A země budiž lehká...

Se zemí to vůbec není jednoduché. Již zbožné přání o lehkosti země nemusí z principu odpovídat mnoha metrákům hlíny navrácené zpět do vykopaného hrobu. Těžce se země vyrovnává i se všudypřítomnými důsledky globálního oteplování. Ještě že nám alespoň ty naše poctivé elektrické země dopřávají dostatečné množství blahodárného klidu a míru. Nebo snad ne?

Úvodní díl našeho zamyšlení nad správným využitím osciloskopických sond pojednával o

rozdílech mezi pasivními a aktivními sondami
zatěžování druhou sondou
vlastní kompenzaci

zatímco předchozí článek zaměřil svou pozornost na

měření malých proudů sužovaných všudypřítomným šumem
potlačení nežádoucích vazeb

Pojednání o smysluplném využití sond nyní završíme

měřením plovoucích signálů
potlačením souhlasného rušení
tlumením rezonancí

6) Jak vyzrát na plovoucí signály

Plovoucí měření, při kterých nemůžeme žádné z připojených míst ztotožnit se zemním potenciálem, patří k dalším z mnoha modelových nástrah, kterými elektronika zkouší naší bezmeznou trpělivost. Typickým příkladem může být měření napěťového úbytku lineárního stabilizátoru mezi jeho vstupem a výstupem, při kterém zem jaksi vylučujeme ze hry.

Každé měření zkrátka a jednoduše nelze vztáhnout k potenciálu země

Veškerá měření se ve své podstatě musí nějakým způsobem vyhodnocovat. Připojíme-li tedy zem osciloskopické sondy k plovoucímu napětí, zákonitě takové místo stahujeme směrem k nulovému potenciálu, což se zpravidla nemusí obejít bez přítomnosti špiček nebo dokonce selhání funkce celého systému. Co s tím tedy uděláme, když napájení osciloskopu ze záložního, galvanicky odděleného zdroje není zrovna tím nejšťastnějším řešením?

Jednou z logicky nabízených možností jak vyřešit nástrahy plovoucího měření se stává měření pomocí dvou sond, které následně v osciloskopu vyhodnotíme zabudovanou matematickou funkcí „A – B“. Většina digitálních osciloskopů nabízí odečítací mód, ve kterém můžeme zobrazit rozdíl mezi dvěma vstupními kanály, přičemž obě země zůstávají na svém přirozeném místě. Abychom však dosáhli slušných výsledků, nesmíme před samotným měřením zapomenout na vlastní kompenzaci každé z použitých sond včetně jejich náležitého přizpůsobení. Činitel potlačení souhlasného signálu výše popsané metody však může být i tak omezen na méně než 20 dB (10:1). V praxi to pak zcela jistě vytvoří poměrně zásadní problém, zejména pokud každá ze sond vykáže vysoký souhlasný signál ve srovnání s mnohem menším zkoumaným rozdílovým napětím. V případě pochybností bohatě postačí vyživovat obě sondy ze stejného zdroje signálu a pečlivě si následně prohlédnout výsledek zobrazeného rozdílu „A – B“.

Přestože připojíme na vstupy dvou osciloskopických sond jeden a tentýž společný signál, můžeme být výpočtem vzájemného rozdílu „A – B“ nemile překvapeni!

Poněkud odlišných výsledků však můžeme na osciloskopu dosáhnout s pomocí vysokonapěťových rozdílových sond typu Agilent N2772A, zajišťujících výrazně přesnější plovoucí měření. Díky zabudovanému nefalšovanému (true) diferenciálnímu zesilovači bude N2772A měřit rozdílová napětí až do 1200 V (DC + AC špička) s činitelem potlačení CMRR 50 dB na kmitočtu 1 MHz, resp. 80 dB pro 60 Hz. Pokud tedy chceme měřit plovoucí signály bezpečně a zároveň přesně, nezbývá než se poohlédnout po rozdílové sondě s přiměřeným dynamickým rozsahem včetně šířky pásma šité na míru konkrétní zkoumané aplikaci.

20 MHz rozdílová sonda Agilent N2772A

7) Potlačení souhlasného rušení

Skutečnost, že nedostatečné potlačení souhlasných signálů může výrazně ovlivnit kvalitu celkového měření, nemusíme zvláště zdůrazňovat. Ať již používáme běžné sondy typu single-ended nebo rovnou jejich rozdílové protějšky, vždy se vyplatí společně připojit oba konce na zem testovaného obvodu a zkontrolovat, zda se nezjeví nějaký nežádoucí rušivý signál.

