Щупы осциллографа

Пассивный щуп 10:1 и 1:1

Стандартный щуп, который идёт в комплекте с осциллографом, — пассивный 10:1 (часто с переключателем 1X/10X). В положении 10X в наконечнике последовательно с сигналом стоит резистор 9 МОм (Tektronix P6063B; Rohde & Schwarz), вместе со входом осциллографа 1 МОм он образует делитель на 10. Схема видит 10 МОм — в десять раз меньше нагрузки по постоянному току, а ёмкость наконечника частично компенсирует ёмкость входа прибора и кабеля. В положении 1X резистор закорочен, и щуп превращается в экранированный провод: схема нагружена входом 1 МОм и ёмкостью кабеля.

Данные — из документации производителей (P6063B — 062-2928-01; PP510 — даташит Siglent; N2862A — 5989-2228EN; PP023 — 928608-00; P6243 — табл. 1.1 ABCs of Probes; предел активных щупов — там же, разд. Dynamic Range Limitations). Напряжение для P6063B указано как DC + пик переменного, для остальных — действующее значение.

Почему 10X — режим по умолчанию: при чувствительности осциллографа 1 мВ…10 В/дел и восьми делениях щуп 1X охватывает сигналы от 4 мВ до 40 В, а 10X — от 40 мВ до 400 В (если считать, что сигнал должен занимать на экране не меньше 4 делений), причём меньше нагружает схему (ABCs, разд. Dynamic Range Limitations). Цена режима 1X — полоса: тот же P6063B в положении 1X пропускает 12 МГц вместо 200 МГц. Tektronix показывает, как это выглядит на фронте: импульс, который со щупом 400 МГц имел время нарастания 4,63 нс, со щупом 100 МГц показан как 5,97 нс, а со щупом 1X на 10 МГц — как 27 нс (ABCs, рис. 4.9).

Компенсация щупа

Делитель из резисторов работает на постоянном токе, но на высоких частотах ток идёт через ёмкости, и деление определяют уже они. Чтобы коэффициент 10:1 был одинаковым на всех частотах, постоянная времени наконечника должна быть равна постоянной времени входа вместе с кабелем — это и обеспечивает подстроечный конденсатор компенсации (наш вывод из формулы делителя; Rohde & Schwarz описывает компенсацию как подстройку отношения ёмкостей щупа и входа).

Порядок компенсации (руководство RIGOL, гл. 1; Rohde & Schwarz):

1. Подключите щуп к каналу, переключатель на щупе и множитель канала — в положение 10X.
2. Наконечник — к выходу калибратора на передней панели, зажим земли — к соседнему контакту земли. Калибратор выдаёт меандр, обычно 1000 Гц: в меандре есть и низкие, и высокие частоты, поэтому ошибка видна сразу.
3. Неметаллическим инструментом поворачивайте подстроечный конденсатор (на щупе или в разъёме BNC), пока вершины меандра не станут плоскими, а углы — прямыми. Обычно хватает доли оборота.

Если на углах выбросы — щуп перекомпенсирован, если углы скруглены — недокомпенсирован. Подстроечник рассчитан на определённый диапазон ёмкостей входа: у P6063B — 15–24 пФ, у N2862A — 5–30 пФ, у Siglent PP510 — 10–35 пФ, поэтому щуп от одного прибора не всегда компенсируется на другом. Tektronix советует компенсировать щуп сразу после подключения к осциллографу, регулярно проверять и повторять компенсацию при смене насадок (ABCs, разд. Compensate Your Probes). Калибратор годится только для подстройки щупа, а не для калибровки прибора (RIGOL, гл. 1). У Keysight N2862A кроме низкочастотной есть и высокочастотная подстройка (5989-2228EN). См. также «Компенсация щупа» и «Как компенсировать щуп».

Нагрузка схемы: сопротивление и ёмкость

На постоянном токе 10 МОм почти незаметны, но ёмкость наконечника с ростом частоты становится главной нагрузкой: её реактивное сопротивление X_C = 1/(2πfC) падает. Tektronix приводит пример: щуп 10 МОм с ёмкостью наконечника 11 пФ на частоте 50 МГц — это около 290 Ом параллельно схеме (ABCs, гл. 4; наш расчёт по формуле даёт 289 Ом). Высокоомный узел — выход операционного усилителя с большим выходным сопротивлением, кварцевый генератор, вход с подтяжкой — такая нагрузка заметно меняет, а может и сорвать работу. Ёмкость наконечника влияет и на измерение импульсов: если длительность импульса меньше пяти постоянных времени RC щупа, амплитуда искажается (ABCs, разд. Capacitance). Пересчитать ёмкость в сопротивление на нужной частоте поможет калькулятор импеданса.

Ещё одно следствие: полоса системы — не полоса осциллографа. Полоса щупа должна быть не меньше полосы прибора, а складывать времена нарастания по формуле корня из суммы квадратов можно только для активных щупов: для пассивных Tektronix прямо предупреждает, что эта формула не работает (ABCs, разд. Probe Bandwidth). Надёжнее всего — щупы из списка рекомендованных для вашего осциллографа.

Провод земли и звон

Провод земли щупа — это индуктивность. Вместе с ёмкостью щупа она образует последовательный колебательный контур, демпфированный только сопротивлением, и на быстром фронте он звенит (ABCs, гл. 4, рис. 4.12). По Tektronix щуп 11 пФ с проводом земли 6 дюймов (около 15 см) звенит примерно на 140 МГц: на осциллографе 100 МГц звон может быть не виден, а на 200 МГц он уже на экране. Если продлить стандартный провод земли до 28 дюймов (около 70 см), звон становится сильнее и ниже по частоте (рис. 4.13).

Правила: всегда используйте самый короткий провод земли из комплекта, для быстрых сигналов — пружинку на наконечник прямо у точки измерения; держите петлю «наконечник — земля» вдали от источников помех; не заменяйте провод земли щупа общим проводом от схемы к корпусу прибора — это добавляет контур земли и ещё более низкочастотный звон (ABCs, разд. Ground Lead Issues). Звон, который меняется, когда вы двигаете провод земли, — артефакт измерения, а не свойство схемы; см. «Звон на фронтах от провода земли».

Допустимое напряжение и безопасность

Предельное напряжение пассивных щупов общего назначения — около 400–500 В (DC + пик переменного), у высоковольтных — до 20 000 В, у активных — обычно десятки вольт (ABCs, разд. Dynamic Range Limitations и High-voltage Probes). Предел снижается с частотой: Tektronix P6063B в положении 10X держит 500 В до 4,5 МГц, но только 30 В на 200 МГц; в положении 1X — 350 В до 850 кГц и 70 В на 10 МГц (062-2928-01). Кривые снижения приводят и Keysight (N2862A), и Teledyne LeCroy (PP023). Кроме напряжения щуп имеет категорию измерений: Siglent PP510 — CAT II 300 В RMS в положении 10X и 150 В RMS в положении 1X; LeCroy PP023 — 500 В RMS для цепей, не связанных с сетью, и 400 В RMS в CAT II. Проверяйте и щуп, и вход осциллографа: у RIGOL DS1000Z сам вход рассчитан на CAT I 300 В RMS и CAT II 100 В RMS.

Два щупа на одном осциллографе — это общая земля: зажимы обоих щупов соединены внутри прибора. Подключить их к двум разным потенциалам схемы — то же короткое замыкание, только через осциллограф (см. «Два щупа и две земли»).

