Введение
Испытательный зонд - это физическое устройство, используемое для подключения электронного испытательного оборудования к испытываемому устройству (DUT). Испытательные зонды варьируются от очень простых, прочных устройств до сложных зондов, которые сложны, дороги и хрупки. Специфические типы включают в себя испытательные штыри, осциллоскопические зонды и токовые зонды. В качестве испытательного провода часто поставляется испытательный зонд, который включает зонд, кабель и коннектора.
Напряжение
Для измерения напряжений, присутствующих на DUT, используются датчики напряжения. Для достижения высокой точности, прибор для испытаний и его зонд не должны существенно влиять на измеряемое напряжение. Это достигается путем обеспечения того, чтобы комбинация прибора и зонда имела достаточно высокий импиденс, который не загружает DUT. Для измерений переменного тока реактивная составляющая импеданса может быть более важной, чем сопротивляющая.
Простые испытательные провода
Типичный вольтметрный зонд состоит из одного провода, который имеет на одном конце разъем, который подходит для вольтметра, а на другом конце жесткую трубчатую пластиковую секцию, которая включает как ручку, так и корпус зонда. Ручка позволяет человеку держать и направлять зонд, не влияя на измерение (ставая частью электрической цепи) или подвергаясь воздействию опасных напряжений, которые могут вызвать электрический удар. Внутри корпуса зонда проволока соединена с жестким, заостренным металлическим концом, который соприкасается с DUT. Некоторые зонды позволяют прикрепить к кончику клипсу аллигатора, что позволяет прикрепить зонд к DUT, так что его не нужно держать на месте. Испытательные провода обычно изготавливаются из тонкополосатого провода, чтобы сохранить его гибкость, провода с продольными размерами, достаточными для прохождения нескольких ампер электрического тока. Изоляция выбирается так, чтобы она была гибкой и имела разрывное напряжение, превышающее максимальное входное напряжение вольтметра. Благодаря многочисленным тонким нитям и толстой изоляции проволока толще обычного соединительного провода. Два зонда используются вместе для измерения напряжения, тока и двух конечных компонентов, таких как резисторы и конденсаторы. При измерениях постоянного тока необходимо знать, какой зонд положительный, а какой отрицательный, поэтому по обычаю зонды окрашены в красный цвет для положительного и черный для отрицательного. В зависимости от требуемой точности они могут использоваться с частотами сигнала от постоянного тока до нескольких килогерц. Когда необходимо производить чувствительные измерения (например, очень низкие напряжения или очень низкие или очень высокие сопротивления), используются щиты, предохранители и такие методы, как четыре терминальных датчика Кельвина (с использованием отдельных проводов для переноса измерительного тока и для обнаружения напряжения).
Пинцетные зонды
Пинцетные зонды - пара простых зондов, прикрепленных к механизму пинцета, управляемых одной рукой, для измерения напряжений или других параметров электронной схемы между близко расположенными булавками.
Иглы пого
Пробки пружин (также известные как "пробки пружин") "Pogo pins") - пружинные штифты, используемые в электрических испытательных приборах для соприкосновения с точками испытания, проводами компонентов и другими проводящими элементами DUT (устройства, подвергаемого испытанию). Эти зонды обычно вставляются в сотовые сотовые, чтобы их можно было легко заменить на испытательных приборах, которые могут оставаться в эксплуатации в течение десятилетий, тестируя многие тысячи ППУ в автоматическом испытательном оборудовании.
