynosi ona

20...50pF w tanich os−

cyloskopach, i 6...30pF

w dobrych oscylosko−

pach profesjonalnych.

Po drugie trzeba

pamiętać, że do tego

dochodzi jeszcze po−

jemność kabla pomia−

rowego. Przewód ek−

ranowany (lub kon−

centryczny) o długości

1m może mieć pojem−

ność dochodzącą do

100pF.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/97

, Ω

Miernictwo

torem FET, albo znajdzie jeszcze inną metodę prze−

prowadzenia w miarę dokładnego pomiaru.

W każdym razie trzeba mieć świadomość, że

dołączenie przyrządu pomiarowego zawsze coś

zmienia w badanym układzie.

Dobry elektronik powinien zdawać sobie spra−

wę, na ile może to zmienić wyniki pomiaru i zabu−

rzyć pracę układu.

Przykład z generatorem w.cz. może niektórych

wręcz przeraził. Oporność wejściowa równa 75

wet do kilkuset woltów. Buduje się także sondy

o współczynnikach tłumienia 1:100 i 1:1000, które

umożliwiają pomiar przebiegów o amplitudach rzę−

du kilowoltów.

Ale sondy tłumiące sygnał stosuje się przede

wszystkim ze względu na zmniejszenie pojemnoś−

ci obciążającej układ.

Podstawowy schemat sondy pokazany jest na

rrysunku 30. Teoretycznie potrzebne są tylko rezys−

tory dzielnika, jednak wskutek istnienia różnych

szkodliwych pojemności montażowych, do wyrów−

nania charakterystyki częstotliwościowej niezbęd−

ne są niestety kondensatory. Niestety, bo konden−

satory te obniżają oporność wejściową sondy przy

większych częstotliwościach.

zamiast spodziewanej 1000000

to rzeczywiście

spora niespodzianka.

Ale, żeby nie demonizować, policzmy oporność

(reaktancję) naszego oscyloskopu ze wspomnia−

nym kablem, dla częstotliwości 20kHz, czyli dla

górnej częstotliwości pasma akustycznego.

2 314 20 140

kHz pF

5684

To wprawdzie też nie jest zachwycający wynik,

ale oporność 56 kiloomów nie stanowi już takiego

zagrożenia dla układu małej częstotliwości.

Z pewnością możemy mierzyć przy użyciu

zwykłego kabla przebiegi na wyjściach wzmacnia−

cza czy nawet przedwzmacniacza. Ale niewątpli−

wie należy zachować ostrożność przy dołączaniu

oscyloskopu do obwodów małej częstotliwości,

gdzie występują rezystancje o porównywalnej lub

większej wartości.

Z tego widać, że nawet w układach m.cz. należy

uwzględniać obciążenie wnoszone przez oscyloskop.

Czy jest jakieś wyjście imożliwość poprawy sytuacji?

Jest, i to nie jedno!

Przy dotychczasowych obliczeniach przyjęliśmy

skrajnie niekorzystne warunki. Nawet gdy oscylo−

skop ma pojemność wejściową równą 40pF, może−

my zastosować krótki kabel (10...20cm) i wypadko−

wa pojemność nie przekroczy 60pF.

Da to ponad dwukrotne zwiększenie szkodliwej

oporności (impedancji) obciążenia, czyli znaczne

zmniejszenie wpływu dołączenia oscyloskopu.

Rozważaniami dotyczącymi rodzaju stosowane−

go kabla zajmiemy się później.

Ztego, co zostało powiedziane, wynika wniosek,

że wwiększości układów małej częstotliwości moż−

na przeprowadzać pomiary oscyloskopowe przy

użyciu możliwie krótkiego kabla pomiarowego.

Czy jednak można jeszcze bardziej zmniejszyć

wpływ szkodliwego obciążenia wprowadzanego

przez oscyloskop? Przecież barierą jest tu pojem−

ność samego oscyloskopu – nawet z króciutkim

kablem nie uda się jej zmniejszyć poniżej 40pF...

Czy oby na pewno?

Część Czytelników będzie zaskoczona, gdy się

dowie, że istnieją proste sposoby zmniejszenia po−

jemności, poniżej pojemności samego oscyloskopu!