Kontrola potlačení souhlasného rušení, při které připojujeme oba konce sondy na zem testovaného obvodu a zkoumáme, jestli se neobjeví nový signál

Přítomnost nového průběhu přitom může velmi názorně demonstrovat nedostatečné potlačení souhlasných rušivých proudů z nejrůznějších možných i nemožných, vnitřních či vnějších zdrojů, které se budou tak rády šířit ze společné země testovaného zařízení přes zem použité sondy a stínění jejího přívodního kabelu. Rušení silových vodičů, EMI nebo ESD nám v tomto ohledu rozhodně nebude dopřávat poklidného měření.

Aktivní rozdílové sondy nabízí výrazně větší činitel potlačení souhlasného signálu CMRR, čímž s elegantní noblesou „zatočí“ s rušivými souhlasnými proudy

Běžně používané sondy se zemním krokodýlkem mohou celou situaci dále vyhrotit použitou délkou zemního přívodu, která nemusí zrovna patřit k těm nejkratším. A vůbec, právě popsané sondy zpravidla trpí nedostatečným potlačením souhlasného rušení, zatímco aktivní varianta využívající rozdílového měření zajistí výrazně větší činitel potlačení CMRR, který běžně dosahuje úrovní okolo 80 dB (10 000:1).

8) Utlumte rezonance

Smysluplnost použití kterékoli sondy bývá silně ovlivněna způsobem jejího připojení k měřenému bodu. Strmý nárůst používaných rychlostí tak již od okamžiku připojení osciloskopické sondy doprovází různé nežádoucí jevy, např. v podobě většího počtu překmitů. Opravdu se není čemu divit, když připojenou sondou vytváříme krásné rezonanční obvody, jejichž parametry definuje i samotný měřicí přístroj. Pokud navíc rezonance vznikají uvnitř kmitočtové šířky pásma použité sondy, může být obtížnější určit, zda vznikajícím problémům vévodí měřený obvod nebo naše osciloskopická výbava.

Rezonance způsobené připojením osciloskopické sondy můžeme potlačit

Obtížně dostupná tu a tam bývají nejen srdce našich milovaných protějšků, ale také některá měřená místa v bludištích a temných zákoutích plošných spojů. Pokud si již musíme vypomoci kouskem drátu připojeným ke špičce sondy, zapojme ještě na samotný konec rezistor, kterým se pokusíme utlumit rezonance na takto vzniklém přípravku.

Připojený rezistor utlumí nežádoucí rezonance

U běžně používaných sond typu single – ended umístíme odpor pouze do signálové cesty, zatímco zemní přívod budeme udržovat tak krátký, jak to jen bude možné. V případě rozdílových sond pak tlumíme oba konce, přičemž ani zde zbytečně neprodlužujeme délku použitých přívodů.

Náležitě tlumený vstup vhodně ovlivňuje impedanci sondy

Hodnotu rezistoru přitom experimentálně určíme např. pomocí odezvy na známý skokový signál, ke kterému následně připojíme sondu vylepšenou zakončovacím rezistorem. Bude-li jeho hodnota zvolena správně, nebude se naměřený průběh, navzdory zásahům do kmitočtové charakteristiky, výrazněji odlišovat od známé odezvy. Budeme-li přesto pozorovat nepřiměřené zákmity, nezbývá než dále navyšovat velikost odporu.

Příklad osciloskopické sondy s vestavěným odporovým tlumením nežádoucích rezonancí

Ve skutečnosti však nemusí jít pouze o experimentální bastlení. Ucelená řada sond Agilent Technologies 1156A / 1157A / 1158A a InfiniiMax 1130A dává tušit, že nežádoucím rezonancím již odzvonilo i na profesionální úrovni!

Aktivní sondy Agilent 1156A / 1157A / 1158A nabízí spolu se svým příslušenstvím frekvenční rozsah až do 4 GHz

Provedení sondy Agilent 1130A InfiniiMax

Některé ze způsobů, jak pomocí rezistorů potlačit nežádoucí rezonance

Závěr:

Série tří článků na věčné téma osciloskopických sond se pokusila v osmi krocích poodhalit možné nástrahy a nabídnout jejich přijatelná řešení. Věřím, že uvedené poznatky z praxe budou přínosné a to nejen v případech, kdy už zoufale nevíme jak dál.

P	Ú	S	Č	P	S	N
1	2	3	4	5	6	7
8	9	10	11	12	13	14
15	16	17	18	19	20	21
22	23	24	25	26	27	28
29	30

Rubriky HW.cz 2012

Jste zde