Sondy sú rovnako ako zariadenia, ku ktorým sú pripojené, príkladmi presného strojárstva, čo zabezpečuje, že signál, ktorý vidíte na obrazovke, je čo najpresnejší. Môžeme uvažovať o sondách, ktoré merajú napätie na signálnom vedení na určitom mieste a nemajú žiadny vplyv na samotný signál, avšak sondy sa stávajú súčasťou testovaného obvodu a predstavujú odporovú, kapacitnú a indukčnú záťaž, ktorá môže ovplyvniť správanie obvodu. Pri starostlivom ovládaní možno tento vplyv minimalizovať, aby sa zabezpečilo, že signál bude ovplyvnený len jemne.
Pre čo najpresnejšie výsledky je cieľom vybrať sondu s najvhodnejším zaťažením pre testovaný obvod, aby sa minimalizovali nežiaduce interakcie a aby ste mali k dispozícii celý výkon, funkcie a možnosti vášho osciloskopu.

Výber správnej sondy: pasívna, aktívna alebo logická?

Dôležitým východiskovým bodom je výber vhodného typu sondy. Sondy pre vysokovýkonné osciloskopy môžu byť kategorizované ako pasívne a aktívne s podskupinami na špeciálne účely na realizáciu diferenciálnych meraní s pripojením na logické zbernice a vysokonapäťové rozvody.

Pasívna sonda je dobrou voľbou na meranie rôznych typov signálov a úrovní napätia. Pasívna sonda, ako napovedá jej názov, nemá žiadnu aktívnu elektroniku a bude vyžadovať určitú úroveň zaťaženia testovaného obvodu, ale často je to cenovo najdostupnejšie riešenie. V kombinácii pasívnej napäťovej sondy s prúdovou sondou vznikne zaujímavé riešenie na meranie výkonu v mnohých situáciách. Pasívne sondy sú zvyčajne spojené s faktorom útlmu, napríklad 10x alebo 100x. 10x tlmiaca sonda bude v porovnaní s 1x tlmiacou sondou predstavovať menšie zaťaženie testovaného obvodu. Ak je zaťaženie obvodu problém, napríklad ak sa pri zdrojoch signálu s vyššou impedanciou frekvencia obvodov zvyšuje, môže použitie sondy s vyšším faktorom útlmu pomôcť zachovať integritu merania. Nevýhodou využitia vyššieho útlmu je, že hoci redukuje skreslenie signálu, dôjde k zníženiu amplitúdy signálu na osciloskope. Sonda s 10-násobným útlmom zníži vstupnú amplitúdu faktorom 10.

Pri útlme 10x je náročné zobraziť signály menšie ako 10 mV špička – špička. Avšak pre mnoho signálov je sonda s útlmom 10x dobrým riešením. Sonda s útlmom 1x je zase vhodná na meranie pomalšie sa meniacich signálov s nízkymi amplitúdami. Niektoré sondy majú na špičke vhodnú funkciu na prepínanie medzi útlmom 1x a 10x a veľa osciloskopov dokáže automaticky určiť, kedy sa používa sonda s útlmom 1x alebo 10x. Dôležité je skontrolovať, či sú vstupné nastavenia prístroja zhodné so sondou a či je zobrazenie voltov na dielik presné.

Hoci sú pasívne sondy na všeobecné použitie často účinné, sú menej vhodné na presné meranie signálov s dobou rýchleho vzostupu alebo obvodov, ktoré sú náchylné na zaťaženie. Neustále zvyšovanie rýchlosti signálových hodín a nábehovej rýchlosti vyžaduje sondy s vyššou rýchlosťou a s menšími účinkami zaťaženia. Vysokorýchlostné aktívne a diferenciálne sondy poskytujú ideálne riešenie pri meraní vysokorýchlostných a/alebo diferenciálnych signálov.

Aktívne a diferenciálne sondy obsahujú integrované obvody (IC) navrhnuté špeciálne na prepojenie testovaného obvodu s káblom sondy a zachovanie maximálnej integrity signálu. Najnovšie generácie aktívnych sond môžu vykonávať rôzne merania – diferenciálne, jednokoncové a spoločné – bez potreby nastavenia pripojenia hrotov sondy.

Logické sondy umožňujú pohodlné snímanie digitálnych zberníc, pretože ich súčasťou sú aj signálne sondy, ako aj spôsob pripojenia zemných spojení kompaktným spôsobom.
Meranie signálu vyžaduje dve spojenia: jedno pre samotný hrot sondy a druhé na uzemnenie, čím sa zvyšuje množstvo priestoru potrebného na testovanej doske plošných spojov, aby sa dosiahlo dobré spojenie. Vyhradené logické sondy redukujú priestor potrebný na použitie špecializovaných konektorov: každý koniec kanála je zakončený hrotom sondy s pripojenou zemou, čo zjednodušuje pripojenie k testovanému obvodu.

S radom signálových pripojení v logickej sonde možno teda znížiť celkový potrebný priestor pomocou spoločného uzemnenia. Jeden typ vyhotovenia využíva konektor v automobilovom štýle, ktorý zjednodušuje použitie bežného uzemnenia. Tieto sondy ponúkajú dobré elektrické charakteristiky s minimálnym kapacitným zaťažením.

Medzi iné typy sond patria prúdové, vysokonapäťové a optické sondy, ktoré sa používajú na špecializovanejšie meranie, ako sú vysokonapäťové napájacie rozvodnice pre jednosmerné alebo striedavé napätie. Rozhrania sondy pokročilejších digitálnych osciloskopov rozpoznajú typ sondy automaticky a vhodne nakonfigurujú prístroj vrátane napájania. Aktívne sondy majú vlastný zosilňovač a vyrovnávacie obvody, ktoré vyžadujú napájanie jednosmerným prúdom.

Na zlepšenie integrity signálu pri meraní vysokorýchlostných signálov je k dispozícii aj príslušenstvo uzemňovacieho vedenia a špičky hrotu sondy. Napríklad uzemňovacie adaptéry umožňujú flexibilitu pri dodržiavaní odstupu medzi hrotom sondy a uzemnením elektród na testovanom obvode a udržiavajú veľmi krátku vzdialenosť elektród od špičky sondy po testovaný obvod, aby sa zabránilo ohrozeniu integrity merania.

Pochopenie nástrojov vnútri osciloskopu

Keď sú sondy pripojené, ďalším krokom je použitie nástrojov v osciloskope na meranie parametrov, o ktoré máte záujem. Väčšina digitálnych osciloskopov zahŕňa automatizované nástroje na meranie, ktoré zjednodušujú a urýchľujú bežné analytické úlohy, avšak za týmito technikami sú dôležité princípy, pričom znalosť, ako tieto merania vykonať manuálne, pomáha zabezpečiť správne nastavenie.

Osciloskop je zariadenie primárne určené na meranie napätia, ale meranie napätia tiež umožňuje vypočítať hodnoty iných parametrov, ako sú prúd a výkon, pomocou Ohmovho zákona a zákona o zachovaní energie. Hoci tieto výpočty môžu byť vykonávané ručne, mnohé z dnešných nástrojov umožňujú, aby boli tieto vlastnosti odvodené automaticky. Analýza tvaru signálu môže tiež poskytnúť dôležité informácie o správaní testovaného obvodu. Napríklad v digitálnych obvodoch sa impulzy môžu skresliť a spôsobiť poruchu digitálneho obvodu: preto je mimoriadne dôležité udržanie skreslenia od sondy na minime.

Ďalším užitočným režimom je XY. Tento režim na osciloskope umožňuje analýzu fázového posunu medzi dvoma inak identickými periodickými signálmi. Na vykonanie tohto merania sa jeden signál privedie ako štandard do vertikálneho systému, zatiaľ čo iný sa nasmeruje do horizontálneho systému, ktorý by sa normálne používal na časovú základňu. Tvar vlny, ktorý je výsledkom tohto usporiadania, sa nazýva Lissajousov vzor, pričom rôzne charakteristické tvary sa zobrazia ako vizuálne odlišné vzory. Digitálne pamäťové osciloskopy (DSO) môžu mať zvyčajne problémy so zobrazovaním obrazoviek XY v reálnom čase; niektoré nástroje vytvárajú obraz XY nahromadením spúšťaných dátových bodov v čase a potom vytváraním Lissajousovho vzoru, ale digitálne fosforové osciloskopy (DPO) získajú a zobrazia obrázky v režime XY v reálnom čase.

Pomocou vysokorýchlostných interných procesorov ponúkajú digitálne osciloskopy mnoho pokročilých matematických operácií, ktoré sú užitočné pri interpretácii meraní a znižovaní vplyvu skreslenia. Napríklad vloženie digitálneho filtračného bloku možno použiť na získanie vlastnosti nejakej súčiastky na testovanom obvode.

So šírkou pásma, ktorá teraz dosahuje desiatky gigahertzov, a s čoraz sofistikovanejším softvérom, ktorý dokáže automaticky vyberať signály, umožňujú digitálne osciloskopy rýchlo odhaliť širokú škálu problémov s obvodmi. Navyše rozvážnosť pri voľbe sond a meracích techník zabezpečí, že technici nie sú zavádzaní nežiaducim skreslením.

Cliff Ortmeyer
globálny riaditeľ pre vývoj riešení
Premier Farnell a Farnell element14
www.premierfarnell.com