Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 6.pdf

POMIARY

Pomiary oscyloskopowe:

okiem praktyka, część 6

W tej części artykułu

przedstawiamy zagadnienia

związane z zapewnieniem

bezpieczeństwa pomiarów

w urządzeniach, w różnych

potencjałach odniesienia,

czyli w większości urządzeń

zasilanych z sieci. Zagadnienie

jest istotne nie tylko z powodu

bezpieczeństwa użytkowania

lecz także z powodu wysokich

kosztów napraw serwisowych…

Izolowane kanały

Większość oscyloskopów pozwa-

la zmierzyć napięcie w obwodzie,

w którym jeden z punktów testo-

wych połączony jest z masą. Poziom

odniesienia wszystkich kanałów po-

miarowych jest najczęściej wspólny

i dodatkowo połączony z obudową

przyrządu oraz zerem ochronnym

sieci zasilającej. Łatwo jednak o tym

zapomnieć. Przyzwyczajenie ugrun-

towane pomiarem napięć za pomo-

cą multimetru może doprowadzić

do uszkodzenia oscyloskopu lub

mierzonego obwodu, a w najlepszym

wypadku konieczności wymiany

bezpieczników. Klasyczny przykład

stanowi choćby obserwacja prze-

biegów na końcówkach tranzystora

kluczującego w zasilaczu impulso-

wym. Pomiar napięć za pomocą

multimetru jest prosty i, jeśli tyl-

ko ustawiony jest poprawny zakres,

wynik otrzymujemy natychmiast. Je-

śli teraz spróbować powtórzyć po-

miar, ale wykorzystując oscyloskop,

to próba dołączenia sondy pomiaro-

wej skończy się najprawdopodobniej

hukiem, dymem i zadziałaniem bez-

piecznika. Dlaczego? Multimetr za-

silany jest z baterii, a jego przewo-

dy pomiarowe dołączamy wyłącznie

do mierzonego obwodu. Tymcza-

sem oscyloskop zasilany jest z sie-

ci energetycznej, a przewód odnie-

sienia masy połączony jest z zerem

ochronnym. Jeśli jeden z punktów,

pomiędzy którymi chcemy zmierzyć

napięcie, jest na wysokim poten-

cjale, to dołączenie do niego masy

sondy spowoduje oczywiście zwar-

cie z zerem ochronnym sieci.

Rozwiązań w tej sytuacji jest kil-

ka. Najszybsze, ale i najbardziej nie-

bezpieczne to przerwanie połączenia

pomiędzy zerem a masą pomiarową.

Pomiar będzie możliwy do prze-

prowadzenia, ale na masie i obu-

dowie przyrządu pojawi się wyso-

ki potencjał punktu pomiarowego.

Jeśli dysponujemy oscyloskopem

analogowym, to ma on najprawdo-

podobniej obudowę metalową, któ-

rej dotknięcie może spowodować

porażenie. Oscyloskopy cyfrowe są

często zamknięte w obudowie plasti-

kowej, choć to nie reguła. Niemniej

i wówczas dostępne są metalowe

elementy jak gniazda BNC kanałów

pomiarowych czy masa zacisków do

kompensacji sondy. Na nich może

pojawić się niebezpieczne napięcie.

Inne, równie ryzykowne rozwiąza-

nie stanowi zastosowanie transfor-

matora separującego w obwodzie

zasilania przyrządu. Zapewnia on

galwaniczną izolację oscyloskopu od

sieci energetycznej. Dołączenie son-

dy do badanego punktu jest jednak

w dalszym ciągu niebezpieczne dla

mierzącego.

