Oscilloscoop probes
Oscilloscoop probes bestaan er in vele soorten met verschillende toepassingsgebieden. Zij zorgen voor de zeer belangrijke koppeling tussen het te meten object en de oscilloscoop.
Passieve probes
Passieve probes zijn de meest gebruikte probes voor de oscilloscoop. Maar al te vaak worden probes als ideaal beschouwd, echter, niets is minder waar. Meestal wordt de ingangsweerstand nog wel in rekening gebracht, maar men vergeet dat de ingangscapaciteit een grote rol speelt bij hoge frequenties. Bij nog hogere frequenties gaat ook de lengte van de "sprunghook" en "groundlead" een rol spelen. Deze is terug te zien als een zelfinductie in serie met de probe.
Bandbreedte
Vaak zijn passieve probes voorzien van een omschakelbare verzwakker, bijvoorbeeld omschakelbaar tussen een verzwakking van 1:1 en 1:10. Het is belangrijk zich te realiseren dat de opgegeven bandbreedte van de probe alleen geldt voor de 1:10 verzwakkerstand. Niet alleen de bandbreedte, maar ook de fasefout is in de 1:1 stand een stuk ongunstiger.
In de figuren 2 & 3 zijn de resultaten te zien van een meting aan een omschakelbare 60 MHz probe in de 1:1 en 1:10 stand. Deze meting is tot stand gekomen door een vergelijking met een 500 MHz 1:10 probe en een 500 MHz oscilloscoop. Zowel de geteste 60 MHz als de 500 MHz referentie probe hadden dezelfde kabellengte.
De relatieve verzwakking is weergegeven in figuur 2. De bandbreedte wordt meestal opgegeven bij de ±3 dB grens. Te zien is dat de probe in de 1:10 stand het +3 dB niveau bij 60 MHz bereikt zoals gespecificeerd. In de 1:1 verzwakkerstand wordt het -3 dB niveau al bij 20 MHz overschreden, een stuk lager dan de opgegeven 60 MHz.
Ook de faseverschuiving (figuur 3) geeft een opmerkelijk beeld. In de 1:10 verzwakkerstand is deze relatief vlak met een maximale fout van -7° binnen het gebied van DC tot 60 MHz.
In de 1:1 stand begint de fasefout vanaf ongeveer 1 MHz op te lopen om al bij 10 MHz een faseverschuiving te tonen van 20° en bij 60 MHz is dit opgelopen tot maar liefst 90°.
Wil men een fasevergelijking doen tussen bijvoorbeeld een 10 en 20 MHz signaal met de probe in de 1:1 stand, dan is de door de probe geïntroduceerde fout al zo'n 20°.
Impedantie
Een oscilloscoop probe zal het meetobject altijd in meer of mindere mate belasten. Hoe groot deze belasting is hangt af van de gebruikte probe en de frequentie van het signaal. In figuur 4 is de impedantie van diverse probes uitgezet tegen de frequentie. Het gaat hier om een berekende impedantie van een 1:1 probe (rood) met een inwendige weerstand van 1 MΩ en een parallelcapaciteit van 45 pF. De blauwe lijn is de impedantiekarakteristiek van een 1:10 probe met een weerstand van 10 MΩ en 12 pF parallel.
Van beide probes is de impedantie in het gebied van DC tot ca. 1 kHz ongeveer gelijk aan de ohmse weerstand van de probe. Boven de 10 kHz is de reactantie van de parallel capaciteit bepalend. De belasting die een probe vormt op het meetobject neemt sterk toe naarmate de frequentie hoger wordt.
Bij 1 MHz is de impedantie al gedaald tot ca. 3,5 kΩ voor de 1:1 probe en ca. 13 kΩ voor de 1:10 probe.
Een 1:10 probe heeft behalve een hogere ohmse inwendige weerstand ook een kleinere ingangscapaciteit. Hierdoor is bij hoge frequenties ook de impedantie een stuk gunstiger.
