Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 6.pdf
(
1099 KB
)
Pobierz
062-065_tespol_cz6.indd
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
62
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
64
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
65
Plik z chomika:
Mdrone
Inne pliki z tego folderu:
Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 1.pdf
(2336 KB)
Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 2.pdf
(3835 KB)
Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 3.pdf
(573 KB)
Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 4.pdf
(539 KB)
Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 5.pdf
(1772 KB)
Inne foldery tego chomika:
Arduino
Automatyka
Baza układów scalonych
Elektronika audio
Elektronika samochodowa
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin