Sondy, sondy, sondy,…

Osciloskop není nejlepším voltmetrem. Převodník má většinou pouze 8bitový převod, a to samo o sobě představuje chybu větší než 0,8 %. Počet efektivních bitů v současné době u osciloskopických A/D převodníků nepřesahuje 7, tedy 1/128. Celková přesnost ve vertikální ose je pak udávána v jednotkách procent. Navíc je třeba počítat s udávanou šířkou pásma. Definice předpokládá pokles o max. 3dB, což ovšem představuje v napěťové oblasti téměř 30% chybu při měření amplitudy. Vertikální systém má následující frekvenční charakteristiku:

Obr.1  Závislost potlačení amplitudy 100MHz osciloskopu (idealizovaný systém)

kde je     AU    ukazovaná amplituda 
              A       amplituda signálu
              fBW   šířka pásma

Z tohoto vztahu vyplývá, že chyba jednotek procent je vnesena do výsledku již při pětině frekvenčního rozsahu osciloskopu. Další chybu lze zanést do napěťového měření zapojením AC vazby pro malé kmitočty.

V horizontální (časové) ose poskytuje osciloskop mnohem přesnější informace než v napěťové. Měření periody, frekvence, náběžné či spádové hrany digitální osciloskopy jednoduše zvládnou. Dále lze měřit fázový posun mezi kanály nebo používat kurzorová měření. Všudypřítomný parametr šířky pásma i zde hraje roli, především u měření hran. Protože vstupy osciloskopu díky své impedanci mají vlastní časovou konstantu, je ve výsledku měření zahrnuta i vlastní doba náběhu osciloskopu.
 
Výsledná doba náběžné (nebo spádové) hrany je vyjádřena vztahem:

 kde ts je skutečná doba náběhu
        fBW  šířka pásma

Výsledné zkreslení výsledku je možné brát za maximální možnou chybu, protože šířka pásma je většinou udávána s rezervou, která chybu snižuje. Procentuálně je velikost chyby podobná jako u napěťových měřeních. V případě, že v měřicí aparatuře je obsažena sonda, je třeba do předchozího vztahu zahrnout člen                                     
.
Zde jsme tedy uvedli, jak velké chyby nám vnáší samotný vstupní obvod do měření. V okamžiku, kdy osciloskop připojíme k obvodu kabelem či sondou, vneseme do měřicího řetězce další zkreslení.
 

Pokud nepracujeme s přizpůsobeným vedením, kde zdroj, osciloskop i kabely jsou přizpůsobeny pro 50 či 75 Ω, případně jinou hodnotu dle aplikace, ale použijeme pro připojení např. běžný kabel banánky/BNC, pak chyba způsobená tímto připojením může být i chybou fatální.

Vysvětlení první složky chyby je poměrně snadné. Zatížíme-li, např. pouze stejnosměrný zdroj 10 V s výstupním odporem 200 Ω, kabelem a impedancí vstupů osciloskopu cca 120 pF, 100 kW, osciloskop díky úbytku na vnitřním odporu zdroje ukáže 9,98 V. Druhá složka chyby se projeví při vyšších kmitočtech omezením šířky pásma soustavy.

Bo=1/2πRC, tj. cca 6,6 MHz!

To se samozřejmě projeví jak v napěťové, tak v časové ose pro měření signálů o kmitočtu od 1 MHz, viz výše. Proto se pro měření používají osciloskopické sondy.

Pasivní sondy jsou nejčastěji používané sondy a velmi často bývají i součástí standardního vybavení nového osciloskopu. Pasivní sondy mají mít alespoň 10x větší vstupní odpor než je výstupní odpor měřeného obvodu. Proto se pro klasické osciloskopy s vysokoimpedančními vstupy používají sondy 10:1 - 10MW, 10 pF. Takové sondy jsou většinou použitelné pro kmitočtová pásma do 500 MHz, příkladem je sonda Tektronix TPP1000, 10:1, 1 GHz, vstupní kapacita pouhé 4 pF, 10 MW.

Sondy 1:1 musí mít menší vstupní odpor a vyšší kapacitu, a proto jsou vhodné pro kmitočty do 20 MHz. Sondy 1:1 se používají pouze výjimečně, pouze pokud již pro měření sondou 10:1  nestačí citlivost vertikálních obvodů osciloskopu.

Dále se pak vyrábí sondy 100:1 do cca 5 kV, nebo 1000:1 do až 20kV efektivní hodnoty napětí, nebo 60 kV krátkodobé  hodnoty. U vysokonapěťových sond pak přicházejí na řadu konstrukce a materiály odpovídající velikosti měřeného napětí. Kromě toho musí být taková sonda dimenzovaná i na vyzáření tepla, které je vyzařováno na vstupním odporu sondy (asi 4 W).

Pro vysokofrekvenční aplikace na 50ohmových obvodech se používají pasivní sondy s malým vstupním odporem (stovky až tisíce ohmů) a vstupní kapacitou 1 pF. Takové sondy lze použít až do cca 10 GHz. Nejsou vhodné pro nízké kmitočty a  pracují jen pro napětí řádově desítek voltů. Jsou ale použitelné pro spektrální analyzátory. Z důvodu velmi malého vstupního odporu je třeba zacházet se sondami velmi obezřetně a jen tam, kde sondou nezatížíme měřený objekt příliš.

Obr.2 Vysokonapěťová sonda Tektronix P6015A, 75 MHz, 40 kV puls, 20kV RMS

Obr.3 Sonda s malým vstupním odporem 3 GHz, 50 V

Protože vstupní obvody osciloskopu jsou vyrobeny v určitých intervalech impedance, je dobré užívat sondy dodávané k danému přístroji. Ideální stav nastává, když součin odporu a kapacity sondy (včetně kabelu) je roven součinu odporu a kapacity vstupu osciloskopu:.
Proto je u sond možnost kompenzace. Základní nastavení lze provést pomocí kalibračního výstupu osciloskopu nebo jiného zdroje kvalitního obdélníkového signálu. Pokud není zobrazena náběžná hrana zakončená pravým úhlem, je třeba sondu dostavit kapacitním trimmerem. Pak je sonda nastavena pro daný vstup. Pokud sondu přepojíte na jiný kanál přístroje, musí být kompenzace zopakována, neboť impedance vstupů jsou různé.

Obr.4 Ukázka možných variant při nastavení sondy

Jakákoli sonda by navíc měla být imunní vůči vnějšímu rušení. Jednoduchý test lze provést připojením hrotu i zemnicího kabelu na zem obvodu, zobrazena má být  rovná čára. Pokud je signál zarušen, znamená to, že je třeba použít jinou polohu sondy či jiné připojení k obvodu. Obecně platí, že čím delší nekoaxiální část, tím méně je sonda vůči rušení imunní. Nekoaxiální část se totiž stává indukčností, která se stává anténou a navíc má vliv na impulzní odezvu celé soustavy - obr. 5.

Pro připojení je pak možné použít speciální konektory, viz. obr. 3 a obr. 6.

Sondy se velmi často dodávají s řadou kablíků a klipsů pro připojení, i tomu je třeba věnovat pozornost, neboť se může snadno stát, že nám chybí ruka.

Obr. 5 Ukázka vlivu připojení sondy na zobrazení hrany pulsu

Obr. 6 Možné připojení sondy pomocí adapteru

Pokud potřebujeme měřit ve dvou různých bodech rozdílové napětí, lze použít dvě sondy, jejichž zemnicí kablíky spojíme a na osciloskopu provedeme matematickou operaci rozdíl kanálů. Podobně lze samozřejmě vyrobit čistě pasivní pár, ale protože tento postup má svá omezení, používají se diferenciální sondy aktivní, které obsahují rozdílový zesilovač.

Proto potřebuje diferenciální sonda, stejně jako sondy aktivní či proudové (o kterých se ještě dozvíme) napájení z externího zdroje. Moderní osciloskopy již mají vstupní konektor proveden tak, že kolem samotného vstupu je pole napájecích a identifikačních polí. Sondy se pak napájí přímo z osciloskopu.

U diferenciálních sond se uvádí jako parametr též CMRR (Common –mode rejection ratio, činitel potlačení souhlasného rušení). Sondy se vyrábí buď pro vysokofrekvenční použití až desítek GHz, napětí pro běžné logické úrovně, nebo pro plovoucí měření až do řádově stovek voltů (a stovek MHz). Obecně vzato lze konstatovat, že čím větší pásmo sonda má, tím menší napětí s ní lze měřit.

