Miernictwo
M
i
e
r
n
i
c
t
w
o
Oscyloskop  najważniejszy
przyrząd pomiarowy
w pracowni elektronika
W poprzednim odcinku omówione były podsta-
1
Xc =
wowe właściwości sond oscyloskopu.
CZ
ŚĆ 9
2ĄfC
Niektóre zagadnienia zawarte w niniejszym od-
cinku przeznaczone są dla nieco bardziej zaawan- Zdziwienie może budzić druga linia. Przedstawia
sowanych, dotyczą bowiem zagadnień, których ona przebieg rezystancji wejściowej sondy w funk-
zrozumienie wymaga pewnego przygotowania cji częstotliwości. Dlaczego ta rezystancja nie jest
i wiedzy. Nikomu jednak nie sprawi trudności przy- stała (1M&!)? Czy to nie jest pomyłka?
swojenie sobie wniosków, wynikających z przepro- Nie! Rezystancja wejściowa sondy (a także re-
wadzonej analizy . zystancja wejściowa samego oscyloskopu, wyno-
sząca 1M&! dla prądu stałego) rzeczywiście zmniej-
Parametry sondy oscyloskopowej sza się ze wzrostem częstotliwości. Ściślej biorąc,
W poprzednim odcinku wyjaśniono w ogólnym chodzi o straty w dielektryku  ze wzrostem częstot-
zarysie, jak duże znaczenie ma zrozumienie para- liwości coraz większa ilość energii  obecnej w prze-
metrów sondy oscyloskopu, zwłaszcza kwestii po- wodzie zamienia się na ciepło. Inaczej mówiąc,
jemności wejściowej. przy większych częstotliwościach z obwodu bada-
Przyjrzyjmy się bliżej tej sprawie. nego pobierana jest pewna energia, która zamienia
r
y
s
u
n
k
u
3
3
Na rysunku 33 przedstawiono parametry katalo- się na ciepło. Te straty są równoznaczne ze zmniej-
gowe pewnej sondy 1:1, a konkretnie przebieg re- szaniem się rezystancji wejściowej sondy i słusznie
zystancji i reaktancji wejściowej. Taka sonda traktujemy je jako zmniejszanie się rezystancji.
Na marginesie trzeba dodać, że w przypadku re-
aktancji pojemnościowej nie mówimy o stratach 
choć przez reaktancję tę płynie prąd, nie występują
tam straty mocy (czynnej). Choć w przypadku prze-
pływu prądu przez reaktancję możemy jedynie mó-
wić o magazynowaniu energii i przesunięciu fazy
między prądem a napięciem, a nie o stratach mocy,
tym niemniej wpływ dołączenia tej pojemności do
badanego układu niewątpliwie jest negatywny.
W każdym razie rysunek 33 udowadnia, iż stra-
ty te są na tyle znaczne, że taka prosta sonda 1:1
zupełnie nie nadaje się do pracy przy częstotliwoś-
ciach większych niż 10...20MHz.
Rysunek 34 pokazuje przebieg rezystancji i reak-
R
y
s
u
n
e
k
3
4
tancji jakiejś sondy o tłumieniu 1:10. Tym razem,
Rys. 33. Charakterystyki sondy 1:1
w rzeczywistości jest po prostu odcinkiem kabla
współosiowego, zakończonym z jednej strony
zgrabnym chwytakiem, a z drugiej wtykiem BNC.
Mniej więcej takie parametry ma też metrowy od-
cinek kabla współosiowego  takiej prymitywnej
 sondy dość często używa się w praktyce. Dlate-
go warto przeanalizować ten wykres. Jedna z linii
(prosta) określa przebieg reaktancji, czyli oporności
pojemnościowej. Tu sprawa jest jasna  ze wzros-
tem częstotliwości jednostajnie zmniejsza się reak-
Rys. 34. Charakterystyki sondy 1:10
tancja, zgodnie ze wzorem
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97 33
Miernictwo
M
i
e
r
n
i
c
t
w
o
dzięki zastosowaniu  sztuczki z dzielnikiem, pojem- czemu uzyskuje się małą pojemność wejściową.
ność wejściowa i reaktancja pojemnościowa jest Dla wyeliminowania wpływu kabli, element czynny,
mniejsza; mniejszy jest też wpływ strat rezystancyj- tranzystor, umieszcza
Fot. 1. Sonda czynna 1GHz (1M&! 1pF)
nych w dielektryku. W sumie sonda o takich para- się w końcówce son-
metrach jest użyteczna w znacznie szerszym paśmie dy. Dzięki temu zmi-
częstotliwości, aż do prawie stu megaherców. Oczy- nimalizowany jest
wiście przy tak dużych częstotliwościach wypadko- wpływ jakichkolwiek
wa oporność sondy (wypadkowe połączenie rezys- szkodliwych pojem-
tancji i reaktancji) jest mała, ale mając świadomość, ności montażowych.
jakie dodatkowe obciążenie dla układu stanowi dołą- Obecnie produkuje
czona sonda, można jednak przeprowadzać sensow- się sondy czynne
ne pomiary przy częstotliwościach do 100MHz. o oporności wejścio-
Rysunek 35 pokazuje charakterystyki sondy 1:100. wej 1M&! i pojem-
R
y
s
u
n
e
k
3
5
Jak widać, tym razem użyteczny zakres częstotli- ności 1pF, pracujące
wości przekracza 300MHz. w paśmie do 1GHz.