In figuur 4 is ook nog de impedantiekarakteristiek van de oscilloscoop ingang weergegeven bij 50 Ω, de parallelcapaciteit is 8 pF. Voor breedbandige en hoogfrequent metingen is dit een gunstige instelling. De impedantie is van DC tot ca. 100 MHz is over dit hele gebied constant.
Deze impedantie afname vs. de frequentie heeft ook gevolgen voor de maximaal toelaatbare spanning bij hogere frequenties. Als gevolg van de impedantieafname zal immers de stroom toenemen, wat weer gevolgen heeft voor het gedissipeerde vermogen.
Vergelijking probes en accessoires
Probes en de soort accessoires hebben een grote invloed op het meetresultaat. Hieronder een aantal voorbeelden van de gebruikte probesoort en de gemeten resultaten.
De schakeling waaraan gemeten is bestaat uit een 74F04 die een 700 kHz blokgolf conditioneert afkomstig van een functiegenerator.
Bij elke testopstelling is een scoopafdruk geplaatst. Het bovenste spoor laat telkens een volledige periode zien, en het onderste spoor een detail van de opgaande flank.
Probes met sprunghook en groundlead
In het eerste voorbeeld zijn standaard 1:10 500 MHz probes toegepast. De meetkop is voorzien van een "sprunghook" met een 11 cm lang "groundlead" waarmee deze verbonden is met de testschakeling.
Duidelijk is hier een overshoot te zien gevolgd door een gedempte oscillatie. Dit wordt veroorzaakt door de zelfinductie van de "groundlead" en "sprunghook" in combinatie met de ingangscapaciteit.
Probes met bajonetstyle grondlead
Betere probes worden geleverd met een bajonetstyle groundlead die op de meetkop gemonteerd kan worden. De groundverbinding is hier slechts een kort pinnetje. Hier is dezelfde 1:10 500 MHz probe toegepast als hierboven.
Nog steeds is een overschoot te zien, maar deze is een stuk kleiner dan in het voorbeeld hierboven. Ook de ringing is nagenoeg verdwenen.
Ook bij probes moeten de verbindingen zo kort mogelijk zijn als gemeten wordt aan signalen waar hogere harmonischen voorkomen.
Standaard meetsnoeren
Gewone meetsnoeren zijn ongeschikt voor oscilloscoop metingen. Als voorbeeld een opstelling met meetsnoeren van één meter voorzien van banaanstekers. Deze zijn met een BNC=>banaan adapter aangesloten op de oscilloscoop. Met krokodilklemmen aan het andere eind van de meetsnoeren is verbinding gemaakt met de testschakeling.
Het meetresultaat is een rommeltje. Door de lange meetsnoeren en dus relatief grote zelfinductie in combinatie met de ingangscapaciteit van de oscilloscoop ontstaan extra oscillaties. Alleen laagfrequent signalen waar hogere harmonischen ontbreken zouden eventueel met standaard snoeren gemeten kunnen worden.
Differentiaal probes
Een normale probe meet de spanning ten opzichte van de ground. Bij meerdere probes waarvan de groundlead op verschillende punten aan de massa zijn verbonden ontstaan er aardlussen. Deze kunnen de meting ernstig verstoren en zal leiden tot foutieve meetresultaten. Dit kan worden voorkomen met een differentiaalprobe. Dit type probe meet de verschilspanning tussen de twee aansluitingen van de probe.
Sommige typen differentiaalprobes zijn speciaal gemaakt om te meten aan hoge spanningen. Het komt vaak voor dat bij het meten aan onder netspanning staande delen gebruik wordt gemaakt van standaard probes. Om sluiting tussen de netspanning en ground van de oscilloscoop te vermijden wordt dan de oscilloscoop aardeaansluiting verbroken. Dit levert zeer gevaarlijke situaties op. De hele oscilloscoop staat zo onder netspanning. Ook zijn standaard passieve probes niet berekend op deze hoge spanningen. Met een high-voltage differentiaalprobe kan zonder gevaar aan netspanning gemeten worden en de scoop kan toch geaard blijven.
Stroom probes
Stromen kunnen gemeten worden door de spanningsval over een bekende weerstand te meten. Een groot nadeel hiervan is dat de stroomkring onderbroken moet worden om de weerstand toe te voegen en dat de relatief hoge weerstand de meting te veel kan beïnvloeden. Ook bestaat er op deze manier een galvanische koppeling die vaak ongewenst is. Dit kan problemen veroorzaken bij hoge spanningen en men is beperkt wat betreft de plaats waar de stroom gemeten kan worden.
Stromen kunnen echter ook gemeten worden met een stroomprobe, ook wel stroomtang geheten. Deze kennen de bovenstaande nadelen niet, of in veel mindere mate. Een stroomprobe wordt eenvoudig om de geleider geklemd en aangesloten op de oscilloscoop.
Stroomprobes zijn grofweg in twee types in te delen: AC- en DC stroomtangen.
De AC stroomtang is niet veel meer dan een transformator waar de geleider die de te meten stroom voert de ene wikkeling is, en de tweede wikkeling om de kern is aangebracht en wordt aangesloten op de oscilloscoop. Dit is dus een passieve probe.
De DC-stroomprobe is een actieve probe. Ook hier is de stroomvoerende geleider door de kern gestoken en vormt de primaire wikkeling. De secundaire wikkeling is een compensatiewikkeling. In de kern is een luchtspleet aangebracht waarin een sensor steekt die de magnetische flux in de kern meet. De stroomvoerende draad magnetiseert de kern. Dit wordt gemeten en hiermee wordt de compensatiewikkeling zodanig aangestuurd dat de magnetische flux in de kern nul wordt gehouden. De kern wordt dus nooit gemagnetiseerd. Het voordeel hiervan is dat de niet lineaire eigenschappen en hysterese van zowel de kern als de magnetische sensor weinig invloed hebben op het meetresultaat.
De stroomprobe bevat behalve de meetelektronica ook nog een degauss inrichting. Hiermee wordt vooraf de kern gedemagnetiseerd.
Tips
Als de te meten stroom klein is in vergelijking met het meetbereik kan de gevoeligheid vergroot worden. De draad waar de te meten stroom door loopt kan dan meerdere malen door de stroomprobe gelegd worden. De gevoeligheid wordt evenredig vergroot met het aantal maal dat de draad door de probe loopt.
Hou er rekening mee dat door het vergroten van de gevoeligheid op de beschreven manier de bandbreedte verkleint wordt.
Stromen kunnen worden opgeteld door de draden waarvan men de gezamenlijke stroom wil weten, allen in de stroomprobe te leggen. Let hierbij goed op de stroomrichting in elk van de draden.
Op dezelfde manier kan ook een differentiaalmeting verricht worden. De twee draden moeten dat met tegengestelde hoofdstroom in de probe gelegd worden.
Looptijd probes & kabels
Signalen worden niet oneindig snel door kabels getransporteerd. De snelheid waarmee dit geschied is afhankelijk van de soort, maar vooral van de lengte van de kabel. Als exact dezelfde kabels of probes worden gebruikt is er niets aan de hand. Worden echter verschillende kabels gebruikt dan zullen signalen niet op hetzelfde moment bij de oscilloscoop aankomen. Door dit tijdverschil worden faseverschillen waargenomen die er niet zijn. Deze faseverschillen worden merkbaar bij hogere frequenties.
Ook signalen die verwerkt worden door elektronica in differentiaal- en stroomprobes ondergaan een zeker vertraging.
De afbeelding hierboven laat het verschil in vertraging zien tussen twee verschillende kabels aangesloten op dezelfde spanningsbron. Kanaal 1 mat het signaal via een 500 MHz passieve probe met een kabellengte van 1,2 m. Kanaal 2 mat hetzelfde signaal via een 0,5 m RG58 kabel afgesloten met 50 Ω.
Het verschil in looptijd tussen deze twee kabels bedraagt 2,8 ns. Bij dit signaal van 20 MHz is de faseverschuiving tdelay*frequentie*360º = 2,8*10-9*20*106*360º = 20,16°.
Het is dus van belang om of dezelfde kabels te gebruiken voor een meting, of om de looptijden van de gebruikte kabels en/of probes in rekening te brengen.