Простейшим и давно применяемым типом пробников являются пассивные пробники с компенсированным делителем напряжения – рис.5.1. Делитель напряжения строится на резисторах R1 и R2, причем R2 может быть просто входным сопротивлением осциллографа.
Рис. 5.1. Схема компенсированного делителя
Параметры делителя на постоянном токе вычисляются по формулам:
(5.1)
Например, если R2= 1 МОм и R1=9 МОм, то имеет RВХ = 10 МОм и KД=1/10. Таким образом, входное сопротивление увеличено в 10 раз, но в 10 раз падает и уровень напряжения, поступающего на вход осциллографа.
В общем случае (на переменном токе) для коэффициента передачи делителя можно записать выражение (τ1= R1C1 и τ2= C2R2):
(5.2)
. (5.3)
Таким образом, при равенстве постоянных времени τ1 и τ2, коэффициент передачи делителя перестает зависеть от частоты и равен его значению на постоянном токе. Такой делитель называют компенсированным. Емкость C2 это общая емкость кабеля, монтажа и входная емкость осциллографа. Практически, для достижения условия компенсации емкость С1 (или C2) нужно подстраивать, например с помощью подстроечного конденсатора переменной емкости – триммера (см. рис. 5.2.). Регулировка выполняется специальной пластиковой отверткой, входящей в комплект аксессуаров пробников. Он включает в себя разные наконечники, переходники, цветные наклейки и другие полезные «мелочи».
Рис. 5.2. Конструкция стандартного пассивного пробника HP-9250 на основе частотно-компенсированного делителя
При компенсации искажения прямоугольного импульса (меандра), обычно создаваемого встроенным в осциллограф калибратором, отсутствуют (см. рис. 5.3). При спаде вершины импульса наблюдается недокомпенсация, а при нарастании – перекомпенсация. Характер осциллограмм при этом также показан на рис. 3 (сняты осциллографом TDS 2024 с пробником P2200 [3]). Рекомендуется проводить компенсацию при максимально большом изображении осциллограммы соответствующего канала.
Рис. 5.3. Осциллограммы импульсов калибратора осциллографа Tektronix TDS 2024 при разной степени компенсации (сверху-вниз): нормальной компенсации, перекомпенсации и недокомпенсации
При работе с многоканальным осциллографом следует применять пробники индивидуально для каждого канала. Для этого их надо пометить (если это уже не сделано на заводе) пробники наклейками разного цвета, обычно соответствующими цветам линий осциллограмм. Если не придерживаться этого правила, то из-за неизбежного разброса входных емкостей каждого канала компенсация будет неточной.
Для делителя 1:10 резистор R1 должен быть равен 9R2. Это означает, что емкость C1 должна быть в 9 раз меньше входной емкости C2. Входная емкость делителя определяется последовательным соединением С1 и C2:
(5.4)
Приближенное значение справедливо при KД»1 и С1«С2. При KД =10 входная емкость делителя почти в 10 раз меньше входной емкости осциллографа. Следует помнить, что в C2 входит не только истинная входная емкость осциллографа, но и емкость С1 увеличивается на величину емкости монтажа. Поэтому на самом деле уменьшение входной емкости делителя по сравнению с входной емкостью осциллографа будет не столь заметным. Тем не менее, именно это и объясняет значительное уменьшение искажений фронтов импульсов при работе с делителем.
Следует учитывать следующую рекомендацию: если чувствительность осциллографа по входу Y позволяет наблюдать сигнал с делителем, то всегда применяйте его. Это заодно является и средством защиты входов от больших напряжений.
Увеличение активной составляющей входного сопротивления делителя не всегда полезно, поскольку ведет и изменению нагрузки на испытуемое устройства и получении разных результатов при отсутствии делителя и при его применении. Поэтому делители часто проектируются так, что бы входное сопротивление осциллографа оставалось неизменным как при работе без делителя, так и при работе с ним. В этом случае делитель не увеличивает входное сопротивление осциллографа, но все же уменьшает входную емкость. Повышение уровня исследуемых сигналов
Максимальное напряжение на входе осциллографа определяется произведением числа делений его масштабной сетки на коэффициент отклонения по вертикали. Например, если число делений масштабной сетки равно 10, а коэффициент отклонения равен 5 В/дел, то полный размах напряжения на входе равен 50 В. Часто это не достаточно для исследования сигналов даже умеренно высокого уровня – выше десятков вольт.
Большинство пробников позволяет увеличить максимальное исследуемое напряжение на постоянном токе и низкой частоте с десятков В до 500-600 В. Однако на высоких частотах реактивная мощность (и активная, выделяемая на сопротивлении потерь конденсаторов пробника) резко растет и нужно снижать максимальное напряжение на входе пробника – рис.5.4. Если не учитывать этого обстоятельства, то можно просто сжечь пробник!
Рис. 5.4. Зависимость максимального напряжения на входе пробника от частоты
Никогда не следует превышать уровень максимального напряжения на входе пробника на высоких частотах сигнала. Это может привести к перегреву пробника и выходу его из строя.
Разновидностью пассивных пробников являются высоковольтные пробники [4]. Обычно они имеют коэффициент деления 1/100 или 1/1000 и входное сопротивление 10 или 100 МОм. Маломощные резисторы делителя пробника обычно выдерживают без пробоя напряжения до 500-600 В. Поэтому в высоковольтных пробниках резистор R1 (и конденсатор C1) приходится выполнять с применением последовательно включенных компонентов. Это увеличивает размеры измерительной головки пробника.
Вид высоковольтного пробника Tektronix P6015A показан на рис. 5.5. Пробник имеет корпус с хорошей изоляцией с выступающим кольцом, предотвращающим соскальзывание пальцев к цепи, осциллограмма напряжения которой снимается. Пробник можно использовать при напряжении до 20 кВ на постоянном токе и до 40 кВ при импульсах большой скважности. Частотный диапазон осциллографа с таким пробником ограничен 75 МГц, что с избытком достаточно для измерений в высоковольтных цепях.
Рис. 5.5. Внешний вид высоковольтного пробника Tektronix P6015A
При работе с высоковольтными пробниками надо соблюдать максимально возможные меры предосторожности. Вначале подключите провод заземления, а лишь затем подключите иглу пробника к точке, осциллограмму напряжения на которой нужно получить. Рекомендуется закрепить пробник и вообще убрать руки от него при проведении измерений.
Высоковольтные пробники выпускаются как для цифровых, так и аналоговых осциллографов. Например, для уникальных широкополосных аналоговых осциллографов серии ACK7000/8000 выпускается пробник HV-P30 с полосой частот до 50 МГц, коэффициентом деления 1/100, максимальным напряжением синусоиды (от пика до пика) 30 кВ и максимальным напряжением импульсного сигнала до 40 кВ. Входное сопротивление пробника 100 МОм, входная емкость 7 пФ, длина кабеля 4 м, выходной разъем BNC. Другой пробник HV-P60 с коэффициентом деления 1/2000 может применяться при максимальных напряжениях до 60 кВ для синусоиды и до 80 кВ для импульсного сигнала. Входное сопротивление пробника 1000 МОм, входная емкость 5 пФ. О серьезности этих изделий красноречиво говорит их высокая цена – около 66 000 и 124 000 рублей (по данным прайс-листа компании Эликс).
(5.1)