Wystarczy zastosować sondę tłumiącą sygnał.

Fotografie w artykule pokazują różne sondy.

Najpopularniejsze są sondy bierne RC, tłumiące

sygnał 10−krotnie. Często takie sondy stanowią

standardowe wyposażenie oscyloskopu. W opisie

takiej sondy zawsze występuje określenie 1:10.

I znów nieświadomi, początkujący elektronicy są−

dzą, że takie sondy buduje się jedynie po to, by

móc mierzyć większe napięcia. To prawda, że son−

dy 1:10 umożliwiają pomiar wyższych napięć, na−

Rys. 30. Sonda bierna RC 1:10

Nie wchodząc w szczegóły podamy tylko jeden

prosty wzór. Jeśli

i jakąś pojemność – stają się one częścią

dzielnika napięcia. Typowy schemat sondy 1:10

współpracującej z oscyloskopem pokazany jest na

rrysunku 31a i 31b. Jak widać, sonda zawiera w za−

sadzie tylko rezystor i trymer (kondensator zmien−

ny), a pojemność C1 jest zwykle pojemnością

montażową rezystora i obudowy.

Trymer jest potrzebny, by prawidłowo skompen−

sować sondę dołączoną do różnych oscyloskopów,

różniących się wartością pojemności wejściowej.

Przy bliższym przeanalizo−

waniu rysunku 31 okazuje

się, że aby sonda była prawid−

łowo skompensowana dla

różnych pozycji przełącznika

czułości toru Y w oscylosko−

pie, pojemność wejściowa

oscyloskopu musi być jedna−

kowa we wszystkich położe−

niach przełącznika czułoś−

ci. Wszystkie fabryczne oscy−

loskopy spełniają ten ważny

warunek.

Fot. 2. Przełączana sonda 1:1/1:10

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/97

R1C1 = R2C2

to dzielnik jest skompensowany częstotliwoś−

ciowo, czyli jednakowo tłumi sygnały w szerokim

pasmie częstotliwości.

Ponieważ rezystancja R1 jest dziewięciokrotnie

większa niż R2, więc pojemność C1 będzie dzie−

więciokrotnie mniejsza niż C2! To oznacza, że

w idealnym przypadku za pomocą sondy 1:10 mog−

libyśmy zmniejszyć pojemność wejściową dziesię−

ciokrotnie, a z pomocą sondy 1:100 – aż stukrotnie!

Wpraktyce nie udaje się co prawda zmniejszyć po−

jemności aż tyle razy, jednak efekt jest godny uwagi.

Budowa typowej biernej sondy oscyloskopowej jest

nieco odmienna od postaci, pokazanej na rysunku 30.

Rzecz w tym, że sam oscyloskop ma rezystan−

cję 1M

Miernictwo

Rys. 32. Schemat ideowy sondy biernej 1:100

Rys. 31. Praktyczny układ sondy 1:10

Dość popularne ostatnio są sondy z przełączni−

kiem o tłumieniu 1:1 i 1:10. Jest to pożyteczne roz−

wiązanie, ale zgodnie z podanymi właśnie informa−

cjami, w miarę możliwości należy stale pracować

przy tłumieniu 1:10, bo sonda ma wtedy rezystancję

(dla prądu stałego) równą 10M

Jeśli jednak ktoś próbuje samodzielnie zbudo−

wać oscyloskop, bardzo rzadko zwraca uwagę na

ten „drobiazg” i potem oscyloskop na każdym za−

kresie ma inną pojemność wejściową i nie nadaje

się do współpracy z sondą 1:10.

Ta sprawa jest jeszcze jednym argumentem,

przeciwko budowaniu byle jakich oscyloskopów

we własnym zakresie.

), apojemność wejścio−

wa sondy wzrasta wtedy do 130...160pF! A więc

sondę w pozycji 1:1 należy stosować tylko w razie

konieczności badania małych sygnałów, o amplitu−

dach rzędu pojedynczych miliwoltów, w punktach

układu, gdzie oporność wewnętrzna jest niewielka.

Budowa dobrej sondy 1:10 lub 1:100, przeno−

szącej równomiernie sygnały o częstotliwościach

do setek megaherców wcale nie jest łatwa. Dlate−

go w opisie takich sond zwykle znajduje się infor−

macja, przy jakich największych częstotliwościach

może pracować dana sonda bez obawy wprowa−

dzenia znacznego błędu. Na rrysunku 32 można

znaleźć schemat wewnętrzny sondy 1:100

pokazanej na fotografii na tej stronie. Oczywiście

nie można skopiować takiej sondy w warunkach

domowych, stosując jakiekolwiek elementy – nie

tylko podzespoły muszą mieć ściśle określone pa−

rametry, ale i szczegóły konstrukcji mechanicznej

mają tu duże znaczenie. W każdym razie sonda

PM8932 o schemacie z rysunku 32 może praco−

wać przy napięciach do 5,6kV, a jej pasmo przeno−

szenia sięga kilkuset MHz.

Choć dla wielu amatorów sprawa pomiarów

przebiegów o częstotliwościach setek megaher−

ców jest nieaktualna, znaczna część Czytelników

EdW ma w zakładach pracy i na uczelniach dostęp

do oscyloskopów o tak szerokim pasmie przeno−

szenia. Niewątpliwie oscyloskop o pasmie sięgają−

cym setek megaherców na większości elektroni−

ków robi spore wrażenie, ale mając na uwadze po−

wyższe rozważania, trzeba pamiętać, że stosowa−

nie do takiego oscyloskopu zwykłego kabla lub

sondy 1:1 nie pozwoli uzyskać wyników lepszych,

a może nawet gorsze, niż przy zastosowaniu oscy−

loskopu z pasmem 20MHz i właściwą sondą.

Każda sonda biierrna 1::10,, 1::100 ii 1::1000 musii

być prrzed pomiiarrem skalliibrrowana częsttottllii−

wościiowo..

Korrzysttajjąc ze źrródłła sygnałłu prrosttokąttnego

((1kHz)) nalleży pokrręcajjąc wbudowanym w son−

dę pokrręttłłem,, usttawiić na oscylloskopiie obrraz

jjak najjbarrdziiejj zblliiżony do prrosttokąttnego (zo−

bacz „Oscylloskop....” w EdW 3//97 sttrr.. 34))..

Fot. 3. Sonda 1:100

Ściśle biorąc, przy zakupie drogich sond dob−

rych firm należy zwrócić uwagę, dla jakich pojem−

ności wejściowych oscyloskopu sonda może być

skompensowana. Przykładowo sondy Hewlett

Packard 1:10 mogą pracować z oscyloskopami

o pojemności (tylko) 6...22pF, bo przeznaczone są

do oscyloskopów tejże firmy, mających tak małą

pojemność wejściową. Oczywiście przy małej po−

jemności oscyloskopu uzyskuje się także małą po−

jemność wejściową sondy, wynoszącą kilka piko−

faradów.

Typowe sondy 1:10, jakie można powszechnie

kupić na rynku, nadają się do oscyloskopów o więk−

szych pojemnościach (do 40...50pF), jednak uzyska−

na wartość pojemności wejściowej sondy wynosi

nie kilka, ale od kilkunastu do 20 pikofaradów.

Stosując typową

sondę 1:10 można więc

zmniejszyć pojemność

obciążającą badany

układ 2...3−krotnie.

Natomiast zastoso−

wanie sondy 1:100 dob−

rej firmy pozwoli zmniej−

szyć szkodliwą pojem−

ność obciążającą układ

badany do 2...3pF, czyli

nawet ponad dziesięcio−

krotnie.

Podsumowanie

Przedstawiony materiał ma przekonać każdego

użytkownika oscyloskopu, jak ważna jest, bardzo

często lekceważona sprawa „kabelków”. Niewłaś−

ciwy „kabelek” może nie tylko zaburzyć lub unie−

możliwić pracę badanego układu, ale też uniemoż−

liwić wykorzystanie w pełni pasma przenoszenia

używanego oscyloskopu.

W następnym odcinku zostaną przedstawione

dalsze informacje na ten temat.

((rred))

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/97

i pojemność nie

większą niż 20pF. Natomiast w pozycji 1:1 zwierany

jest po prostu rezystor (9M

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: