Sondy, sondy, sondy,…

Osciloskop nie je najlepším voltmetrom. Prevodník má väčšinou iba 8-bitové rozlíšenie, čo samo o sebe predstavuje chybu väčšiu než 0,8 %. Počet efektívnych bitov v súčasnosti pri osciloskopických A/D prevodníkoch nepresahuje hodnotu 7, teda 1/128. Celková presnosť vo vertikálnej osi je potom udávaná v jednotkách percent. Navyše je potrebné počítať s udávanou šírkou pásma. Definícia predpokladá pokles maximálne o 3 dB, čo však v napäťovej oblasti predstavuje takmer 30 % chybu pri meraní amplitúdy. Vertikálny systém má nasledujúcu frekvenčnú charakteristiku:

Obr. 1  Závislosť potlačenia amplitúdy 100 MHz osciloskopu (idealizovaný systém)

kde je    AU    zobrazovaná amplitúda
        A     amplitúda signálu
        fBW   šírka pásma

Z tohto vzťahu vyplýva, že chyba v jednotkách percent je do výsledku zanesená už pri pätine frekvenčného rozsahu osciloskopu. Ďalšiu chybu možno do napäťového merania vniesť zapojením AC väzby pre nízke frekvencie.

V horizontálnej (časovej) osi poskytuje osciloskop omnoho presnejšie informácie než v napäťovej. Meranie periódy, frekvencie, nábežnej či spádovej hrany digitálne osciloskopy bez problémov zvládnu. Ďalej je možné merať fázový posun medzi kanálmi alebo používať kurzorové merania. Všadeprítomný parameter šírky pásma zohráva úlohu aj tu, najmä pri meraní hrán. Keďže vstupy osciloskopu majú vďaka svojej impedancii vlastnú časovú konštantu, je do výsledku merania zahrnutá aj vlastná doba nábehu osciloskopu.
 
Výsledná doba nábežnej (alebo spádovej) hrany je vyjadrená vzťahom:

kde ts je skutočná doba nábehu
     fBW   šírka pásma

Výsledné skreslenie výsledku je možné považovať za maximálnu možnú chybu, pretože šírka pásma je väčšinou udávaná s rezervou, ktorá chybu znižuje. Percentuálne je veľkosť chyby podobná ako pri napäťových meraniach. V prípade, že je v meracej aparatúre zahrnutá sonda, je potrebné do predchádzajúceho vzťahu zahrnúť člen
.
Týmto sme uviedli, aké veľké chyby vnáša do merania samotný vstupný obvod. V okamihu, keď osciloskop pripojíme k obvodu káblom alebo sondou, vnášame do meracieho reťazca ďalšie skreslenie.
 

Ak nepracujeme s prispôsobeným vedením, kde sú zdroj, osciloskop aj káble prispôsobené na 50 alebo 75 Ω, prípadne na inú hodnotu podľa aplikácie, ale na pripojenie použijeme napríklad bežný kábel s banánikmi/BNC, potom môže byť chyba spôsobená týmto pripojením dokonca fatálna.

Vysvetlenie prvej zložky chyby je pomerne jednoduché. Ak zaťažíme napríklad jednosmerný zdroj 10 V s výstupným odporom 200 Ω káblom a vstupnou impedanciou osciloskopu približne 120 pF, 100 kΩ, osciloskop v dôsledku úbytku napätia na vnútornom odpore zdroja zobrazí hodnotu 9,98 V. Druhá zložka chyby sa prejaví pri vyšších kmitočtoch obmedzením šírky pásma sústavy.

Bo = 1 / 2πRC, t. j. približne 6,6 MHz!

To sa samozrejme prejaví tak v napäťovej, ako aj v časovej osi pri meraní signálov s kmitočtom od 1 MHz, ako je uvedené vyššie. Preto sa na meranie používajú osciloskopické sondy.

Pasívne sondy sú najčastejšie používané sondy a veľmi často bývajú aj súčasťou štandardného vybavenia nového osciloskopu. Pasívne sondy by mali mať aspoň 10× väčší vstupný odpor, než je výstupný odpor meraného obvodu. Preto sa pre klasické osciloskopy s vysokoimpedančnými vstupmi používajú sondy 10:1 – 10 MΩ, 10 pF. Takéto sondy sú väčšinou použiteľné pre kmitočtové pásma do 500 MHz, príkladom je sonda Tektronix TPP1000, 10:1, 1 GHz, so vstupnou kapacitou iba 4 pF, 10 MΩ.

Sondy 1:1 musia mať menší vstupný odpor a vyššiu kapacitu, a preto sú vhodné pre kmitočty do 20 MHz. Sondy 1:1 sa používajú len výnimočne, a to iba vtedy, ak už citlivosť vertikálnych obvodov osciloskopu pri meraní sondou 10:1 nestačí.