Зонды для осциллоскопа
Оциллоскопы отображают мгновенную волновую форму различных электрических величин, в отличие от других приборов, которые дают числовые значения относительно стабильных величин. Проводники попадают в две основные категории: пассивные и активные. Пассивные датчики не содержат активных электронных частей, таких как транзисторы, поэтому они не требуют внешнего питания. Из-за частоты, часто используемой в осциллоскопе, обычно не используются простые провода ("летающие провода") для подключения к DUT. Летающие провода могут улавливать помехи, поэтому они не подходят для низкоуровневых сигналов. Кроме того, индуктивность летучих проводов делает их непригодными для высокочастотных сигналов. Вместо этого используется специальный зонд, который использует коаксиальный кабель для передачи сигнала от кончика зонда к осциллоскопу. Этот кабель имеет два основных преимущества: он защищает сигнал от внешних электромагнитных помех, улучшая точность для низкоуровневых сигналов; и он имеет более низкую индуктивность, чем летящие провода, что делает зонд более точным для высокочастотных сигналов. Хотя коаксиальный кабель имеет более низкую индуктивность, чем летучие провода, он имеет более высокую емкость: типичный 50-омный кабель имеет около 90 pF на метр. Следовательно, однометровый высокоимпедансный прямой (1×) коаксиальный зонд может загружать схему емкостью около 110 pF и сопротивлением 1 мегомма. Для зондов-осциллоскопов характерны их частотный предел, при котором амплитудная реакция снизилась на 3 дБ, и/или время подъема. Это связано с (в круглых цифрах). Таким образом, зонд 50 МГц имеет время подъема 7 нс. Ответ комбинации осциллоскопа и зонда дается следующим образом: например, зонд 50 МГц, подающий зону 50 МГц, даст систему 35 МГц. Поэтому выгодно использовать зонд с более высоким пределом частоты, чтобы свести к минимуму влияние на общий ответ системы.
Thus a 50 MHz probe has a rise time of 7 ns. The response of the combination of an oscilloscope and a probe is given by
For example, a 50 MHz probe feeding a 50 MHz scope will give a 35 MHz system. It is therefore advantageous to use a probe with a higher frequency limit to minimize the effect on the overall system response.
Пассивные зонды
Для минимизации нагрузки используются атенуаторные зонды (например, 10× зонды). Типичный зонд использует резистор серии 9 мегомов, шунтированный конденсатором низкого значения, чтобы сделать RC-компенсированный делитель с емкостью кабеля и входом диапазона. Временные константы RC регулируются соответственно. Например, резистор серии 9 мегомов с шунтированием конденсатора 12,2 pF на постоянную продолжительность 110 микросекунд. Пропускная способность кабеля 90 pF параллельно с входом диапазона 20 pF (общая емкость 110 pF) и 1 мегохм также дает временную константу 110 микросекунд. На практике будет выполнена настройка, чтобы оператор мог точно соответствовать низкочастотной временной константе (так называемая компенсация зонда). Соответствие временным константам делает ослабление независимым от частоты. На низких частотах (где сопротивление R намного меньше, чем реактивность C) схема выглядит как резистивный делитель; на более высоких частотах (сопротивление намного больше, чем реактивность) схема выглядит как емкостный делитель. В результате получается частотно-компенсированный зонд для скромных частот, который представляет собой нагрузку около 10 мегомов, смещенную на 12 pF. Хотя такой зонд является улучшением, он не работает, когда временная шкала сокращается до нескольких времен транзита кабеля (время транзита обычно составляет 5 нс). В этом временном интервале кабель выглядит как свойственный импеданс, и будут отражения от несоответствия линии передачи на входе сканировки и зонде, что вызывает звон. Современный зонд использует низкокапасантные линии передачи с потерями и сложные сети формирования частоты, чтобы сделать зонд 10× хорошо работающим на нескольких сотнях мегагерц. Следовательно, для завершения компенсации существуют и другие корректировки. Прямо подключенный испытательный зонд (так называемый зонд 1 ×) подвергает испытанию нежелательную пропускную способность по всей схеме. Для типичного коаксиального кабеля нагрузка составляет порядка 100pF на метр (длина типичного испытательного провода). Атенуаторные зонды минимизируют емкостную нагрузку с помощью атенуатора, но уменьшают величину сигнала, доставляемого в прибор. Атенуатор 10× уменьшит емкостную нагрузку примерно в 10 раз. У ослаблителя должно быть точное соотношение по всему интересующему диапазону частот; входный импеданс прибора становится частью ослаблителя. Атенуатор постоянного тока с резистивным делителем дополняется конденсаторами, так что частотный отклик предсказуем в интересующем диапазоне. Метод сопоставления постоянной RC работает до тех пор, пока время транзита экранированного кабеля намного меньше, чем рассматриваемый временной диапазон. Это означает, что экранированный кабель можно рассматривать как конденсатор, а не индуктор. Время транзита по 1 метровому кабелю составляет около 5 нс. Следовательно, эти зонды будут работать на нескольких мегагерцах, но после этого эффекты линии передачи вызывают проблемы. На высоких частотах импиденция зонда будет низкой. Наиболее распространенная конструкция включает в себя 9-мегомовый резистор в серии с кончиком зонда. Сигнал затем передается от головки зонда к осциллоскопу через специальный коаксиальный кабель с потерями, который предназначен для минимизации емкости и звонка. Изобретатель этого кабеля - Джон Кобб, инженер, работающий на Tektronix. Сопротивление служит для минимизации нагрузки, которую пропускная способность кабеля наложит на DUT. В серии с нормальным 1 мегомом входного импиденса осциллоскопа, 9 мегомовый резистор создает 10× разделитель напряжения, поэтому такие зонды обычно известны как зонды с низкой пропускной способностью или зонды 10×, часто напечатанные буквой X или x вместо знака умножения, и обычно называют "зонд в десять раз". Поскольку входный сигнал осциллоскопа имеет некоторую паразитическую емкость параллельно с сопротивлением 1 мегомма, сопротивление 9 мегомма также должно быть обойдено конденсатором, чтобы предотвратить образование сильного низкопроходного фильтра RC с паразитической емкостью "объема". Количество объемной емкости обхода должно быть тщательно сопоставлено с входной емкостью осциллоскопа, чтобы конденсаторы также образовывали делители напряжения 10 ×. Таким образом, зонд обеспечивает равномерное 10х ослабление от постоянного тока (с ослаблением, обеспечиваемым резисторами) до очень высоких частот переменного тока (с ослаб...
Зонды Lo Z
З0-зонды - это специализированный тип пассивного зонда низкой емкости, используемый в схемах с низким импедансом и очень высокой частотой. Они похожи по конструкции на 10× пассивные зонды, но на гораздо более низких уровнях импеданса. Зондовые кабели обычно имеют характерный импеданс 50 омов и подключаются к осциллоскопам с соответствующим 50 омов (а не 1 мегомом) входного импеданса). Пробы с высоким импиденциальным диапазоном предназначены для обычного 1 мегогомового осциллоскопа, но импиденция входа 1 мегогомовой составляет только при низкой частоте; импиденция входа не является постоянной 1 мегогомовой по полосе пропускания зонда, а скорее уменьшается с частотой. Например, входный импиденс Tektronix P6139A начинает падать выше 10 кГц и составляет около 100 омов на 100 МГц. Для высокочастотных сигналов необходима другая техника зондирования. Высокочастотный осциллоскоп представляет соответствующую нагрузку (обычно 50 омов) на входе, что минимизирует отражения на диапазоне. Проверка с соответствующей 50-омной линии передачи обеспечит высокую частоту, но она будет неоправданно нагружать большинство цепей. Для минимизации нагрузки можно использовать аттенюатор (резистивный делитель). На кончике эти зонды используют 450-омный (для 10× ослабления) или 950-омный (для 20× ослабления) серийный резистор. Tektronix продает 10× делительное зонды с пропускной способностью 9 ГГц с 450-омным резистором. Эти зонды также называют резистивными делителями, поскольку 50 омов линия передачи представляет чисто резистивную нагрузку. Название Z0 относится к характеристическому импиденсу осциллоскопа и кабеля. Соответствующие импедансы обеспечивают лучшую высокочастотную производительность, чем может достичь не имеющий аналогов пассивный зонд, но за счет низкой нагрузки в 500 омов, предлагаемой кончиком зонда для DUT. Паразитарная емкость на кончике зонда очень низкая, поэтому для сигналов очень высокой частоты зонд Z0 может предложить более низкую нагрузку, чем любой зонд hi Z и даже многие активные зонды. В принципе, этот тип зонда может использоваться на любой частоте, но при постоянном токе и низких частотах схемы часто имеют высокие импедансы, которые были бы неприемлемо загружены низким 500 или 1000 омов зондового импеданса зонда. Паразитарные импедансы ограничивают работу очень высокочастотных цепей при низком импедансе, поэтому импеданс зонда является меньшей проблемой.
Дифференциальные зонды
Дифференциальные зонды оптимизированы для получения дифференциальных сигналов. Для максимизации коэффициента отклонения общего режима (CMRR) дифференциальные зонды должны обеспечивать два пути сигнала, которые являются максимально идентичными, соответствующими общему ослаблению, частотному отклику и временной задержке. В прошлом это делалось путем проектирования пассивных зондов с двумя путями сигнала, требуя дифференциальной стадии усилителя у или рядом с осциллоскопом. (В очень немногих ранних зондах дифференциальный усилитель устанавливался в довольно громоздкую головку зонда с использованием вакуумных трубок.) С развитием твердотельной электроники стало практичным помещать дифференциальный усилитель непосредственно в головку зонда, значительно облегчая требования к остальной части пути сигнала (поскольку теперь он становится одноконтактным, а не дифференциальным, и необходимость сопоставления параметров на пути сигнала устранена). Современный дифференциальный зонд обычно имеет два металлических удлинителя, которые могут быть настроены оператором, чтобы одновременно касаться соответствующих двух точек на DUT. Таким образом, очень высокие CMRR становятся возможными.
Дополнительные функции зондов
Все зоны зондирования содержат некоторую возможность заземления зоны зондирования на эталонное напряжение цепи. Обычно это достигается путем соединения очень короткого провода с головкой зонда с землей. Индуктивность в заземляемом проводе может привести к искажению наблюдаемого сигнала, поэтому этот провод должен быть как можно короче. Некоторые зонды используют небольшую наземную ногу вместо провода, что позволяет сократить наземную связь до 10 мм. Большинство зондов позволяют устанавливать различные "наконечники". Наиболее распространенным является заостренный кончик, но также часто используется прицепительный зонд или "тест-хак" с крючком, который может закрепить к испытательной точке. На кончиках, которые имеют небольшую пластиковую изоляционную ножку с вмятинами, можно легче проанализировать интегральные схемы с очень тонким шагом; вмятины сочетаются с шагом проводов IC, стабилизируя зонд против сотрясения руки пользователя и тем самым помогая поддерживать контакт с желаемым штифтом. Различные типы ног приспособлены для различных шагов IC-проводов. Различные типы наконечников также могут использоваться для зондов для других приборов. Некоторые зонды содержат кнопку нажатия. Нажатие кнопки либо отключит сигнал (и отправит наземный сигнал в "зотоскоп"), либо заставит "зотоскоп" идентифицировать след каким-то другим способом. Эта функция очень полезна при одновременном использовании более чем одного зонда, поскольку позволяет пользователю соотносить зонды и следы на экране "объема". Некоторые конструкции зондов имеют дополнительные штыри, окружающие BNC, или используют более сложный разъем, чем BNC. Эти дополнительные соединения позволяют зонду информировать осциллоскоп о его факторе ослабления (10×, 100×, другие). Затем осциллоскоп может настроить свои пользовательские дисплеи, чтобы автоматически учитывать ослабление и другие факторы, вызванные зондом. Эти дополнительные штифты также могут использоваться для подачи энергии в активные зонды. Некоторые зонды ×10 имеют переключатель "×1/×10". Положение "×1" обходит атенуатор и компенсационную сеть и может использоваться при работе с очень маленькими сигналами, которые были бы ниже предельной чувствительности прибора, если бы они были ослаблены на ×10.