Taka sonda pokazana
jest na fotografii.
Choć wykonanie
dobrej sondy czynnej
o pojemności wejściowej 1pF jest nie lada zada-
niem, jednak w amatorskiej praktyce warto czasa-
mi zbudować prostą  sondę aktywną w postaci
wtórnika z tranzystorem polowym złączowym 
przyda się w pomiarach urządzeń w.cz.
Oprócz pojedynczych sond aktywnych, znane są
również różnego typu sondy różnicowe. Ten temat
wykracza jednak poza ramy niniejszego artykułu.
Należy jeszcze wspomnieć o sondach prądo-
wych. Jak wskazuje nazwa, służą one do pomiaru
prądu. Sonda prądowa firmy Fluke pokazana jest
na fotografii. Sondy prądowe, w przeciwieństwie
do zwykłego amperomierza, nie wymagają przecię-
cia obwodu wstawienia tam niewielkiego rezysto-
ra, na którym mierzony byłby spadek napięcia. Son-
dy prądowe przypominają cęgi  aby zmierzyć prąd
Fot. 2. Sonda prądowa do oscyloskopu
Rys. 35. Charakterystyki sondy 1:100
Charakterystyki sond pokazane na rysunkach
33...35 dotyczą sond starszej produkcji. Dziś pro-
dukuje się sondy o lepszych parametrach, współ-
pracujące z oscyloskopami o paśmie przenoszenia
sięgającym 500MHz. W artykule celowo przedsta-
wiono wyroby nieco starsze, ponieważ do najnow-
szego sprzętu ma w naszym kraju dostęp niewiel-
kie grono osób, a artykuł ma być przydatny dla sze-
rokiego grona elektroników, którzy zwykle mają
styczność ze sprzętem co najwyżej klasy średniej,
ewentualnie starszym sprzętem wyższej klasy.
Ale ogólne wnioski są jasne:
Dopiero właściwa sonda umożliwia wykorzysta- w przewodzie wystarczy objąć nimi ten przewód.
nie szerokiego pasma oscyloskopu. Niektóre sondy działają na zasadzie transformatora,
Obecnie wiele, jeśli nie większość sond, ma sys- ściślej przekładnika  mogą mierzyć tylko prąd
tem identyfikacji, dzięki któremu oscyloskop  wie zmienny. Inne sondy prądowe wykorzystują czuj-
jakie tłumienie ma dołączona sonda, i może wyświet- nik Halla  hallotron  dzięki czemu mierzą prądy
lać na ekranie aktualne współczynniki odchylania. stałe i zmienne.
W praktyce nie zawsze możliwe jest wykorzys- W starszej literaturze można znalez
ć układy
tanie sondy 1:100, najmniej obciążającej badany przystawek, za pomocą których oscyloskop morze
układ. Przy pomiarach bardzo małych napięć po- mierzyć inne parametry, na przykład pojemność,
trzebna jest sonda o jak najmniejszym tłumieniu. charakterystyki elementów półprzewodnikowych,
Od lat produkuje się więc tak zwane sondy aktyw- itd. Obecnie przystawki takie nie są używane
ne, w przeciwieństwie do sond biernych, wymaga- w praktyce. Jedynym wyjątkiem jest układ do po-
jące z
ródła zasilania. Najczęściej nie tłumią one, ani miaru indukcyjności i maksymalnego prądu pracy
nie wzmacniają sygnału. Zbudowane są zazwyczaj cewek indukcyjnych.
(
r
e
d
)
na specjalnego typu tranzystorach polowych, dzięki (red)
34 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97
Miernictwo
M
i
e
r
n
i
c
t
w
o
Dopasowanie linii i odbicia do badanego układu. Nader często są to grube,
W tym śródtytule zostanie wyjaśnione pewne twarde 50-omowe kable koncentryczne. Używanie
nieporozumienie. takich sztywnych kabli to prawdziwa męczarnia.
W literaturze często spotyka się zalecenie, że Tymczasem, jeśli pomiary dotyczą tylko małych
przy przesyłaniu sygnałów o większych częstotli- częstotliwości, do 20...100kHz, śmiało można za-
wościach należy stosować przewody koncentrycz- stosować krótkie (20cm) kawałki cienkiego i mięk-
ne o rezystancji charakterystycznej 50&! i zapewnić kiego przewodu ekranowanego. Różnica między
dopasowanie z obu stron takiej linii przesyłowej. grubym  porządnym koncentrycznym kablem 50-
Dlatego wielu elektroników łącząc oscyloskop z ba- omowym, a takim cienkim i elastycznym przewo-
danym układem stosuje zawsze taki koncentryczny dem ekranowanym, w zakresie małych częstotli-
przewód, upewniając się, czy rzeczywiście jest to wości są praktycznie żadna.
przewód 50-omowy. Dlatego przy braku fabrycznych sond 1:10 (któ-
Zasada jest w swej istocie słuszna, ale należy re są zalecane w każdej sytuacji), do układów m.cz.
wiedzieć, jakiego zakresu częstotliwości dotyczy. można śmiało wykorzystać krótkie odcinki jakiego-
Należy zacząć od prędkości przesyłania sygnału kolwiek przewodu ekranowanego.
w takim kablu koncentrycznym. Jest ona nieco
mniejsza od prędkości światła i wynosi mniej wię- Zakłócenia i błędy
cej 20cm/ns W tym miejscu należy jeszcze wspomnieć, że
Kwestia odbić i dopasowania wtedy będzie od- w pewnych sytuacjach nie stosuje się ani żadnych
grywać jakąś rolę, gdy długość przesyłanej fali, al- fabrycznych sond, ani  samoróbki z przewodu ek-
bo też czasy przesyłanych impulsów będą porów- ranowanego, tylko łączy się badany układ z gniaz-
nywalne z czasem przejścia sygnału przez daną li- dem wejściowym oscyloskopu za pomocą dwóch
nię. krótkich (do 10cm) jednożyłowych przewodów;
Wez
my przewód pomiarowy o długości 1 met- jedna żyła to masa, druga  sygnał. Jeśli przewody
ra. Sygnał przechodzi przez niego przez około nie są ze sobą skręcone, pojemność takiej
100cm / (20cm/ns) = 5ns  sondy jest praktycznie żadna, poniżej 1pF, i bada-
Długość 1m ma fala elektromagnetyczna ny układ obciążony jest tylko pojemnością i rezys-
o częstotliwości około 300MHz. tancją wejściową oscyloskopu.
A więc dopiero powyżej częstotliwości 100MHz Takie dwa przewody mogą jednak działać jak an-
i przy impulsach krótszych niż 10ns trzeba się za- tena i zbierać z otoczenia różne  śmieci , w tym
cząć martwić o dopasowanie. Rzeczywiście, oscy- zakłócenia. Dlatego metoda z gołymi krótkimi prze-
loskopy pracujące przy częstotliwościach rzędu kil- wodami może być stosowana przy sygnałach
kuset megaherców, często mają wejście o rezys- o większej amplitudzie. Przy badaniu małych syg-
tancji nie 1M&!, tylko właśnie 50&!. Do takich oscy- nałów w obecności silnych zakłóceń, zapewne ko-
loskopów koniecznie trzeba stosować odpowied- nieczny będzie przewód ekranowany lub koncent-
nie kable, rozgałęz
niki, tłumiki i dopasowania. ryczny.
Natomiast w oscyloskopie o paśmie 20MHz czy I tu warto zwrócić uwagę na kilka istotnych
nawet 50MHz, współpracującym z sondą o długoś- spraw.
ci 1m, problem dopasowania impedancji przewo- Wśród elektroników panuje powszechne prze-
dów praktycznie nie występuje. Ponadto dopaso- konanie, że przewód ekranowany całkowicie likwi-
wanie 50-omowego kabla do wejścia o dużo więk- duje wszelkie problemy z przenikaniem, czy
szej rezystancji wcale nie jest sprawą łatwą (jeśli  zbieraniem zakłóceń z otoczenia. Jest w tym
w ogóle możliwą). sporo prawdy, ale jak zwykle nie jest to prawda
Wniosek? ostateczna. Rzeczywiście, ekranowany przewód,
Przy oscyloskopach o paśmie rzędu kilkudziesię- którego ekran jest podłączony do masy układu, nie
ciu megaherców wcale nie jest konieczne
stosowanie 50-omowego kabla koncent-
c)
rycznego w roli prostej sondy 1:1.
Dotyczy to zwłaszcza pomiarów przy
małych częstotliwościach (do 100kHz).
Często się widzi, że elektronik nie ma właś-
ciwych sond do oscyloskopu i stosuje
zwykłe kable, z jednej strony zakończone
wtykiem BNC, z drugiej wprost lutowane
a) b)
Rys. 36. Szkodliwa pętla w pomiarach oscyloskopowych
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97 35
Miernictwo
M
i
e
r
n
i
c
t
w
o
dopuszcza do środkowej żyły zakłó-
ceń przedostających się przez pole
elektrostatyczne i elektromagne-
tyczne. Ale należy tu jeszcze wziąć
pod uwagę wpływ pola magnetycz-
nego. Jak podają mądre książki, że-
by wyeliminować wpływ pola mag-
netycznego, należy zastosować ek-
ran, a właściwie pancerz, stalowy
o grubości powyżej 10mm lub mie-
dziany jeszcze grubszy...
W praktyce wcale nie jest to po-
trzebne, trzeba tylko rozumieć pew-
ną ważną sprawę.
Rys. 37.Błędne prowadzenie  podwójnej masy
O ile pod wpływem pola elekt-
n
e
k
3
7
rycznego, zakłócenie może się zaindukować w jed- nek 37 jest przekreślony. W takiej sytuacji ekran
nym przewodzie, o tyle pole magnetyczne może kabla i dodatkowy przewód tworzą pętlę. W pętli
zaindukować napięcie i prąd tylko w pętli czyli tej indukuje się prąd, być może o znacznej wartoś-
w zwoju lub zwojach. Pętla lub wielozwojowa cew- ci, który na rezystancji ekranu kabla może wywołać
ka podłączona do wejścia oscyloskopu może więc zauważalny spadek napięcia.
pełnić rolę czujnika pola magnetycznego. Przy okazji omawiania zakłóceń warto jeszcze
r
y
s
u
n
k
u
3
6
Na rysunku 36 pokazano trzy sytuacje. Rysu- wspomnieć o kolejnej możliwości utworzenia pętli
nek 36a pokazuje jak zrobić pętlę do pomiaru pół masy. Większość oscyloskopów ma wtyczkę  z
magnetycznych. Tymczasem wielu elektroników uziemieniem . Bolec uziemiający jest połączony
stosując fabryczną sondę lub przewód ekranowa- z obudową oscyloskopu, czyli masą. Jeśli używany
ny, nie podłącza do badanego układu masy sondy, zasilacz ma takie same połączenie obwodu
tylko dla wygody, do połączenia mas oscyloskopu  uziemienia , wtedy połączenie przewodami masy
i układu stosuje oddzielny przewód, jak pokazano zasilacza, masy układu i masy oscyloskopu za-
na rysunku 36b. Tworzą tym samym większą lub mknie takową pętlę. Na problemy z taką pętlą ma-
mniejszą pętlę, która zbiera z otoczenia zakłócenia sy można się natknąć bardzo często i nie ma jedno-
przenoszone przez pole magnetyczne. Należy tu znacznej reguły, jak wtedy postąpić.
podkreślić, że zakłócenia te nie są duże, i problem W każdym razie generalnie należy unikać pętli
pojawia się tylko przy pomiarach małych napięć, masy i stosować sposób z rysunku 36c.
rzędu miliwoltów. Przy dużych sygnałach można Wiadomości podane w dwóch ostatnich odcin-
stosować sposób z rysunku 36b, bo rzeczywiście kach nie wyczerpują wszystkich spraw związanych
jest wygodny. z praktycznym wykorzystaniem oscyloskopu. Syg-
Natomiast przy małych sygnałach należy mini- nalizują jednak dwa podstawowe zagadnienia:
malizować powierzchnię pętli tworzonej przez  Czy dołączenie oscyloskopu ma wpływ na pracę
przewód masy, jak pokazano to na rysunku 36c. badanego układu?
Sprawa połączenia masy ma też bardzo duże  Czy obraz na ekranie dokładnie odwzorowuje
znaczenie przy obserwacji krótkich impulsów. Przy przebiegi w badanym układzie?
niewłaściwym połączeniu, np. wg rysunku 36b, ob- Dobry elektronik powinien zdawać sobie spra-
raz zboczy impulsów będzie zniekształcony i może wę, na ile parametry wejścia oscyloskopu, zasto-
wprowadzić w błąd obserwatora. Będzie on potem sowanej sondy i sposobu podłączenia, mają wpływ
szukał w układzie przyczyny zniekształceń impul- na działanie układu i kształt przebiegów na ekranie.
(
r
e
d
)
sów, gdy tymczasem impulsy w układzie będą pra- (red)
widłowe, natomiast przyczyną zniekształceń obra-
zu w oscyloskopie będzie właśnie niepoprawne fotografie
prowadzenie obwodu masy. 1. Aktywna sonda pomiarowa Tektronix 1GHz
M
Błędne jest także dwukrotne połączenie obwo- 1MHz 1pF (skanować z prospektu
r
y
s
u
du masy, tak  na wszelki wypadek . Dlatego rysu-
2. Sonda prądowa AC 100mA-1000A firmy Flu-
ke (skanować z katalogu str. 35
36 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97