Wykonywanie pomiarów z prze-

rwanym przewodem zera ochronne-

go lub przy zasilaniu oscyloskopu

poprzez transformator separujący

ma jeszcze jedną istotna wadę. Kie-

dy masa pomiarowa jest połączona

z metalowym chassis przyrządu, to

przy jej galwanicznej separacji od

potencjału ziemi powstaje pojem-

ność pomiędzy ziemią a obudową

przyrządu. Jej wartość to najmniej

kilkadziesiąt pF. Ponieważ jest ona

połączona szeregowo z indukcyjno-

ścią przewodu sondy, tworzy się

obwód rezonansowy. Dlatego szybkie

skoki napięcia obserwowane będą

Elektronika Praktyczna 6/2007

POMIARY

Rys. 23. Przy braku połączenia oscyloskopu z ze-

rem ochronnym na jego obudowie i metalowych

elementach może pojawić się niebezpieczne

napięcie

dzielnikiem i buforem

wejściowym. Większość

lamp oscyloskopowych

jest jednostrumieniowa,

co oznacza, że w da-

nej chwili kreślony jest

przebieg tylko z jednego

kanału. Linia opóźnia-

jąca i wzmacniacz koń-

cowy odchylania pio-

nowego łączone są ze

wzmacniaczami poszcze-

gólnych kanałów w spo-

sób przełączany lub na

stałe. W omawianym

przypadku interesuje

nas to drugie rozwiąza-

nie (przycisk ADD). Oba kanały są

sumowane, ale ponieważ w jednym

z nich włączone jest odwracanie

fazy, więc końcowy stopień wzmac-

niacza sterowany będzie różnicą ka-

nałów. Jeszcze prościej zrealizować

to w oscyloskopie cyfrowym, gdzie

różnica kanałów sprowadza się do

obliczeń na próbkach pobranych

i zapisanych w pamięci akwizycji.

Obecnie podstawowe operacje mate-

matyczne na przebiegach, jak suma

i różnica przebiegów, są standardo-

wym wyposażeniem oscyloskopu

cyfrowego. Słabym punktem takiej

metody jest zawężenie pasma oraz

nienajlepszy współczynnik tłumienia

sygnału wspólnego CMRR.

Warunkiem poprawnego pomiaru

różnicowego wykonywanego w opisa-

ny sposób jest ustalenie identycznej

skali toru sygnałowego w kanałach

pomiarowych oraz zastosowanie ta-

kich samych sond. W oscyloskopie

analogowym, poza skokową zmianą

skali osi pionowej mamy do dyspo-

zycji płynną regulację wzmocnienia

w zakresie pomiędzy poszczególnymi

ustawieniami skali. Przy pomiarach

różnicowych daje to możliwość

dokładnego wyrów-

nania wzmocnienia

torów sygnałowych.

Przy połączeniu jak

na rys. 24 , groty

sond dołączamy do

jednego źródła sy-

gnału (np. prostokąt-

nego) i przy ustawie-

niu takich samych

skal osi pionowej,

w jednym z kanałów

regulujemy poziom

wzmocnienia do

uzyskania na ekranie

linii prostej. Obecnie

dostępne są także wysokonapięcio-

we sondy różnicowe. Są to sondy

aktywne, wymagające dodatkowego

zasilania wbudowanego wzmacnia-

cza różnicowego. W porównaniu

z opisaną metodą, wykonanie jed-

nego pomiaru wymaga użycia tylko

jednego kanału pomiarowego.

Bardzo użytecznym narzędziem

pomiarowym może okazać się oscy-

loskop z izolowanymi kanałami.

Masy kanałów pomiarowych tego

typu oscyloskopów są galwanicznie

odseparowane od masy i chassis

przyrządu oraz od siebie nawzajem.

Stwarza to dodatkowe możliwo-

ści jednoczesnych pomiarów w ob-

wodach wysokonapięciowych (np.

falowniki, zasilacze impulsowe),

gdzie poziom odniesienia każdego

z kanałów może znajdować się na

innym, wysokim potencjale. Oscy-

loskopy takie zasilane są bateryjnie

lub z zewnętrznego zasilacza, który

nie łączy zera ochronnego z chas-

sis oscyloskopu. Gniazda wejścio-

we kanałów pomiarowych są często

chronione plastikowym kołnierzem

uniemożliwiającym dotknięcie czę-

ści metalowej.