Взаимная взаимозаменяемость
Из-за стандартизированной конструкции пассивные зонды (включая зонды Z0) любого производителя обычно могут использоваться с любым осциллоскопом (хотя специализированные функции, такие как автоматическая настройка считывания, могут не работать). Пассивные зонды с разделителями напряжения могут быть не совместимы с определенной сферой. Конденсатор регулировки компенсации позволяет компенсировать только небольшой диапазон входных значений емкости осциллоскопа. Диапазон компенсации зонда должен быть совместим с емкостью входа осциллоскопа. С другой стороны, активные зонды почти всегда специфичны для поставщика из-за их требований к мощности, регулировке нагрузки и т. Д. Производители зондов иногда предлагают внешние усилители или подключают адаптеры тока переменного тока, которые позволяют использовать их зонды с любым осциллоскопом.
Высоковольтные зонды
Высоковольтный зонд позволяет обычному вольтметру измерять напряжения, которые в противном случае были бы слишком высокими для измерения или даже разрушительными. Это достигается путем снижения входного напряжения до безопасного, измеримого уровня с помощью точного разделительного контура напряжения в корпусе зонда. Зонды, предназначенные для работы на напряжении до 100 кВ, обычно используют дивизор напряжения резистора с входной резистентностью в сотни или тысячи мегохм для минимизации нагрузки на схему. Высокая линейность и точность достигаются за счет использования резисторов с чрезвычайно низкими коэффициентами напряжения в сочетаемых наборах, которые поддерживают последовательное, точное отношение делителя по рабочей температуре зонда. Вольтметры имеют входное сопротивление, которое эффективно изменяет отношение делителя зонда, и паразитическую емкость, которая сочетается с сопротивлением зонда для формирования схемы RC; они могут легко снизить точность постоянного тока и переменного тока, соответственно, если они останутся без компенсации. Для смягчения этих последствий, разделители напряжения обычно включают дополнительные компоненты, которые улучшают частотный отклик и позволяют их калибровать для различных нагрузок счетчика. Даже более высокие напряжения могут быть измерены с помощью зондов-разделителей конденсаторов, хотя большие физические размеры и другие механические особенности (например, кольца корона) этих устройств часто исключают их использование в качестве портативных зондов.
Текущие зонды
Зонд тока генерирует напряжение, пропорциональное току в измеряемой цепи; поскольку постоянная пропорциональности известна, приборы, реагирующие на напряжение, могут быть калиброваны для указания тока. Текущие зонды могут использоваться как измерительными приборами, так и осциллоскопами.
Резистор для отбора проб
Классический зонд тока представляет собой низкооцененный резистор ("резистор отбора проб" или "шант тока"), вставленный в путь тока. Ток определяется путем измерения падения напряжения через резистор и использования закона Ома. Сопротивление отбора проб должно быть достаточно маленьким, чтобы не повлиять на работу цепи, но достаточно большим, чтобы обеспечить хорошее считывание. Метод действителен как для измерений переменного тока, так и постоянного тока. Недостатком этого метода является необходимость разрыва цепи для введения шунта. Другая проблема - измерение напряжения через шунт при наличии напряжений общего режима; необходимо измерение дифференциального напряжения.
