Осциллографические пробники (щупы)

Сегодня мы поговорим о такой важной теме в осциллографии, как измерительные пробники. Обсудим назначение этих устройств, разновидности и различия между ними, а также критерии их выбора. Пробник-это устройство, которое обеспечивает электрическое соединение контрольной точки со входом осциллографа. Он необходим практически повсеместно при осциллографических измерениях, так как в подавляющем числе случаев соединение между контрольной точкой и входом осциллографа невозможно обеспечить с помощью иных соединительных устройств, таких, например, как специализированная кабельная сборка. Таким образом, пробник является неотъемлемой частью измерительного тракта осциллографа и его характеристики также критически важны для достоверности измерений, как и любые другие части тракта измерений. По этой причине к выбору пробников и вопросу их корректного использования необходимо подходить также тщательно, как и к выбору основного измерительного устройства-осциллографа. Для подтверждения этого важного утверждения проведём наглядный эксперимент. Для его проведения мы будем использовать один из осциллографов R&S RTM3000. Этот осциллограф оснащён встроенным генератором специальных форм, который мы будем использовать при демонстрации. Кроме того, этот осциллограф обладает высокой вертикальной чувствительностью. В данном случае-это очень важно, так как будут фиксироваться сигналы в диапазоне нескольких мВ. Стандартный пробник для этой модели осциллографа имеет в комплектации специальную насадку для BNC подключения, что так же облегчит проведение эксперимента. Демонстрация 1. Через специальный разветвитель подключим к выходу встроенного генератора канал 1 и канал 2 осциллографа. Канал 1 подключён ко входу осциллографа с помощью специализированной кабельной сборки. А канал 2 с помощью стандартного измерительного пробника напряжения. Подадим с генератора синусоидальный сигнал минимально возможной амплитуды 10 мВ. Установим одинаковую цену деления по вертикальной шкале для обоих каналов.

Как вы видите формы сигналов на первом и втором канале осциллографа совпадают, но они не идентичны. Для наглядности активируем режим огибающей при захвате данных. Напомним, что на входы измерительных трактов канала 1 и канала 2 подавался один и тот же сигнал, но из-за различия в измерительных трактах при отображении мы получили различные результаты. Самый сильный эффект, который виден невооружённым глазом-это то, что сигнал по каналу 2 там, где используется пробник, более зашумлён. Этот результат ожидаем, ведь в данном случае мы использовали пробник с делителем 10:1 и его чувствительность заведомо ниже, чем при прямом подключении. Несмотря на это, пробники с делением 10:1 являются одними из самых распространённых, так как расширяют диапазон входных каналов осциллографа по амплитуде в 10 раз. Мы только что наглядно Вам продемонстрировали, что любой реальный измерительный пробник будет вносить в передаваемый сигнал искажения. Именно достоверность передачи сигнала из контрольной точки на вход осциллографа и является тем параметром, который определяет качество пробника и возможности его работы. Исследователь в своей работе всегда старается использовать тот пробник, который будет вносить минимальные искажения и наиболее достоверно передаст сигнал на вход. Именно по этой причине практически все производители в комплекте с осциллографов поставляют измерительные пробники. Так пробники компании R&S разрабатываются как неотъемлемая часть измерительного тракта осциллографов и благодаря этому имеют высокую степень согласования с прибором, что обеспечивает низкий уровень вносимых ими искажений.

Номенклатура производимых пробников обширна. Типы пробников выделяют по типу измеряемого ими сигнала (пробники напряжения, дифференциальные, несимметричные, токовые), кроме этого разделяют пассивные и активные пробники. Условно, можно выделить три основные характеристики пробника, которые будут определять возможности по достоверной передаче сигнала: 1) Достоверность передачи сигнала из контрольной точки до входа осциллографа 2) Влияние, которое сам пробник оказывает на измеряемую цепь 3) Надёжность подключение к контрольной точке Параметры эти универсальны и применимы к пробникам любого типа. Но мы сегодня остановимся на пассивных пробниках напряжения и подробно рассмотрим только их характеристики и критерии их выбора. Пассивными эти пробники названы из-за отсутствия в них активных требующих питания компонентов (таких как транзисторы).

Как вы поняли из названия их предназначение-это измерение сигналов напряжения. Для надёжного доступа к контрольной точке такие пробники имеют подпружиненный игольчатый наконечник и как правило комплектуются насадкой с подпружиненным крючком, но могут комплектоваться и дополнительным комплектом насадок. Как мы уже сказали ранее такие пробники могут содержать в себе делитель напряжения. Самые распространённые коэффициенты деления 10:1 и 100:1. Однако, хотел бы напомнить, что пробники, не имеющие делителя (1:1), при прочих равных будут обладать заведомо большей чувствительностью. Это связано с тем обстоятельством, что для деления напряжения повышают сопротивление пробника и ток протекающий по его контуру становится ниже. Поэтому для работы с сигналами напряжением до 1 В целесообразно использовать пробники без делителя или пробники с переключаемых делителем. Основными параметрами работы пробников являются амплитуда передаваемых ими сигналов и полоса пропускания. Как правило большинство пассивных пробников предназначены для работы в полосе частот до 500 МГц. А их динамический диапазон простирается в плоть до нескольких кВ в зависимости от делителя. Очень важно использовать пробник исключительно в пределах его рабочих характеристик. И это важно утверждение мы бы хотели подтвердить результатами эксперимента. Для его проведения, будет использован всё тот же осциллограф R&S RTM3000, но в этот раз к выходу генератора по каналу 2 будет подключён пассивный пробник напряжения с переключаемых коэффициентом деления. На пробнике есть переключатель, с помощью которого вы можете выбрать один из двух коэффициентов деления 1:1 и 10:1. Надо понимать, что такой пробник -это фактически два пробника в одном корпусе и эти два пробника будут иметь различные характеристики. Переключаясь между коэффициентами, вы фактически полностью меняете измерительный тракт между контрольной точкой и входом осциллографа. Чтобы понимать на сколько могут отличаться характеристики пробника при включении разных делителей мы и проведём демонстрацию. Демонстрация 2: Итак, сейчас пробник имеет деление 10:1. С этим делителем пробник способен работать с сигналами в полосе частот 300 Мгц и амплитудой до 600 В. Как и в первом нашем эксперименте подадим на вход каналов 1 и 2 синусоидальный сигнал малой амплитуды 10 мВ и частотой 15 МГц. Как и в первом случае по каналу 1 соединение организовано с помощью кабельной сборки. А по каналу 2 с помощью пробника. Как видите амплитуды сигналов по каналу 1 и каналу 2 совпадают, это наглядно видно при наложении сигналов.

Теперь переключим пробник в режим деления 1:1, то есть без делителя и подадим то же сигнал с генератора на него. Установим одинаковую цену деления по вертикальной шкале для обоих каналов. Как вы видите амплитуда сигнала по каналу 2 значительно ниже чем амплитуда по каналу 1, что явно свидетельствует о низкой достоверности передачи по одному из каналов, ведь на них подаётся один и тот же сигнал.

Такой результат полностью обусловлен изменившимися характеристика пробника. С делителем 1:1 данный пробник способен корректно работать с сигналами в полосе частот до 10 МГц и амплитудой до 55 В. При проведении измерения мы превысили одну из основных его рабочих характеристик, а именно полосу частот, подав на вход сигнал частотой 15 МГц и это тут же негативно сказалась на достоверности измерений. Для подтверждения этих выводов, снизим частоту подаваемого на входы осциллографа сигнала до 5 МГц. Теперь амплитуда по каналу два отображается корректно.