Выбор активных и пассивных пробников для решения измерительных задач

Пассивные пробники

Сейчас наиболее распространенным типом осциллографических пробников являются пассивные пробники напряжения (рис. 1). Этот тип пробников, в свою очередь, подразделяется на высокоомные пассивные пробники (с высоким входным импедансом) и низкоомные пассивные пробники (с низким входным импедансом) с резисторным делителем напряжения.

Рис. 1. Пассивный пробник

Чаще всего на практике используются высокоомные пассивные пробники с коэффициентом деления 10:1. Такие пробники входят в комплект поставки большинства современных бюджетных осциллографов и осциллографов среднего ценового диапазона.

Входное сопротивление пробника составляет, как правило, 9 МОм, что, при подключении к входу осциллографа с импедансом 1 МОм, позволяет получить коэффициент деления (или коэффициент ослабления) равный 10:1. Общее входное сопротивление, таким образом, составит 10 МОм. Напряжение на входе осциллографа в 10 раз меньше напряжения на входе пробника и может быть описано следующим уравнением:

По сравнению с активными пассивные пробники являются более прочным, надежным и недорогим решением. Они имеют широкий динамический диапазон (обычно более 300 В для пробника 10:1) и высокое входное сопротивление для согласования с входным импедансом осциллографа. Вместе с тем по сравнению с активными пробниками или низкоомными (z0) пассивными пробниками с резисторным делителем они имеют более узкую полосу пропускания, а из-за высокой входной емкости могут создавать значительную нагрузку на исследуемую цепь (рис. 2).

Рис. 2. Высокоомный пассивный пробник

Рассмотрим низкоомные пассивные пробники с резисторным делителем (рис. 3). Эти пробники имеют входное сопротивление 450 или 950 Ом, что позволяет обеспечить ослабление 10:1 или 20:1 при входном сопротивлении осциллографа 50 Ом. За входным резистором пробника расположен кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, согласованный с 50-омным входом осциллографа. Следует помнить, что для использования этого типа пробников осциллограф обязательно должен иметь входное сопротивление 50 Ом. Важнейшее преимущество низкоомных пассивных пробников — небольшая емкостная нагрузка и широкая полоса пропускания (порядка нескольких гигагерц), что позволяет выполнять точные измерения временных характеристик. Кроме того, такие пробники имеют относительно невысокую стоимость по сравнению с активными пробниками с такой же полосой пропускания. Низкоомные пробники используются при проведении измерений в ЭСЛ-схемах (логические схемы с эмиттерными связями), СВЧ-приложениях, а также в линиях передачи с волновым сопротивлением 50 Ом. Единственным недостатком пробников является относительно высокая резистивная нагрузка, что может сказаться на точности измерений амплитуды сигнала.

Рис. 3. Низкоомные пассивные пробники с резисторным делителем

Активные пробники

При работе с осциллографом, имеющим полосу пропускания более 500 МГц, зачастую возникает необходимость использования активных пробников. Несмотря на довольно высокую стоимость, активные пробники наилучшим образом подходят для измерений, для которых требуется широкая полоса пропускания. Как правило, такие пробники дороже пассивных и имеют более узкий диапазон входных напряжений, однако благодаря значительно меньшей емкостной нагрузке они обеспечивают более точные измерения быстрых сигналов.

Как уже упоминалось, для работы активного пробника необходим источник питания. Для подключения большинства современных активных пробников используется интеллектуальный интерфейс (рис. 4), который обеспечивает питание пробника и служит каналом связи между пробником и осциллографом. Как правило, интерфейс пробника способен определить тип подключенного пробника, установить нужное значение входного импеданса, коэффициента ослабления и диапазона смещения, а при необходимости — обеспечить питание пробника.

Рис. 4. Интеллектуальный интерфейс

Рассуждения по поводу полосы пропускания

Более широкая полоса пропускания является реальным преимуществом активных пробников. Зачастую пользователи не обращают внимания на влияние эффекта подключения пробника к точке измерения, который условно можно назвать «полосой пропускания при подключении». И если в характеристиках конкретного активного пробника приводится высокое значение полосы пропускания, то, скорее всего, оно соответствует идеальным (или близким к идеальным) условиям измерений. В реальных условиях, с учетом возможности подключения к наконечнику пробника различных аксессуаров, характеристики пробника могут быть значительно хуже паспортных показателей. На производительность активного пробника в реальных условиях влияет главным образом «система подключения». Паразитные элементы, расположенные слева от точки VAtn на рис. 5, являются основными факторами, воздействующими на характеристики активных пробников в реальных условиях работы высокочастотных приложений.

Рис. 5. Паразитные элементы

При использовании наконечника и провода заземления длиной 2 см несимметричный активный пробник Agilent N2796A позволяет получить полосу пропускания 2 ГГц. Такие настройки обеспечивают наиболее благоприятные условия измерений, в результате чего фактическая полоса пропускания равна паспортной величине 2 ГГц. Если снять наконечник и провод заземления и заменить их двухпроводным адаптером длиной 10 см, полоса пропускания пробника снизится до 1 ГГц. Подключение к проводам адаптера дополнительных зажимов приведет к дальнейшему уменьшению полосы пропускания до 500 МГц. Таким образом, для обеспечения более высокой производительности пробника требуется использовать более короткие входные проводники (рис. 6).

Рис. 6. Различные входные проводники

Эффект нагрузки пробника

Несколько слов о входном импедансе пробника. Многие пользователи полагают, что входной импеданс пробника есть величина постоянная. Часто можно услышать, что значение входного импеданса составляет, например, 1 кОм, 1 МОм или даже 10 МОм, но эта величина меняется в зависимости от частоты: с увеличением частоты она быстро уменьшается.

При постоянном токе и в диапазоне низких частот входной импеданс пробника равен приведенной в спецификации на устройство величине, например 10 МОм для пассивного пробника 10:1. По мере увеличения частоты входная емкость пробника уменьшается и, соответственно, падает импеданс пробника. Чем выше входная емкость, тем быстрее снижается импеданс.

На рис. 7 приведено сравнение характеристик пассивного пробника с полосой 500 МГц и активного пробника с полосой 2 ГГц. Видно, что на частоте примерно 10 кГц (точка пересечения графиков) и более входной импеданс активного пробника выше, чем у пассивного. Пробник с более высоким входным импедансом обеспечивает меньшую нагрузку на исследуемый сигнал. Низкая нагрузка, в свою очередь, оказывает меньшее воздействие на тестируемую схему и меньше искажает сигнал.

Рис. 7. Сравнение характеристик пассивного пробника с полосой 500 МГц и активного пробника с полосой 2 ГГц

На частоте 70 МГц входной импеданс пассивного пробника составляет примерно 150 Ом, а активного — около 2,5 кОм. Это существенная разница. Если, к примеру, имеется система с внутренним сопротивлением источника 50 или 100 Ом, то пассивный пробник из-за более высокой нагрузки будет оказывать на нее большее воздействие, чем активный.

В этом частотном диапазоне подключение пассивного пробника равносильно включению в схему резистора на 150 Ом. Для некоторых прикладных задач это допустимо, и тогда можно смело использовать пассивный пробник. В других случаях это совершенно неприемлемо, и тогда вместо этого пассивного пробника лучше подобрать пробник с более высоким входным импедансом в диапазоне высоких частот, например активный пробник.

Выводы

При выборе подходящего измерительного прибора для решения той или иной прикладной задачи о пробниках зачастую забывают. Многие пользователи обычно выбирают осциллограф, ориентируясь в первую очередь на ширину полосы пропускания, частоту дискретизации и количество каналов. И только потом они начинают думать о том, как подать сигнал на вход осциллографа. Выбор подходящего пробника для конкретного приложения и правильное его использование является лишь первым шагом к точным и надежным измерениям с помощью осциллографа.

Пассивные пробники — надежное и недорогое решение для большинства задач общего назначения, тогда как для высокочастотных приложений активные пробники обеспечивают более точные измерения быстрых сигналов. И хотя для многих активных пробников в спецификации указана широкая полоса пропускания, следует помнить, что на характеристики активного пробника в реальных условиях существенным образом влияет способ подключения к исследуемой схеме. Пользователям необходимо запомнить простое практическое правило: если требуется обеспечить высокую точность измерений, для подключения пробника нужно использовать как можно более короткие проводники.