Зонды переменного тока
Переменные токи относительно легко измерить, так как можно использовать трансформаторы. Для измерения переменного тока обычно используется трансформатор тока. Измеряемый ток проходит через первичную обмотку (часто один поворот), а ток через вторичную обмотку находитсь путем измерения напряжения через токовой датчик (или "резистор нагрузки"). Вторичная обмотка имеет резистор нагрузки для установки текущего масштаба. Свойства трансформатора предлагают много преимуществ. Токовой трансформатор отклоняет напряжения общего режима, поэтому точное одноконтактное измерение напряжения может быть сделано на заземленном вторичном. Эффективное последовательное сопротивление первичной обмотки устанавливается резистором нагрузки на вторичной обмотке и коэффициентом поворотов трансформатора , где: Ядро некоторых трансформаторов тока разделено и сцеплено; оно открывается и обрезается вокруг провода, чтобы быть ощущённым, затем закрывается, что делает ненужным освобождать один конец проводника и прокручивать его через ядро. Еще один клип на дизайн - катушка Роговски. Это магнитно сбалансированная катушка, которая измеряет ток, электронно оценивая линейный интеграл вокруг тока. Высокочастотные, малосигнальные, пассивные токовые зонды обычно имеют частотный диапазон от нескольких килогерц до более 100 МГц. Tektronix P6022 имеет диапазон от 935 Гц до 200 МГц.
The core of some current transformers is split and hinged; it is opened and clipped around the wire to be sensed, then closed, making it unnecessary to free one end of the conductor and thread it through the core. Another clip on design is the Rogowski coil. It is a magnetically balanced coil that measures current by electronically evaluating the line integral around a current. High frequency, small signal, passive current probes typically have a frequency range of several kilohertz to over 100 MHz. The Tektronix P6022 has a range from 935 Hz to 200 MHz.
Пробы постоянного тока
Трансформаторы не могут использоваться для исследования постоянного тока (DC). Некоторые конструкции зондов постоянного тока используют нелинейные свойства магнитного материала для измерения постоянного тока. Другие зонды тока используют датчики эффекта Холла для измерения магнитного поля вокруг провода, производимого электрическим током через провода, без необходимости прерывать цепь для подключения зонда. Они доступны как для вольтметров, так и для осциллоскопов. Большинство современных зондов являются автономными, получая энергию от батареи или прибора, но некоторые требуют использования внешнего усилителя. (См. также: Клемпомер)
Гибридные зонды тока переменного тока/постоянного тока
Более продвинутые зонды тока сочетают в себе датчик эффекта Холла с трансформатором тока. Датчик эффекта Холла измеряет постоянный ток и низкочастотные компоненты сигнала, а трансформатор тока измеряет высокочастотные компоненты. Эти сигналы объединяются в схеме усилителя для получения широкосмугового сигнала, простирающегося от постоянного тока до более 50 МГц. Комбинация токозвука Tektronix A6302 и усилителя AM503 является примером такой системы.
Зонды ближнего поля
Зонды ближнего поля позволяют измерять электромагнитное поле. Они обычно используются для измерения электрического шума и другого нежелательного электромагнитного излучения от DUT, хотя они также могут использоваться для наблюдения за работой DUT без введения большой нагрузки в схему. Они обычно подключаются к анализаторам спектра.
Температурные зонды
Температурные зонды используются для контактных измерений температуры поверхности. Они используют датчик температуры, такой как терморезистор, термопаруха или RTD, для получения напряжения, которое изменяется с температурой. В случае термисторов и зондов RTD датчик должен быть электрически стимулирован для получения напряжения, тогда как зонды термопары не требуют стимуляции, потому что термопары самостоятельно производят выходное напряжение. Вольтметры иногда могут использоваться для измерения температурных зондов, но эта задача обычно делегируется специализированным инструментам, которые будут стимулировать датчик зонда (если это необходимо), измерять выходное напряжение зонда и преобразовывать напряжение в единицы температуры.
Зонды демодуляторов
Для измерения или отображения модулирующей формы волны модулированного высокочастотного сигналанапример, может использоваться модулированный по амплитуде радиосигналзонд, оснащенный простым демодулятором диодов. Зонд будет выводить модулирующую волновую форму без высокочастотного носителя.
Логические зонды
Для наблюдения цифровых сигналов используется логический зонд.