Niskoomowe sondy oscyloskopowe?
Sondy oscyloskopowe okazują się ogromnie ważnym wyposażeniem. Najpopularniejsze są sondy bierne o tłumieniu 10:1 i rezystancji wejściowej 10 megaomów. Da takich sond wrócimy, a ten artykuł przedstawia dużo mniej popularne sondy niskoomowe o rezystancji wejściowej 500 omów oraz 5 kiloomów.
W poprzednim artykule Sondy oscyloskopowe – dlaczego są niezbędne? omawialiśmy oscyloskopowe sondy bierne i mogłoby się wydawać, że artykuł ten wyjaśnia wszystkie kluczowe szczegóły związane z takimi biernymi sondami tłumiącymi sygnał.
Otóż zdecydowanie nie!
Omówiliśmy wprawdzie elementarne zasady, ale pominęliśmy bardzo ważne zjawiska falowe. Informacje z tego wcześniejszego artykułu mogą zachęcić do budowy swojej roboty sondy 10:1 lub 100:1. Jeśli taka sonda miałaby pracować przy wysokich częstotliwościach lub sygnałach impulsowych o stromych zboczach, to niestety próba zakończy się całkowitym fiaskiem. Do tego wrócimy.
W tym artykule krótko zasygnalizuję problem zjawisk falowych oraz uzasadnię, dlaczego przy wyższych częstotliwościach ma sens stosowanie oscyloskopów nie o wysokiej rezystancji wejściowej 1 megaom, tylko o zaskakująco niskiej – 50 Ω.
Zjawiska falowe. Dopasowanie
Króciutko przypomnę podstawy: fala elektromagnetyczna (fala EM) w próżni i w powietrzu rozprzestrzenia się z prędkością 300 tysięcy kilometrów na sekundę, więc fala o częstotliwości 100 MHz ma długość około 3 metrów. W kablu prędkość jest mniejsza, rzędu 200 000 km/s, więc długość fali 100 MHz w kablu wynosi około 2 metrów.
Celowo piszę o częstotliwości 100 MHz, bo dziś oscyloskopy o paśmie 100 MHz, a nawet szerszym są powszechnie dostępne także dla hobbystów.
Przy prędkości 200 000 km/s długość fali 100-megahercowej to 2 metry, a tymczasem popularne sondy mają kable o długości 1,5 do 2 metrów! Niektóre nawet więcej!
I teraz najważniejsze: powszechnie wiadomo, że zjawisk falowych nie można pominąć, jeżeli sygnały i impulsy są przesyłane w linii transmisyjnej – w kablu na odległość porównywalną z długością fali. Często mówi się też, że problem zjawisk falowych można pominąć tylko wtedy, gdy odległości są mniejsze niż 1/10 długości fali. Wtedy też zjawiska falowe występują, ale ich wpływ jest niewielki i można o nich zapomnieć.
A jeżeli tak, to już przy częstotliwościach, powiedzmy powyżej 10 MHz…20 MHz powinniśmy pamiętać o zjawiskach falowych, a konkretnie o odbiciach sygnału w punktach, gdzie nie ma dopasowania falowego.
Tym bardziej nie można o tym zapomnieć w przypadku współczesnych, szybkich oscyloskopów o paśmie rzędu 100 megaherców i więcej. A większość użytkowników oscyloskopów zapomina lub w ogóle nie wie o tym problemie.
Podstawową zasadę znają prawie wszyscy: odbić sygnału nie ma, gdy kabel jest dopasowany z obu stron. W podręcznikach jest to przedstawiane jak na rysunku 1: gdy mamy kabel (linię transmisyjną) o jakiejś falowej rezystancji charakterystycznej RK, to rezystancja wyjściowa generatora RG też ma być równa RK, tak samo jak rezystancja obciążenia RL.
Rysunek 1
Jeśli to dla Ciebie jest dziwne i niezrozumiałe to jest kłopot, bo nieznajomość problemu zjawisk falowych blokuje drogę do zrozumienia pewnych praktycznych problemów, a tym bardziej utrudnia lub wręcz uniemożliwia ich rozwiązanie.
A jeżeli rysunek 1 nie budzi wątpliwości – idziemy dalej. Otóż jeżeli nie ma dopasowania z obu stron kabla, to sygnały zmienne o dużej częstotliwości będą odbijać się od obu stron kabla i wytworzy się coś w rodzaju rezonatora, o właściwościach podobnych do obwodu rezonansowego o dość dużej dobroci. Częstotliwość takiego rezonatora będzie zależeć głównie od długości kabla.
Typowe kable w.cz. mają rezystancję charakterystyczną – falową równą 50 Ω (koncentryczne kable antenowe telewizyjne i satelitarne 75 Ω). Rezystancja falowa RK zależy głównie od fizycznych rozmiarów kabla, a także od właściwości użytego dielektryka. Można wykonać kable o różnej rezystancji falowej, ale w praktyce zakres ten jest mocno ograniczony (od kilkunastu do najwyżej kilkuset omów).
Problem w tym, że rezystancja wejściowa typowego oscyloskopu wynosi 1 megaom! A typowy „radiowy” kabel współosiowy ma rezystancję falową tylko 50 omów! A to znaczy, że przy wysokich częstotliwościach w sytuacji na wejściu oscyloskopu według rysunku 2 nie ma szans na dopasowanie falowe!
Żadnych szans!
Nie wiadomo jak z dopasowaniem na początku, na wejściu sygnału do kabla, bo to zależy, do jakiego obwodu będzie on przyłączony.
Rysunek 2
Rysunek 3 pokazuje przykład efektu niedopasowania falowego i odbić sygnału z obu stron kabla. Generator wytwarza prawidłowy sygnał prostokątny, ale na ekranie oscyloskopu w chwilach przełączania występują tłumione drgania o częstotliwości zależnej od długości kabla.
Rysunek 3
Na rysunkach 2 i 4 zaznaczyłem tylko rezystancje, a w rzeczywistości dodatkowo występują tam też pojemności i niewielkie indukcyjności, co jeszcze bardziej komplikuje sytuację.
Dla ścisłości warto więc dodać, że podobny efekt może mieć, i niestety często ma miejsce nie tylko z powodu zjawisk falowych: niedopasowania i odbić, ale z powodu obecności pasożytniczych elementów LC, które tworzą niepożądany obwód rezonansowy. Efekt na ekranie może być taki sam, a przyczyny jego powstania – inne. Do kwestii szkodliwych indukcyjności i szkodliwych rezonansów możemy wrócić.
(…)
——– ciach! ——–
To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze sierpniowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 8/2024). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 8/2024 znajduje się tutaj.
Piotr Górecki
Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek
Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery ZE mam wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 8/2024.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (weTransfer) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.
