Warto zapoznać się jeszcze z tym: Link 1101446 1101453
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 pozwala zmierzyć napięcie w obwodzie,
w którym jeden z punktów testowych połączony jest z masą. Poziom
odniesienia wszystkich kanałów pomiarowych jest najczęściej wspólny
i dodatkowo połączony z obudową
przyrządu oraz zerem ochronnym
sieci zasilającej. Łatwo jednak o tym
zapomnieć. Przyzwyczajenie ugruntowane pomiarem napięć za pomocą multimetru może doprowadzić
do uszkodzenia oscyloskopu lub
mierzonego obwodu, a w najlepszym
wypadku konieczności wymiany
bezpieczników. Klasyczny przykład
stanowi choćby obserwacja przebiegów na końcówkach tranzystora
kluczującego w zasilaczu impulsowym. Pomiar napięć za pomocą
multimetru jest prosty i, jeśli tylko ustawiony jest poprawny zakres,
wynik otrzymujemy natychmiast. Jeśli teraz spróbować powtórzyć pomiar, ale wykorzystując oscyloskop,
to próba dołączenia sondy pomiarowej skończy się najprawdopodobniej
hukiem, dymem i zadziałaniem bezpiecznika. Dlaczego? Multimetr zasilany jest z baterii, a jego przewody pomiarowe dołączamy wyłącznie
do mierzonego obwodu. Tymczasem oscyloskop zasilany jest z sieci energetycznej, a przewód odniesienia masy połączony jest z zerem
ochronnym. Jeśli jeden z punktów,
pomiędzy którymi chcemy zmierzyć
napięcie, jest na wysokim poten-
62
cjale, to dołączenie do niego masy
sondy spowoduje oczywiście zwarcie z zerem ochronnym sieci.
Rozwiązań w tej sytuacji jest kilka. Najszybsze, ale i najbardziej niebezpieczne to przerwanie połączenia
pomiędzy zerem a masą pomiarową.
Pomiar będzie możliwy do przeprowadzenia, ale na masie i obudowie przyrządu pojawi się wysoki potencjał punktu pomiarowego.
Jeśli dysponujemy oscyloskopem
analogowym, to ma on najprawdopodobniej obudowę metalową, której dotknięcie może spowodować
porażenie. Oscyloskopy cyfrowe są
często zamknięte w obudowie plastikowej, 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 transformatora separującego w obwodzie
zasilania przyrządu. Zapewnia on
galwaniczną izolację oscyloskopu od
sieci energetycznej. Dołączenie sondy do badanego punktu jest jednak
w dalszym ciągu niebezpieczne dla
mierzącego.
Wykonywanie pomiarów z przerwanym przewodem zera ochronnego lub przy zasilaniu oscyloskopu
poprzez transformator separujący
ma jeszcze jedną istotna wadę. Kiedy masa pomiarowa jest połączona
z metalowym chassis przyrządu, to
przy jej galwanicznej separacji od
potencjału ziemi powstaje pojemność pomiędzy ziemią a obudową
przyrządu. Jej wartość to najmniej
kilkadziesiąt pF. Ponieważ jest ona
połączona szeregowo z indukcyjnością przewodu sondy, tworzy się
obwód rezonansowy. Dlatego szybkie
skoki napięcia obserwowane będą
Elektronika Praktyczna 6/2007
POMIARY
dzielnikiem i buforem dostępne są także wysokonapięciowejściowym. Większość we sondy różnicowe. Są to sondy
lamp oscyloskopowych aktywne, wymagające dodatkowego
jest jednostrumieniowa, zasilania wbudowanego wzmacniaco oznacza, że w da- cza różnicowego. W porównaniu
nej chwili kreślony jest z opisaną metodą, wykonanie jedprzebieg tylko z jednego nego pomiaru wymaga użycia tylko
kanału. Linia opóźnia- jednego kanału pomiarowego.
Bardzo użytecznym narzędziem
jąca i wzmacniacz końcowy odchylania pio- pomiarowym może okazać się oscynowego łączone są ze loskop z izolowanymi kanałami.
wzmacniaczami poszcze- Masy kanałów pomiarowych tego
typu oscyloskopów są galwanicznie
Rys. 23. Przy braku połączenia oscyloskopu z ze- gólnych kanałów w spoodseparowane od masy i chassis
rem ochronnym na jego obudowie i metalowych sób przełączany lub na
elementach może pojawić się niebezpieczne
s t a ł e . W o m a w i a n y m przyrządu oraz od siebie nawzajem.
przypadku interesuje Stwarza to dodatkowe możliwonapięcie
nas to drugie rozwiąza- ści jednoczesnych pomiarów w obz wyraźnym dzwonieniem na nara- nie (przycisk ADD). Oba kanały są wodach wysokonapięciowych (np.