Ďalej sa vyrábajú sondy 100:1 do približne 5 kV alebo 1000:1 až do 20 kV efektívnej hodnoty napätia, prípadne do 60 kV krátkodobej hodnoty. Pri vysokonapäťových sondách prichádzajú na rad konštrukcie a materiály zodpovedajúce veľkosti meraného napätia. Okrem toho musí byť takáto sonda dimenzovaná aj na vyžarovanie tepla, ktoré vzniká na vstupnom odpore sondy (približne 4 W).

Pre vysokofrekvenčné aplikácie na 50-ohmových obvodoch sa používajú pasívne sondy s malým vstupným odporom (stovky až tisíce ohmov) a vstupnou kapacitou 1 pF. Takéto sondy je možné použiť až do približne 10 GHz. Nie sú vhodné pre nízke kmitočty a pracujú len pre napätia rádovo desiatok voltov. Sú však použiteľné pre spektrálne analyzátory. Vzhľadom na veľmi malý vstupný odpor je potrebné so sondami zaobchádzať veľmi opatrne a používať ich len tam, kde sondou príliš nezaťažíme meraný objekt.

Obr. 2 Vysokonapäťová sonda Tektronix P6015A, 75 MHz, 40 kV pulz, 20 kV RMS

Obr. 3 Sonda s malým vstupným odporom 3 GHz, 50 V

Keďže vstupné obvody osciloskopu sú vyrábané v určitých impedančných intervaloch, je vhodné používať sondy dodávané ku konkrétnemu prístroju. Ideálny stav nastáva vtedy, keď súčin odporu a kapacity sondy (vrátane kábla) je rovný súčinu odporu a kapacity vstupu osciloskopu: .
Preto majú sondy možnosť kompenzácie. Základné nastavenie je možné vykonať pomocou kalibračného výstupu osciloskopu alebo iného zdroja kvalitného obdĺžnikového signálu. Ak nie je zobrazená nábežná hrana zakončená pravým uhlom, je potrebné sondu doladiť kapacitným trimrom. Tým je sonda nastavená pre daný vstup. Ak sondu prepojíte na iný kanál prístroja, musí sa kompenzácia zopakovať, pretože impedancie vstupov sú rozdielne.

Obr. 4 Ukážka možných variantov pri nastavení sondy

Každá sonda by mala byť navyše imúnna voči vonkajšiemu rušeniu. Jednoduchý test možno vykonať pripojením hrotu aj zemniaceho vodiča na zem obvodu – zobrazená by mala byť rovná čiara. Ak je signál rušený, znamená to, že je potrebné použiť inú polohu sondy alebo iný spôsob pripojenia k obvodu. Vo všeobecnosti platí, že čím dlhšia je nekoaxiálna časť, tým menšia je imunita sondy voči rušeniu. Nekoaxiálna časť sa totiž správa ako indukčnosť, ktorá funguje ako anténa a navyše ovplyvňuje impulznú odozvu celej sústavy – obr. 5.

Na pripojenie je potom možné použiť špeciálne konektory, pozri obr. 3 a obr. 6.

Sondy sa veľmi často dodávajú s radom káblikov a klipsní na pripojenie; aj tomu je potrebné venovať pozornosť, pretože sa môže ľahko stať, že nám „chýba ruka“.

Obr. 5 Ukážka vplyvu pripojenia sondy na zobrazenie hrany pulzu

Obr. 6 Možné pripojenie sondy pomocou adaptéra

Ak potrebujeme merať rozdielové napätie v dvoch rôznych bodoch, je možné použiť dve sondy, ktorých zemniace vodiče spojíme, a na osciloskope vykonáme matematickú operáciu rozdielu kanálov. Podobne je možné zostaviť aj čisto pasívny pár, avšak keďže tento postup má svoje obmedzenia, používajú sa aktívne diferenciálne sondy, ktoré obsahujú rozdielový zosilňovač.

Preto diferenciálna sonda – rovnako ako aktívne alebo prúdové sondy (o ktorých sa ešte dozvieme) – vyžaduje napájanie z externého zdroja. Moderné osciloskopy už majú vstupný konektor riešený tak, že okolo samotného vstupu sa nachádza pole napájacích a identifikačných kontaktov. Sondy sú potom napájané priamo z osciloskopu.

Pri diferenciálnych sondách sa ako parameter uvádza aj CMRR (Common-Mode Rejection Ratio, činiteľ potlačenia súhlasného rušenia). Sondy sa vyrábajú buď na vysokofrekvenčné použitie až do desiatok GHz pri napätiach zodpovedajúcich bežným logickým úrovniam, alebo na plávajúce merania až do rádovo stoviek voltov (a stoviek MHz). Všeobecne platí, že čím väčšie pásmo má sonda, tým menšie napätie je s ňou možné merať.

