¿Cómo utilizar correctamente una sonda de osciloscopio?
Qué es una sonda:
El osciloscopio es el instrumento de medición más utilizado por los ingenieros electrónicos, y la sonda del osciloscopio es sin duda el accesorio del osciloscopio más utilizado. Una sonda de osciloscopio es un componente electrónico que conecta el circuito bajo prueba a la entrada del osciloscopio. Sin la sonda, el osciloscopio se convierte en una decoración y sólo puede utilizarse como decoración.
Antes de elegir una sonda de osciloscopio, lo mejor es leer el manual de instrucciones del osciloscopio para entender qué tipo de sonda es la adecuada para el osciloscopio que estamos utilizando. Creemos que los siguientes puntos deberían ser más importantes a la hora de elegir una sonda:
Asegúrese de que la interfaz de la sonda coincida con la interfaz de nuestro osciloscopio. La interfaz de sonda de la mayoría de los osciloscopios es una interfaz BNC. Algunos osciloscopios pueden tener una interfaz SMA.
Observa si la impedancia de entrada y la capacitancia de la sonda seleccionada coinciden con las del osciloscopio. Porque todos queremos que la sonda tenga un impacto mínimo en el circuito bajo prueba. Qué tan bien coincidan la impedancia y la capacitancia de la sonda con el osciloscopio puede afectar en gran medida la precisión de la señal medida.
Interfaz BNC
Interfaz SMA
Algunos osciloscopios admitirán conmutación de impedancia de entrada de 50ω o 1mω. Pero para la mayoría de las mediciones, 1mω es la más común. A menudo se utiliza una impedancia de entrada de 50 Ω para medir señales de alta velocidad, como las microondas. También existen retrasos en la propagación de señales y mediciones de impedancia de placas de circuitos en circuitos lógicos.
La impedancia de entrada de un osciloscopio a menudo se puede fijar en 1mω o 50ω, pero la capacitancia de entrada del osciloscopio se ve afectada por factores de diseño como el ancho de banda. En términos generales, una capacitancia de entrada común para un osciloscopio con una impedancia de 1 mΩ es 14 pF. El valor también puede estar entre 5pF y 100pF. Por lo tanto, para hacer coincidir la capacitancia de entrada de la sonda con el osciloscopio, antes de seleccionar la sonda, debemos conocer el rango de capacitancia de la sonda y luego ajustar la capacitancia de la sonda a través de la varilla de calibración. Esta es la compensación de la sonda y el primer paso al que debemos prestar atención cuando utilizamos la sonda.
Entonces, ¿cuántas sondas y qué sondas necesitamos?
Según nuestros diferentes requisitos de medición, el número y tipos de sondas también son diferentes. Un poco como una cámara réflex. Quizás solo tenga una cámara, pero a menudo tiene muchos lentes. Por ejemplo, para medir simplemente el voltaje CC, una sonda pasiva de 1mω es básicamente suficiente. Sin embargo, si a menudo es necesario medir la diferencia de voltaje relativa entre el cable vivo y el cable vivo o entre el cable vivo y el cable neutro en la fuente de alimentación trifásica durante la prueba del sistema de energía, entonces necesitamos usar una sonda diferencial. .
Sondas diferenciales
Sondas pasivas
Las sondas pasivas son las sondas más comunes. Generalmente, cuando se compra un osciloscopio, el fabricante le proporcionará varios de serie. Una sonda pasiva común consta de una sonda, un cable de sonda, un dispositivo de compensación u otra red de acondicionamiento de señal y un conector de sonda. En este tipo de sondas no se utilizan componentes activos como transistores o amplificadores, por lo que no es necesario suministrar energía a la sonda. En términos generales, las sondas pasivas son más comunes, más fáciles de usar y menos costosas. Las relaciones de atenuación ajustables comunes de las sondas pasivas son:
1×: sin atenuación
10×: 10 veces la atenuación
100×: 100 veces la atenuación
1000×: atenuación 1000 veces
Las sondas de voltaje pasivas proporcionan diferentes coeficientes de atenuación para diferentes rangos de voltaje. Entre estas sondas pasivas, la sonda de tensión pasiva 10× es la sonda más utilizada. Para aplicaciones con amplitudes de señal de 1 V pico a pico o menos, una sonda 1X puede ser apropiada o incluso esencial. En aplicaciones con señales de amplitud baja y media (decenas de milivoltios a decenas de voltios), es mucho más conveniente cambiar la sonda 1×/10×. Pero la sonda conmutable 1×/10× es esencialmente dos sondas diferentes en una sonda, con no sólo diferentes coeficientes de atenuación, sino también diferentes características en términos de ancho de banda, tiempo de subida, impedancia (R y C), etc. Por lo tanto, estas sondas no pueden coincidir perfectamente con la entrada del osciloscopio y proporcionar el mejor rendimiento logrado con sondas estándar de 10×.