Vzhledem k tomu, že osciloskop je většinou uzemněn a plovoucí měření je velmi častou úlohou, diferenciální sondy jsou  pro on-board aplikace nutností. Na straně malých frekvencí měření např. na spínaných zdrojích, na straně vysokých kmitočtů pak dominují sériová data typu USB 3.0, HDMI, PCIe, GBE apod.

Specialitou jsou sondy Tektronix tzv. Tri-Mode. Tyto sondy umožňují měřit jednou sondou, beze změny připojení, rozdílové napětí, napětí mezi signály a zemí i souhlasné napětí k zemi.

Sondy pro rychlé signálu jsou velmi náchylné na statický náboj a na elektromagnetické vazby, vstupní obvody se při neopatrné práci snadno zničí.

Pokud je měřený obvod příliš zatížen pasivní sondou s malým odporem, případně je kmitočtový rozsah pasivních sond s velkým odporem nedostatečný, lze použít sondu aktivní.  Aktivní sondy jsou konstruovány s FET tranzistory, s dělicím poměrem většinou 5:1 nebo 10:1. Sondy se připojují k osciloskopům se vstupní impedancí 50 W a velmi často obsahují paměť, kde jsou uloženy korekční a kalibrační hodnoty a které mohou být předány připojenému osciloskopu.

Obr. 7 Schéma aktivní sondy P7240

Frekvenční pásmo je od 500 MHz do 7 GHz. Pro kmitočty menší než 500MHz je výhodnější použít sondu pasivní, neboť aktivní sondy nedosahují takových napěťových parametrů (max. 40V, většinou ale jednotky Voltů).  Aktivní a diferenciální sondy jsou přes svoji cenu již nepostradatelné pro měření na současných velmi rychlých digitálních obvodech, přičemž vzhledem k velikosti elektronických součástek je stále obtížnější sondu fyzicky k obvodu připojit.

Obr. 8 Příklady připojení sond k miniaturním součástkám

Obr. 9 Miniaturizace připojování sond nezjednodušuje

Připomeňme si, že ve výčtu  jednotek SI  není napětí, které jsme měřili doposud různými sondami, ale elektrický proud – Amper.  Proudové osciloskopické sondy mají dvojí provedení. Buď je to proudové trafo, které pracuje od nenulového kmitočtu, nebo kombinace trafa s Halovou sondou. Proudové sondy takřka nezatěžují měřený obvod, avšak čím blíže uzemněnému konci, tím lépe, vf sondy se uzemňují aby se zamezilo zarušení sekundáru sondy indukcí vnějším napětím.

Typickým příkladem pasivního proudového transformátoru jsou sondy Tektronix CT1 a CT2. Miniaturní sondy s uzavřeným magnetickým jádrem pracují až do 1GHz. Nevýhodou je právě uzavřené jádro, vodič na kterém je třeba měřit se musí rozpojit, protáhnout a opět zapojit. Provedení klešťové tuto nepříjemnost odstraňuje, bohužel ale mezera v jádře působí na kvalitu výsledků a zajištění stability mezery je problematickou záležitostí.

Sondy, které mají měřit i stejnosměrné proudy, mají v magnetickém obvodu vsunutu Hallovu sondu.

Obr. 10 Střídavé proudové sondy a schéma zapojení

Hallův jev - jev, při němž vzniká napětí (Hallovo napětí) mezi protilehlými hranami polovodičové destičky, kterou podélně protéká proud a na niž kolmo působí magnetické pole. 
 
Pro nízké kmitočty se napětí AC a DC sčítají, pro vyšší kmitočty pak pracuje jen transformátorová část. Protože sondy s Hallovou sondou vyžadují napájení, má sonda buď baterii nebo je Hallova sonda napájena z externího zdroje či z osciloskopu. Takové sondy pracují do kmitočtu cca 120 MHz, ty nejjednodušší pak do 100kHz.
Vzhledem k principu činnosti je velmi důležité zmínit, že maximální proud, který je sonda schopna měřit je velmi závislý na kmitočtu signálu. Čím větší kmitočet, tím menší proud. 
 
Osciloskopické sondy mají fyzicky propojit měřený obvod s osciloskopem. Snad tento stručný výčet napomůže k lepší orientaci v tom, jakou sondu pro jaké měření použít tak, aby získané údaje co nejvíce odpovídaly skutečnosti.