Активные, дифференциальные, высоковольтные и токовые щупы

• Активный щуп содержит усилитель у наконечника: ёмкость — около 1 пФ и меньше (P6243 — не больше 1 пФ при 1 МОм), полоса — до гигагерц, но предельное входное напряжение — десятки вольт (ABCs, гл. 1–2). Нужен для высокоскоростных и высокоомных узлов. Подробнее — «Активный щуп».
• Дифференциальный щуп измеряет разность напряжений двух точек, ни одна из которых не обязана быть землёй. Его ключевой параметр — коэффициент подавления синфазного сигнала CMRR = |A_d/A_c|: при 10 000:1, который Tektronix называет хорошим значением, синфазные 5 В дают на выходе 0,5 мВ. CMRR падает с частотой, поэтому важна частота, на которой он указан (ABCs, гл. 4). Вычитание двух каналов осциллографа даёт плохое подавление на высоких частотах из-за разницы каналов (гл. 2). См. «Дифференциальный щуп».
• Два предела высоковольтного дифференциального щупа. У такого щупа нормируются отдельно дифференциальное напряжение — между двумя его входами — и синфазное напряжение — от каждого входа до земли. Это разные числа, у каждого своя категория измерений, и оба снижаются с ростом частоты по графику в даташите щупа. На сетевой стороне импульсного источника, например, между входами может быть всего несколько вольт, а каждый вход относительно земли — под полным сетевым потенциалом: проверять нужно оба предела и обе категории, а не только «вольты на шильдике».
• Высоковольтный щуп — для напряжений, которые не выдерживает щуп общего назначения, до 20 кВ; у таких щупов длинные кабели, обычно 10 футов (около 3 м), чтобы прибор стоял за защитным ограждением (ABCs, гл. 2). Высоковольтный пассивный щуп, как и обычный, имеет заземлённый провод земли; для плавающих измерений нужен дифференциальный щуп или изолятор. Изоляторы щупа рассчитаны обычно на 600 В RMS или 850 В (DC + пик). См. «Высоковольтный щуп» и «Плавающие измерения».
• Токовый щуп охватывает провод сердечником. Трансформаторные щупы меряют только переменный ток; щупы AC/DC добавляют датчик Холла для постоянной составляющей. Предел линейной работы — произведение ампер × секунда: выше него сердечник насыщается, и вершины импульсов срезаются; постоянный ток тоже насыщает сердечник; допустимый ток снижается с частотой (ABCs, гл. 2 и 4). См. «Токовый щуп».

Пример: что вносит щуп в измерение

Нагрузка. Смотрим кварцевый генератор 16 МГц щупом 10X с ёмкостью 11 пФ (как у P6063B). Реактивное сопротивление: X_C = 1/(2π · 16 · 10⁶ · 11 · 10⁻¹²) ≈ 904 Ом (наш расчёт) — по сравнению с высокоомным выводом генератора это тяжёлая нагрузка, генератор может сместиться по частоте или остановиться. В положении 1X с ёмкостью 80 пФ — около 124 Ом, и полоса щупа (12 МГц) уже ниже частоты сигнала. Вывод: такие узлы смотрят щупом 10X с минимальной ёмкостью или активным щупом, а частоту лучше проверять по буферизованному выходу.

Провод земли. Из примера Tektronix (11 пФ, звон около 140 МГц) индуктивность 15-сантиметрового провода земли: L = 1/((2πf)²C) = 1/((2π · 140 · 10⁶)² · 11 · 10⁻¹²) ≈ 117 нГн (наш расчёт). Частота звона $f = 1/(2\pi\sqrt{LC})$ растёт обратно пропорционально корню из индуктивности: если пружинка уменьшит индуктивность в 10 раз, звон уйдёт примерно в $\sqrt{10} \approx 3{,}2$ раза выше — к 440 МГц, за пределы полосы осциллографа на 100–200 МГц. Резонанс контура можно проверить калькулятором LC-контура.

Частые ошибки

• Щуп в положении 1X «по умолчанию». Полоса падает до единиц мегагерц, ёмкость — до сотни пикофарад; фронты кажутся медленными.
• Множитель канала не совпадает со щупом. Щуп 10X при множителе 1X в настройках канала — показания в 10 раз меньше настоящих.
• Щуп не скомпенсирован после переноса на другой канал или прибор — выбросы или завалы, которых в схеме нет.
• Длинный провод земли на быстрых сигналах — звон и выбросы.
• Зажим земли на узле, не соединённом с землёй. Короткое замыкание через заземление; нужен дифференциальный щуп.
• Предел напряжения без учёта частоты. На десятках мегагерц пассивный щуп выдерживает лишь малую долю номинала.
• Чужой щуп вне диапазона компенсации. Подстроечник не выводит меандр в норму — щуп не подходит к этому входу.