La atenuación de la sonda extiende el rango de medición de voltaje del osciloscopio a través de una resistencia interna que, cuando se usa con la resistencia de entrada del osciloscopio, crea un divisor de voltaje. Por ejemplo, una sonda 10x típica viene con una resistencia interna de 9 mΩ.
Cuando se conecta a un osciloscopio con una impedancia de entrada de 1 mΩ, producirá una relación de atenuación de 10:1 en el canal de entrada del osciloscopio. Esto significa que la señal mostrada en el osciloscopio será 1/10 de la amplitud de la señal medida real, por lo que a menudo necesitamos configurar la relación de atenuación en 10X en la configuración del canal del osciloscopio.
Esta característica de atenuación nos permite medir señales más allá de los límites de voltaje del osciloscopio. Y el circuito de atenuación dará como resultado una mayor resistencia (generalmente algo bueno) y una menor capacitancia, lo cual es muy importante para mediciones de alta frecuencia.
Diagrama esquemático de la sonda pasiva 10X
Detector activo
Debido a que la sonda activa contiene componentes activos como transistores y amplificadores, que requieren soporte de fuente de alimentación, se llama Para sondas activas. En el caso más común, el dispositivo activo es un transistor de efecto de campo (PET), que proporciona una capacitancia de entrada muy baja. Una capacitancia baja dará como resultado una impedancia de entrada alta en una banda de frecuencia más amplia. Las sondas FET activas suelen estar clasificadas para anchos de banda entre 500 MHz y 4 GHz. Además de un mayor ancho de banda, la alta impedancia de entrada de las sondas FET activas permite mediciones en puntos de prueba de impedancia desconocida con un riesgo mucho menor de efectos de carga. Además, se pueden utilizar cables de tierra más largos porque la baja capacitancia reduce el efecto del cable de tierra. Las sondas FET activas no tienen el rango de voltaje de las sondas pasivas. El rango dinámico lineal de las sondas activas suele estar entre 0,6 V y 10 V.
Detectores activos
Sondas diferenciales
Las sondas diferenciales miden señales diferenciales. Las señales diferenciales se refieren entre sí, no a tierra. Las sondas diferenciales pueden medir señales de dispositivos flotantes. Compuesto esencialmente por dos sondas de tensión simétricas con buen aislamiento y alta impedancia respectivamente. Las sondas diferenciales pueden proporcionar una relación de rechazo de modo alto (CMRR) en un rango de frecuencia más amplio. En comparación con el cableado de señal ordinario de un solo extremo, las ventajas más obvias de las señales diferenciales son las siguientes:
Fuerte capacidad antiinterferente Dado que el acoplamiento entre las dos líneas diferenciales es muy bueno, cuando hay interferencia de ruido. Desde el exterior, casi todos están acoplados a dos líneas al mismo tiempo, y el extremo receptor solo se preocupa por la diferencia entre las dos señales, por lo que puede compensar el ruido del modo externo * * en la mayor medida posible.
Puede suprimir eficazmente la EMI. Asimismo, debido a que las dos señales tienen polaridades opuestas, los campos electromagnéticos que irradian se anulan entre sí. Cuanto más estrecho sea el acoplamiento, menos energía electromagnética se liberará al exterior.
El posicionamiento de sincronización es preciso porque el cambio de conmutación de la señal diferencial se encuentra en la intersección de las dos señales. A diferencia de las señales ordinarias de un solo extremo, que se juzgan por el nivel del voltaje umbral, es así. Se ve menos afectado por el proceso y la temperatura y puede reducir los errores de sincronización y es más adecuado para circuitos con señales de baja amplitud. El actualmente popular LVDS se refiere a esta tecnología de señalización diferencial de pequeña amplitud.
El principio de la amplificación diferencial es introducir un par de señales en el circuito de amplificación al mismo tiempo y luego restarlas para obtener la señal original. Un amplificador diferencial es un amplificador compuesto por dos transistores con los mismos parámetros y características mediante acoplamiento directo. Si se introducen señales de la misma magnitud y fase en las dos entradas, la salida será cero, superando así la deriva del punto cero.
Esquema de la sonda diferencial
Sonda de corriente
Quizás crees que es fácil dividir el valor de tensión medido por la sonda de tensión entre el valor de impedancia medido Obtener la corriente valor. ¿Por qué necesito una sonda de corriente especializada para medir? Debido a que el error introducido por este tipo de medición es realmente muy grande, generalmente no utilizamos el método de convertir voltaje en corriente. La sonda de corriente utiliza la entrada del transformador de corriente para medir con precisión la forma de onda de la corriente. El flujo de corriente de la señal se convierte en voltaje a través del transformador de inductancia mutua y luego el amplificador de la sonda lo amplifica y lo envía al osciloscopio. Las sondas de corriente se dividen básicamente en dos categorías, sondas de corriente CA y sondas de corriente CA/CC. Las sondas de corriente CA suelen ser sondas pasivas, sin fuente de alimentación externa, mientras que las sondas de corriente CA/CC suelen ser sondas activas. Las sondas de corriente tradicionales solo pueden medir señales de CA porque la corriente CC estable no puede inducir corriente en el transformador. La corriente alterna en el transformador produce cambios en el campo eléctrico e induce voltaje a medida que cambia la dirección de la corriente. Sin embargo, utilizando el efecto Hall, un dispositivo semiconductor con polarización de corriente generará un voltaje correspondiente al campo eléctrico de CC. Por tanto, la sonda de corriente CC es un dispositivo activo y requiere una fuente de alimentación externa.
Sondas de corriente CA/CC
Finalmente, veamos algunas sugerencias relacionadas con las sondas:
Compensación adecuada de las sondas: capacitancia de entrada de diferentes osciloscopios Puede ser diferentes, e incluso diferentes canales del mismo alcance pueden ser ligeramente diferentes. Para resolver este problema, aprender a compensar y ajustar las sondas es la habilidad más básica que los ingenieros deben dominar.
Cuando la sonda está conectada al circuito bajo prueba, el extremo de tierra de la sonda debe estar conectado a la tierra del circuito bajo prueba. De lo contrario, la diferencia de potencial entre el osciloscopio y otros equipos o la tierra durante el estado de pausa puede provocar una descarga eléctrica o daños al osciloscopio, la sonda u otros equipos.
Intentar mantener el conductor de tierra de la sonda lo más cerca posible del punto medido. Un cable de tierra demasiado largo puede causar distorsión de la forma de onda, como timbres o sobreimpulsos.
Cuando los dos puntos de prueba no están a potencial de tierra, se debe realizar una medición "suspendida", también llamada medición diferencial, y se debe utilizar una sonda diferencial profesional.
Las sondas son muy importantes para las mediciones de osciloscopio. En primer lugar, es necesario minimizar el impacto de la sonda en el circuito de detección y mantener una fidelidad de señal suficiente para los valores medidos. Si la sonda altera la señal o cambia el modo de funcionamiento del circuito de alguna manera, el osciloscopio verá una distorsión severa de la señal real, lo que podría conducir a mediciones erróneas o engañosas. De la introducción anterior, se puede concluir que hay muchas cosas que merecen nuestra atención en la selección y uso correcto de las sondas.