Izolację toru pomiarowego wy-

konuje się z wykorzystaniem trans-

optorów lub transformatorów. Wadą

transformatora jest brak możliwości

przenoszenia składowej stałej. Z ko-

lei transoptory pracują w stosunko-

wo wąskim paśmie i w dodatku nie-

specjalnie liniowo. Pasmo typowego

transoptora to pojedyncze MHz.

Przykładem transoptora o dość sze-

rokim paśmie, bo aż 17 MHz jest

HCNW4562 (dostępny np. w Elﬁe).

Jest to jednak w dalszym ciągu

o wiele poniżej pasma współcze-

snego oscyloskopu. Ze względu na

nieliniowość transoptory w torach

sygnałowych oscyloskopów posia-

z wyraźnym dzwonieniem na nara-

stającym grzbiecie. Ponadto dołącze-

nie przewodu odniesienia sondy do

mierzonego obwodu, równoznaczne

jest z dołączeniem do niego pojem-

ności rzędu 100 pF do masy. Może

się okazać, że zmienia to mierzony

obwód w sposób na tyle istotny, że

pomiar jest praktycznie niemożliwy.

Niektóre oscyloskopy można za-

silać z akumulatorów, jak choćby

Tektronix TDS3000, jednak wykona-

nie pomiarów w sytuacji konieczno-

ści dołączenia przewodu odniesie-

nia sondy do punktu na wysokim

potencjale, nadal obarczone jest

opisanymi wadami. Dlatego razem

z zestawem baterii dostarczany jest

przewód do połączenia przyrządu

z uziemieniem.

Znacznie bezpieczniejszym roz-

wiązaniem jest pomiar różnicowy.

Jego ideę przedstawiono na rys. 24 .

Do dwóch kanałów dołączone są

sondy. Przewody mas obu sond

spięte są razem, a do badanego ob-

wodu dołącza się wyłącznie groty

sond. Ponieważ masa przyrządu po-

łączona jest z zerem, zatem w każ-

dym kanale mierzone jest napięcie

w punkcie pomiarowym względem

potencjału ziemi. Następnie oba

przebiegi są odejmowane, a na ekra-

nie obserwujemy jedynie ich różni-

cę, czyli napięcie pomiędzy grota-

mi sond. Masa i metalowe elemen-

ty oscyloskopu znajdują się w tym

wypadku na potencjale ziemi, więc

pomiar jest całkowicie bezpieczny

dla obsługi. W oscyloskopie analo-

gowym łatwo taki pomiar zrealizo-

wać, gdyż jeden z kanałów pomia-

rowych, zazwyczaj drugi, ma moż-

liwość włączenia odwracania fazy

sygnału (przycisk INVERT). Najczę-

ściej realizowane jest to zaraz za

Rys. 24. Wykorzystując dwie sondy można wykonać

różnicowy pomiar napięcia pomiędzy dwoma punk-

tami na wysokim potencjale zachowując bezpie-

czeństwo obsługi

Elektronika Praktyczna 6/2007

POMIARY

Rys. 25. Izolacja toru sygnałowego po-

dzielona na dwie ścieżki: dla małej i du-

żej częstotliwości. Rozwiązanie stosowane

w oscyloskopach firmy Fluke

skopy Tektronix TPS2000 jako

element izolacyjny wykorzy-

stują wyłącznie transformator.

Przenoszenie składowej sta-

łej uzyskano dzięki modulacji

amplitudy. Schemat blokowy

takiego rozwiązania przedsta-

wia rys. 26 . Po obu stronach

transformatora znajdują się

mieszacze AD8343 (katalogowe

pasmo pracy DC…2500 MHz).

Sygnałem modulowanym jest

przebieg prostokątny o często-

tliwości 242,424 MHz. Często-

tliwość ta jest czterokrotnym

powieleniem sygnału zegaro-

wego 60,606 MHz wykorzysty-

wanego przez układ akwizycji.