Keďže osciloskop je vo väčšine prípadov uzemnený a plávajúce merania sú veľmi častou úlohou, diferenciálne sondy sú pre on-board aplikácie nevyhnutnosťou. Na strane nízkych frekvencií ide napríklad o merania na spínaných zdrojoch, na strane vysokých kmitočtov dominujú sériové dátové rozhrania ako USB 3.0, HDMI, PCIe, GBE a pod.

Špecialitou sú tzv. Tri-Mode sondy značky Tektronix. Tieto sondy umožňujú merať jednou sondou, bez zmeny pripojenia, rozdielové napätie, napätie medzi signálom a zemou aj súhlasné napätie voči zemi.

Sondy určené na rýchle signály sú veľmi citlivé na statický náboj a elektromagnetické väzby; pri neopatrnej manipulácii sa ich vstupné obvody môžu veľmi ľahko poškodiť.

Ak je meraný obvod príliš zaťažený pasívnou sondou s malým odporom, prípadne je kmitočtový rozsah pasívnych sond s veľkým odporom nedostatočný, je možné použiť aktívnu sondu. Aktívne sondy sú konštruované s FET tranzistormi, s deliacim pomerom väčšinou 5:1 alebo 10:1. Sondy sa pripájajú k osciloskopom so vstupnou impedanciou 50 Ω a veľmi často obsahujú pamäť, v ktorej sú uložené korekčné a kalibračné hodnoty a ktoré môžu byť odovzdané pripojenému osciloskopu.

Obr. 7 Schéma aktívnej sondy P7240

Frekvenčné pásmo je od 500 MHz do 7 GHz. Pre kmitočty menšie než 500 MHz je výhodnejšie použiť pasívnu sondu, pretože aktívne sondy nedosahujú také napäťové parametre (max. 40 V, vo väčšine prípadov však len jednotky voltov). Aktívne a diferenciálne sondy sú napriek svojej cene už nepostrádateľné pri meraní na súčasných veľmi rýchlych digitálnych obvodoch, pričom vzhľadom na rozmery elektronických súčiastok je čoraz ťažšie sondu fyzicky pripojiť k obvodu.

Obr. 8 Príklady pripojenia sond k miniatúrnym súčiastkam

Obr. 9 Miniaturizácia pripojovania sond situáciu nezjednodušuje

Pripomeňme si, že v sústave jednotiek SI nie je veličinou, ktorú sme doteraz merali rôznymi sondami, napätie, ale elektrický prúd – ampér. Prúdové osciloskopické sondy majú dve základné vyhotovenia. Buď ide o prúdový transformátor, ktorý pracuje od nenulového kmitočtu, alebo o kombináciu transformátora s Hallovou sondou. Prúdové sondy takmer nezaťažujú meraný obvod, avšak platí, že čím bližšie k uzemnenej časti obvodu sa meria, tým lepšie; vysokofrekvenčné sondy sa uzemňujú, aby sa zabránilo rušeniu sekundáru sondy indukciou vonkajším napätím.

Typickým príkladom pasívneho prúdového transformátora sú sondy Tektronix CT1 a CT2. Miniatúrne sondy s uzavretým magnetickým jadrom pracujú až do 1 GHz. Nevýhodou je práve uzavreté jadro – vodič, na ktorom sa má merať, je potrebné rozpojiť, prevliecť sondou a opätovne zapojiť. Kliešťové vyhotovenie túto nepríjemnosť odstraňuje, avšak medzera v jadre nepriaznivo vplýva na kvalitu výsledkov a zabezpečenie stability tejto medzery je technicky náročné.

Sondy, ktoré majú merať aj jednosmerné prúdy, majú v magnetickom obvode vloženú Hallovu sondu.

Obr. 10 Striedavé prúdové sondy a schéma zapojenia

Hallov jav – jav, pri ktorom vzniká napätie (Hallovo napätie) medzi protiľahlými hranami polovodičovej doštičky, ktorou pozdĺžne preteká prúd a na ktorú kolmo pôsobí magnetické pole.
 
Pri nízkych kmitočtoch sa napätia AC a DC sčítavajú, pri vyšších kmitočtoch pracuje už len transformátorová časť. Keďže sondy s Hallovou sondou vyžadujú napájanie, má sonda buď vlastnú batériu, alebo je Hallova sonda napájaná z externého zdroja či priamo z osciloskopu. Takéto sondy pracujú do kmitočtu približne 120 MHz, tie najjednoduchšie potom do 100 kHz.
Vzhľadom na princíp činnosti je veľmi dôležité zdôrazniť, že maximálny prúd, ktorý je sonda schopná merať, je výrazne závislý od kmitočtu signálu. Čím vyšší kmitočet, tým menší merateľný prúd.
 
Úlohou osciloskopických sond je fyzicky prepojiť meraný obvod s osciloskopom. Dúfajme, že tento stručný prehľad pomôže k lepšej orientácii v tom, akú sondu použiť pre konkrétny typ merania, aby získané údaje čo najvernejšie zodpovedali skutočnosti.