stającym grzbiecie. Ponadto dołącze- sumowane, ale ponieważ w jednym falowniki, zasilacze impulsowe),
z nich włączone jest odwracanie gdzie poziom odniesienia każdego
nie przewodu odniesienia sondy do
fazy, więc końcowy stopień wzmac- z kanałów może znajdować się na
mierzonego obwodu, równoznaczne
jest z dołączeniem do niego pojem- niacza sterowany będzie różnicą ka- innym, wysokim potencjale. Oscyności rzędu 100 pF do masy. Może
nałów. Jeszcze prościej zrealizować loskopy takie zasilane są bateryjnie
się okazać, że zmienia to mierzony to w oscyloskopie cyfrowym, gdzie
lub z zewnętrznego zasilacza, który
obwód w sposób na tyle istotny, że
różnica kanałów sprowadza się do
nie łączy zera ochronnego z chaspomiar jest praktycznie niemożliwy.
obliczeń na próbkach pobranych
sis oscyloskopu. Gniazda wejścioNiektóre oscyloskopy można za- i zapisanych w pamięci akwizycji. we kanałów pomiarowych są często
silać z akumulatorów, jak choćby Obecnie podstawowe operacje mate- chronione plastikowym kołnierzem
uniemożliwiającym dotknięcie częTektronix TDS3000, jednak wykona- matyczne na przebiegach, jak suma
nie pomiarów w sytuacji konieczno- i różnica przebiegów, są standardo- ści metalowej.
ści dołączenia przewodu odniesie- wym wyposażeniem oscyloskopu
Izolację toru pomiarowego wynia sondy do punktu na wysokim cyfrowego. Słabym punktem takiej konuje się z wykorzystaniem transoptorów lub transformatorów. Wadą
potencjale, nadal obarczone jest metody jest zawężenie pasma oraz
opisanymi wadami. Dlatego razem
nienajlepszy współczynnik tłumienia
transformatora jest brak możliwości
sygnału wspólnego CMRR.
przenoszenia składowej stałej. Z koz zestawem baterii dostarczany jest
przewód do połączenia przyrządu
Warunkiem poprawnego pomiaru lei transoptory pracują w stosunkoróżnicowego wykonywanego w opisa- wo wąskim paśmie i w dodatku niez uziemieniem.
Znacznie bezpieczniejszym roz- ny sposób jest ustalenie identycznej
specjalnie liniowo. Pasmo typowego
wiązaniem jest pomiar różnicowy. skali toru sygnałowego w kanałach
transoptora to pojedyncze MHz.
Jego ideę przedstawiono na rys. 24. pomiarowych oraz zastosowanie ta- Przykładem transoptora o dość szeDo dwóch kanałów dołączone są
kich samych sond. W oscyloskopie rokim paśmie, bo aż 17 MHz jest
sondy. Przewody mas obu sond analogowym, poza skokową zmianą HCNW4562 (dostępny np. w Elfie).
spięte są razem, a do badanego ob- skali osi pionowej mamy do dyspo- Jest to jednak w dalszym ciągu
wodu dołącza się wyłącznie groty
zycji płynną regulację wzmocnienia o wiele poniżej pasma współczesond. Ponieważ masa przyrządu po- w zakresie pomiędzy poszczególnymi snego oscyloskopu. Ze względu na
łączona jest z zerem, zatem w każ- ustawieniami skali. Przy pomiarach nieliniowość transoptory w torach
sygnałowych oscyloskopów posiaróżnicowych daje to możliwość
dym kanale mierzone jest napięcie
w punkcie pomiarowym względem dokładnego wyrówpotencjału ziemi. Następnie oba nania wzmocnienia
przebiegi są odejmowane, a na ekra- torów sygnałowych.
nie obserwujemy jedynie ich różni- Przy połączeniu jak
cę, czyli napięcie pomiędzy grota- n a r y s . 2 4 , g r o t y
mi sond. Masa i metalowe elemen- sond dołączamy do
ty oscyloskopu znajdują się w tym jednego źródła sywypadku na potencjale ziemi, więc gnału (np. prostokątpomiar jest całkowicie bezpieczny nego) i przy ustawiedla obsługi. W oscyloskopie analo- niu takich samych
gowym łatwo taki pomiar zrealizo- skal osi pionowej,
wać, gdyż jeden z kanałów pomia- w jednym z kanałów
rowych, zazwyczaj drugi, ma moż- regulujemy poziom Rys. 24. Wykorzystując dwie sondy można wykonać
liwość włączenia odwracania fazy w z m o c n i e n i a d o różnicowy pomiar napięcia pomiędzy dwoma punksygnału (przycisk INVERT). Najczę- uzyskania na ekranie tami na wysokim potencjale zachowując bezpieściej realizowane jest to zaraz za linii prostej. Obecnie czeństwo obsługi
64
Elektronika Praktyczna 6/2007
POMIARY
skopy Tektronix TPS2000 jako przetwarzana w przetworniku analoelement izolacyjny wykorzy- gowo–cyfrowym na postać cyfrową
stują wyłącznie transformator. i umieszczana w pamięci akwizycji.
Jeszcze innym sposobem izolaPrzenoszenie składowej stałej uzyskano dzięki modulacji cji jest przełączanie mas. W takim
amplitudy. Schemat blokowy wypadku pomiędzy dwoma izolotakiego rozwiązania przedsta- wanymi końcami toru sygnałowego
wia rys. 26. Po obu stronach znajduje się obwód śledząco–próbtransformatora znajdują się kujący. W fazie śledzenia masa tego
mieszacze AD8343 (katalogowe obwodu połączona jest z masą wejpasmo pracy DC…2500 MHz). ściową toru. Po przejściu do fazy
Sygnałem modulowanym jest pamiętania, masa wejściowa jest
przebieg prostokątny o często- odłączana, a układ jest przyłączany
tliwości 242,424 MHz. Często- do masy wyjściowej i zapamiętana
Rys. 25. Izolacja toru sygnałowego powartość napięcia przetwarzana jest
dzielona na dwie ścieżki: dla małej i du- tliwość ta jest czterokrotnym
powieleniem sygnału zegaro- w przetworniku analogowo–cyfrożej częstotliwości. Rozwiązanie stosowane
wego 60,606 MHz wykorzysty- wym. Masy zacisków wejściowych
w oscyloskopach firmy Fluke
wanego przez układ akwizycji. i wyjściowych są odseparowane,
dają jedną diodę LED i dwie foto- Sygnałem modulującym jest sygnał a znajdujący się pomiędzy nimi
mierzony. Po przejściu przez trans- układ próbkujący jest w danym modiody. Jedna fotodioda jest łączona
z obwodem wyjściowym, natomiast formator następuje jego demodulacja mencie połączony tylko z wejściem
druga służy do korekty liniowości w drugim mieszaczu. Za nim znaj- lub wyjściem.
Poza oscyloskopami z izolowaw obwodzie wejściowym. Wpro- duje się dolnoprzepustowy filtr Beswadzenie izolacji w tor sygnałowy sela piątego rzędu o częstotliwości
nymi kanałami produkowane są
oscyloskopu często wymaga za- odcięcia 200 MHz. Jego zadaniem specjalizowane wzmacniacze izolastosowania obu typów elementów jest odfiltrować powstające przy de- cyjne, wykonane jako zewnętrzne
izolujących. Odbywa się to dzięki modulacji wąskie szpilki. Rozwiąza- urządzenia łączone z oscyloskopem.
podziałowi ścieżki sygnałowej na
nie to chronione jest patentem ame- Pozwalają one odizolować kanały
dwa tory: o małej i dużej częstotli- rykańskim z roku 2006, ale bardzo klasycznego oscyloskopu od masy
wości. Pierwszy z nich izolowany
podobna metoda opisana jest też przyrządu oraz od siebie nawzajem.
jest transoptorem, drugi transfor- w patencie o siedem lat wcześniej- Najczęściej stosowanym w nich rozmatorem. Następnie sygnały z obu
szym i stanowiącym własność firmy
wiązaniem jest podział ścieżki sytorów są sumowane. Trudnością
Iwatsu. W oscyloskopach z izolowa- gnałowej na dwie części i izolacja
w realizacji tego pomysłu jest za- nymi wejściami firmy Fluke także
optyczna oraz elektryczna (transoppewnienie płaskiej charakterystyki możemy spotkać podobny sposób tor i transformator). Przykładem taamplitudowej w całym paśmie, przy izolacji toru sygnałowego. Prostokąt- kich urządzeń są wzmacniacze serii
możliwie prostej metodzie strojenia. ny sygnał nośny modulowany jest A6900 firmy Tektronix.
Jeden z wariantów takiego rozwiąza- amplitudowo w układzie mnożącym Andrzej Kamieniecki
nia izolacji toru sygnałowego przed- a następnie podawany na transfor- Tespol
stawiono na rys. 25. Jest to pomysł mator izolujący.
stanowiący własność firmy Fluke. Po wtórnej stronie
Dopasowanie charakterystyk przeno- transformatora nie
szenia obu części toru sygnałowego ma jednak drugiedokonuje się za pomocą rezystora go układu mnożąRG. Podobny sposób izolacji zasto- cego, ale obwód
sowano w oscyloskopach Tektronix śledząco–próbkuTHS700. Inna jest jednak metoda jacy, zapamięturegulacji wypadkowej charaktery- jący wartość amstyki przenoszenia i odbywa się po
plitudy kolejnych
stronie wtórnej.
impulsów nośnej. Rys. 26. Izolacja toru sygnałowego w oscyloskopach
Produkowane obecnie oscylo- Jest ona następnie Tektronix TPS2000
Elektronika Praktyczna 6/2007
65