Sygnałem modulującym jest sygnał

mierzony. Po przejściu przez trans-

formator następuje jego demodulacja

w drugim mieszaczu. Za nim znaj-

duje się dolnoprzepustowy ﬁltr Bes-

sela piątego rzędu o częstotliwości

odcięcia 200 MHz. Jego zadaniem

jest odﬁltrować powstające przy de-

modulacji wąskie szpilki. Rozwiąza-

nie to chronione jest patentem ame-

rykańskim z roku 2006, ale bardzo

podobna metoda opisana jest też

w patencie o siedem lat wcześniej-

szym i stanowiącym własność ﬁrmy

Iwatsu. W oscyloskopach z izolowa-

nymi wejściami ﬁrmy Fluke także

możemy spotkać podobny sposób

izolacji toru sygnałowego. Prostokąt-

ny sygnał nośny modulowany jest

amplitudowo w układzie mnożącym

a następnie podawany na transfor-

mator izolujący.

Po wtórnej stronie

transformatora nie

ma jednak drugie-

go układu mnożą-

cego, ale obwód

śledząco–próbku-

jacy, zapamiętu-

jący wartość am-

plitudy kolejnych

impulsów nośnej.

Jest ona następnie

przetwarzana w przetworniku analo-

gowo–cyfrowym na postać cyfrową

i umieszczana w pamięci akwizycji.

Jeszcze innym sposobem izola-

cji jest przełączanie mas. W takim

wypadku pomiędzy dwoma izolo-

wanymi końcami toru sygnałowego

znajduje się obwód śledząco–prób-

kujący. W fazie śledzenia masa tego

obwodu połączona jest z masą wej-

ściową toru. Po przejściu do fazy

pamiętania, masa wejściowa jest

odłączana, a układ jest przyłączany

do masy wyjściowej i zapamiętana

wartość napięcia przetwarzana jest

w przetworniku analogowo–cyfro-

wym. Masy zacisków wejściowych

i wyjściowych są odseparowane,

a znajdujący się pomiędzy nimi

układ próbkujący jest w danym mo-

mencie połączony tylko z wejściem

lub wyjściem.

Poza oscyloskopami z izolowa-

nymi kanałami produkowane są

specjalizowane wzmacniacze izola-

cyjne, wykonane jako zewnętrzne

urządzenia łączone z oscyloskopem.

Pozwalają one odizolować kanały

klasycznego oscyloskopu od masy

przyrządu oraz od siebie nawzajem.

Najczęściej stosowanym w nich roz-

wiązaniem jest podział ścieżki sy-

gnałowej na dwie części i izolacja

optyczna oraz elektryczna (transop-

tor i transformator). Przykładem ta-

kich urządzeń są wzmacniacze serii

A6900 ﬁrmy Tektronix.

Andrzej Kamieniecki

Tespol

dają jedną diodę LED i dwie foto-

diody. Jedna fotodioda jest łączona

z obwodem wyjściowym, natomiast

druga służy do korekty liniowości

w obwodzie wejściowym. Wpro-

wadzenie izolacji w tor sygnałowy

oscyloskopu często wymaga za-

stosowania obu typów elementów

izolujących. Odbywa się to dzięki

podziałowi ścieżki sygnałowej na

dwa tory: o małej i dużej częstotli-

wości. Pierwszy z nich izolowany

jest transoptorem, drugi transfor-

matorem. Następnie sygnały z obu

torów są sumowane. Trudnością

w realizacji tego pomysłu jest za-

pewnienie płaskiej charakterystyki

amplitudowej w całym paśmie, przy

możliwie prostej metodzie strojenia.

Jeden z wariantów takiego rozwiąza-

nia izolacji toru sygnałowego przed-

stawiono na rys. 25 . Jest to pomysł

stanowiący własność ﬁrmy Fluke.

Dopasowanie charakterystyk przeno-

szenia obu części toru sygnałowego

dokonuje się za pomocą rezystora

R G . Podobny sposób izolacji zasto-

sowano w oscyloskopach Tektronix

THS700. Inna jest jednak metoda

regulacji wypadkowej charaktery-

styki przenoszenia i odbywa się po

stronie wtórnej.

Produkowane obecnie oscylo-

Rys. 26. Izolacja toru sygnałowego w oscyloskopach

Tektronix TPS2000

Elektronika Praktyczna 6/2007

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: