Измерение индуктивности осциллографом: Как измерить емкость и индуктивность с помощью осциллографа. » Хабстаб

Как измерить емкость и индуктивность с помощью осциллографа. » Хабстаб

Сегодня на рынке продается множество приборов, измеряющих емкость и индуктивность, только стоят они в несколько раз дороже китайского мультиметра. Тот кому каждый день необходимо производить замеры емкости или индуктивности непременно купит себе такой, а что делать если такая необходимость возникает крайне редко? В таком случае можно применить описанный ниже метод.
Известно, что если на интегрирующую RC цепочку подать прямоугольный импульс, то форма импульса изменится и будет такой как на картинке.

Время, за которое напряжение на конденсаторе достигнет 63% от подаваемого, называется тау. Формула по которой считается тау изображена на рисунке.

В таком случае говорят, что интегрирующая цепочка сгладила фронты прямоугольного импульса.
Так же известно, что если на параллельный LC контур подать прямоугольный импульс, в контуре возникнут затухающие колебания, частота, которых равна резонансной частоте контура. Резонансная частота контура находится по формуле Томсона, из которой можно выразить индуктивность.

Подключается контур через конденсатор малой емкости, чем меньше тем лучше, который ограничивает ток, поступающий в контур. Давайте рассмотрим, как конденсатор малой емкости ограничивает ток.
Для того, чтобы конденсатор зарядился до номинального напряжения ему надо передать определенный заряд. Чем меньше емкость конденсатора, тем меньший заряд ему необходим, чтобы напряжение на обкладках достигло напряжения импульса. Когда мы подаем импульс, конденсатор, малой емкости, очень быстро заряжается и напряжение на обкладках конденсатора становится равно напряжению импульса. Так как напряжение конденсатора и импульса равны, нет разности потенциалов, следовательно ток не течет. При чем ток может перестать течь через конденсатор спустя некоторое время от начала импульса, а оставшуюся часть времени импульса энергия к контуру подводится не будет.
Для проведения эксперимента нам потребуется генератор импульсов прямоугольной формы с частотой 5-6KHz.
Можно собрать его по схеме на рисунке ниже или воспользоваться генератором сигналов, я делал обоими способами.

Теперь, вспомнив, как ведет себя при подаче прямоугольного импульса интегрирующая RC цепочка и параллельный LC контур, соберем простую схему изображенную на картинке.

Сначала измерим емкость конденсатора, место его подключения на схеме обозначено С?. Резистора 1K под рукой не нашлось, поэтому я использовал 100 Ohm и вместо конденсатора 10pF использовал конденсатор 22pF. В принципе номинал резистора можно выбрать любой, но не ниже 50 Ohm, иначе сильно просядет напряжение генератора.
В данном эксперименте я буду использовать генератор сигналов, выходное сопротивление которого равно 50 Ohm. Включим генератор и установим амплитуду 4V, если собирать генератор по схеме то регулировать амплитуду можно, изменяя напряжение питания.

Подключим щупы осциллографа параллельно конденсатору. На осциллографе должна появиться следующая картинка.

Немного увеличим её.

Измерим время, за которое напряжение на конденсаторе достигает 63% от напряжения импульса или 2,52V.

Оно равно 14,8uS. Так как сопротивление генератора включено последовательно с нашей цепочкой его необходимо учесть, в итоге активное сопротивление равно 150 Ohm. Разделим значение тау(14,8 uS) на сопротивления(150 Om) и найдем емкость, она равна 98,7 nF . На конденсаторе написано, что емкость равна 100nF.

Теперь измерим индуктивность. На схеме место подключения катушки индуктивности обозначено L?. Подключаем катушку, включаем генератор и подключаем щуп осциллографа параллельно контуру. На осциллографе увидим такую картинку.

Увеличиваем развертку.

Видим, что период колебаний равен 260KHz.
Ёмкость щупа равна 100pF и в данном случае её необходимо учесть потому, что она составляет 10% от емкости контура. Суммарная емкость контура равна 1,1nF. Теперь подставим в форму для нахождения индуктивности, емкость конденсатора(1,1nF) и частоту колебаний(260KHz). Для таких вычислений я пользуюсь программой Coil32.

Получилось 340,6uH, судя по маркировке индуктивность равна 347uH и это отличный результат. Этот способ позволяет измерять индуктивность с погрешность до 10% .
Теперь мы знаем как измерить емкость конденсатора и индуктивность катушки, используя осциллограф.

Как измерить ёмкость и индуктивность с помощью генератора и осциллографа + online-калькулятор

Для многих любителей электроники актуальной является задача измерения емкостей конденсаторов и индуктивностей дросселей, поскольку, в отличие от резисторов, эти компоненты нередко бывают не промаркированы (особенно SMD). Между тем, имея генератор синусоидальных колебаний и осциллограф (приборы, которые должны быть в любой радиолюбительской лаборатории), эта задача довольно просто решается. Всё, что для этого нужно — это вспомнить начальный курс электротехники.

Рассмотрим простейшую схему — последовательно соединённые резистор и конденсатор. Пусть эта схема подключена к источнику синусоидальных колебаний. Запишем уравнения для напряжений на элементах нашей схемы в операторной форме: U_R = I * R, U_C = -j * I / ωC. Из этих уравнений очевидно, что амплитудные значения напряжений будут относится следующим образом: U_R / U_C = R * ωC (конечно, напряжения будут сдвинуты по фазе, но нас это в данном случае не волнует, нас волнуют

только амплитуды).

Думаю, что многие уже догадались к чему я клоню. Да-да, из последнего уравнения довольно просто вычисляется ёмкость:

C = U_R/U_C * 1/ωR или, с учетом того, что ω= 2πf, получим C = U_R/U_C * 1/2πfR ; (1)

Итак, алгоритм простой: подключаем последовательно с измеряемой ёмкостью резистор, подключаем к этой схеме генератор синусоидальных колебаний и осциллографом измеряем амплитуды напряжений на нашем конденсаторе и резисторе. Изменяя частоту, добиваемся, чтобы амплитуда напряжений на обоих элементах была примерно одинаковой (так измерение получится точнее). Далее, подставляя измеренные значения амплитуд в формулу (1), находим искомую ёмкость конденсатора.

Аналогично можно вывести формулу для подсчета индуктивности:

L = U_L/U_R * R/ω или, с учётом того, что ω= 2πf, получим L = U_L/U_R * R/2πf ; (2)

Таким образом, имея генератор синусоидальных колебаний и осциллограф, с помощью формул (1) и (2) оказывается довольно просто вычислить неизвестную ёмкость или индуктивность (благо резисторы практически всегда имеют маркировку).

Алгоритм действий следующий:

1) Собираем схему из последовательно соединённых резистора известного номинала и исследуемой ёмкости (индуктивности).

2) Подключаем эту схему к генератору синусоидальных колебаний и изменением частоты добиваемся того, чтобы амплитуды напряжений на обоих элементах схемы были примерно одинаковы.

3) По формуле (1) или (2) вычисляем номинал исследуемой ёмкости или индуктивности.

Несмотря на то, что наши элементы не идеальные, есть допуск на номинал резистора и всегда есть некоторые погрешности измерений, результат получается довольно точным (по крайней мере можно без труда идентифицировать ёмкость в стандартном ряду).

Пусть у меня при измерении ёмкости получилась величина 1,036 нФ. Очевидно, что на исследуемом конденсаторе должна была быть нанесена маркировка 1 нФ.

Для того, чтобы вам легче было сориентироваться с номиналами резисторов, приведу некоторые примеры:

— для ёмкости 15 пФ в схеме с резистором 200 кОм амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 53 кГц;

— для ёмкости 1 нФ в схеме с резистором 10 кОм амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 15,9 кГц;

— для ёмкости 0,1 мкФ в схеме с резистором 680 Ом амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 2,34 кГц;

— для индуктивности 3 мкГн в схеме с резистором 120 Ом амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 6,3 МГц;

— для индуктивности 100 мкГн в схеме с резистором 120 Ом амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 190 кГц.

Таким образом, диапазон измеряемых емкостей и индуктивностей зависит только от диапазона частот, с которыми могут работать ваши генератор и осциллограф.

На основе этого метода можно изготовить прибор для автоматического измерения емкостей и индуктивностей.

Online-калькулятор для расчёта емкостей и индуктивностей:

(для правильности расчётов используйте в качестве десятичной точки точку, а не запятую)

1) Расчёт емкостей:

2) Расчёт индуктивностей:

Схемы измерений

Вариант 1. Оценка индуктивности соленоида

Задание к работе

1. Подключите последовательно соединенные резистор и катушку индуктивностибез ферромагнитного сердечника к генератору прямоугольных импульсов (Рис. 3).

2. Подключите “Y”-вход осциллографа к концам резистора . На генераторе установите частоту 1200Гц. Получите на экране устойчивую картину изменения напряжения на этом сопротивлении со временем, подобную изображенной на Рис. 1. Рекомендуется переключатель скорости развертки «ВРЕМЯ/ДЕЛ.» установить в положение «0,2» (см. приложение).

3. Зная время развертки осциллографа, определите время релаксации , а затем, по формуле (8), вычислите величину индуктивности. При этом общее сопротивление цепиRможно с некоторой точностью заменить значением, пренебрегая внутренним сопротивлением генератора и активным сопротивлением катушки. Поэтому полученное численное значение индуктивности следует рассматривать как оценочное.

4. Повторите измерения , подключая другие резисторы. Проверьте, зависят ли получаемые значения индуктивности от сопротивления.

5. Приступите к измерению индуктивности вторым способом. Для этого подключите последовательно соединенные резистор и катушку индуктивностик звуковому генератору (Рис. 4), установив на нем некоторое значение частоты в диапазоне 515кГц и некоторое значение амплитуды сигнала. (При таких частотах ток в цепи определяется в основном индуктивным сопротивлением катушки, что повышает точность измерения индуктивности).

6. С помощью осциллографа измерьте амплитудное значение падения напряжения на резисторе .

7. Отключите осциллограф от концов резистора, а звуковой генератор от RL-контура и, не изменяя величину его сигнала, измерьте с помощью осциллографа амплитудное значение ЭДС генератора(см. схему рис.5 лаб. раб. №12).

8. Вычислите индуктивность по формуле (12).

9. Определите индуктивность, установив другие значения величин . Проверьте, влияют ли эти параметры на результаты измерения.

10. Сравните результаты измерения индуктивности L₁двумя способами. Объясните различие этих результатов.

Вариант 2. Измерение индуктивности соленоида

Методика измерений

Рассмотрим более подробно первый способ определения индуктивности, основанный на измерении времени релаксации.

Учтем, что общее активное сопротивление контура Rравно сумме известного сопротивленияR₁, к концам которого подключаетсяY-вход осциллографа, и неизвестного заранее сопротивления

R^*, обусловленного внутренним сопротивлением генератора, сопротивлением соединительных проводов, сопротивлением провода, из которого сделана катушка соленоида:

.

Учтя это, перепишем формулу (7) в виде

(13)

Тогда время релаксации при подключении сопротивления R₁можно записать так

. (14)

Это время можно измерить с помощью осциллографа с помощью схемы, изображенной на рис.3.

Если заменить сопротивление R₁другим сопротивлениемR₂, то время релаксации станет равным

. (15)

Рассматривая (14) и (15) как систему двух уравнений с двумя неизвестными R^*иL, находим

, (16)

или .

(17)

Формулы (17) позволяют, измерив и, определить индуктивность соленоида с учетом, то есть существенно повысить точность измерения.

Теперь рассмотрим второй способ определения индуктивности L соленоида с помощью вынужденных электромагнитных колебаний в контуре.

Учтем, что в формулу (10) входит общее сопротивление контура

,

а в формулу (11) – напряжение на концах сопротивления R₁.

Приравняем правые части формул (10) и (11), учтя сказанное:

(18)

Выражая из (18) индуктивность получим

. (19)

Формула (19) переходит в (12) при , то есть при условии. Кроме того, из (19) видно, что точность определенияLрастет с ростом отношения. А это отношение велико, если в основном падение напряжения происходит на индуктивном сопротивлении:.

Поэтому, как отмечалось выше, если проводить измерения при достаточно больших частотах, то можно получить хорошую точность, используя упрощенную формулу (12).

Задание к работе

1. Подключите последовательно соединенные резистор и катушку индуктивностибез ферромагнитного сердечника к генератору прямоугольных импульсов (Рис. 3).

2. Подключите “Y”-вход осциллографа к концам резистора . На генераторе установите частоту 1200Гц. Получите на экране устойчивую картину изменения напряжения на этом сопротивлении со временем, подобную изображенной на Рис.1. Зная время развертки осциллографа, определите время релаксации.

3. Отключите сопротивление и замените его сопротивлением.

4. Определите с помощью осциллографа время релаксации .

5. Пользуясь формулами (16) и (17) определите величины R^*иL₁.

6. Приступите к измерению индуктивности вторым способом. Для этого подключите последовательно соединенные резистор и катушку индуктивностик звуковому генератору (Рис. 4), установив на нем значение частоты ~15кГц и некоторое значение амплитуды сигнала.

7. С помощью осциллографа измерьте амплитудное значение падения напряжения на резисторе .

8. Повторите измерения амплитуды при частотах ~6кГц и ~2 кГц.

9. Отключите осциллограф от концов резистора, а звуковой генератор от RL-контура и, не изменяя величину его сигнала, измерьте с помощью осциллографа амплитудное значение ЭДС генератора.

11. Вычислите индуктивность по формуле (12) для всех трех частот.

12. Сравните результаты измерения, объясните различия.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит явление электромагнитной индукции?

2. Сформулируйте закон Фарадея и правило Ленца для электромагнитной индукции.

3. Объясните физическую причину появления индукционного тока в неподвижном контуре, помещенном в переменное магнитное поле.

4. Найдите выражение для ЭДС индукции и индукционного тока в плоском витке, равномерно вращающемся в однородном, стационарном магнитном поле.

5. В чем состоит явление самоиндукции и взаимной индукции? Напишите выражение для ЭДС индукции в обоих случаях.

6. Что называется индуктивностью контура? От чего она зависят?

7. Как определить индуктивность контура путем подключения и отключения внешнего источника ЭДС (т.е. первым способом)?

8. Объясните физический смысл времени релаксации. Как, измерив это время, определить индуктивность соленоида?

9. Как повысить точность этих измерений? Получите соответствующие рабочие формулы.

10. Как, используя вынужденные электромагнитные колебания, осуществить измерение индуктивности соленоида вторым способом? Получите соответствующую формулу.

11. Что влияет на точность измерения индуктивности вторым способом и как её повысить?

Измерение индуктивности и емкости

Индуктивность I и емкость С в основном измеряются косвенным методом с помощью амперметра, вольтметра и ваттметра. Для более точных результатов применяются мостовой методМетод амперметра-вольтметра – ваттметра (рис.13) является наиболее доступным при определении параметров пассивных двухполюсников. Результаты измерений действующих значений тока I , напряжения U и мощности Р позволяют вычислить полное сопротивление Z_x = U / I,активное сопротивление R = P / I ² и реактивное сопротивление

Если измеряемой величиной является индуктивность, то она определяется по формуле: 

L = X_L / щ

а если емкость, то по следующей формуле: C = 1 /  щ

Для измерения индуктивности и емкости также широко при­меняется

мостовой метод. Схема моста, применяемого для определения параметров индуктивной катушки ( R_x , L_x),приведена на рис.14. При уравновешивании моста омическое сопротивле­ние провода обмотки индуктивной катушки

R_x = R ₁ R ₂ / R ₃

Измеряемая индуктивность

L_x = С_э R ₁ R ₂

где С_э – образцовая (эталонная) емкость

Рис. 13. Схема измерения                 Рис. 14. Схема моста для измерения индуктивности

Индуктивности и емкости методом    

Амперметра-вольтметра-ваттметра:

 П – пассивный двухполюсник.

рис.15. Схема моста для измерения емкости: НИ- нулевой индикатор

Погрешность мостовых методов измерения составляет около 1 – 3%; пределы измерения – 0,1 – 1 000 Гн. Схема моста для измерения емкости С_х и сопротивления R_xкон­денсатора с малыми потерями приведена на рис. 15. Обеспечивая условие равновесия моста, получаем выражения: С_х  = C ₀ – R ₄ / R ₂ ; R_{x =} R ₂ – R ₃ / R ₄

                                        ГЛАВА 9

            ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ И СДВИГА ФАЗ

Измерение частоты. Измерение частоты является одной из важ­нейших задач измерительной техники. Для этой цели используют методы непосредственной оценки и метод сравнения. В области Низких частот (до 2 кГц) для измерения частоты применяют элек­тромеханические частотомеры. Для измерения высоких частот ис­пользуют электронные аналоговые и цифровые частотомеры. Ча­стоту нередко измеряют осциллографом (рис. 16).

При измерениях методом непосредственной оценки не тре­буется дополнительных измерительных приборов. В соответствии ^с инструкцией по эксплуатации осциллографа производят кали­бровку длительности развертки и подают исследуемый сигнал Па «ВходУ». Переключением частоты развертки и регулировкойуровня синхронизации добиваются устойчивого изображения сиг­нала на экране. Измеряют целое число периодов сигнала (в делени­ях), укладывающихся на линии горизонтальной развертки, и опре­деляют частоту исследуемого сигнала, Гц, по формуле

f = n / l Т_р

где n – число периодов исследуемого сигнала; l– длина линии раз­вертки (в делениях масштабной сетки), на которой укладывается возможно большее целое число периодов исследуемого сигнала; Т_р – коэффициент развертки в исследуемом диапазоне, с/дел.

Измерение частоты этим способом не требует, как отмечено ра­нее, других измерительных приборов, но не обладает высокой точ­ностью.

Для измерений методом сравнения дополнительно требуется ге­нератор сигналов. Измерения производят методом фигур Лиссажу.

Сигнал известной частоты от генератора сигналов подают на «Вход X» осциллографа, исследуемый сигнал – на «Вход У». Генератор горизонтальной развертки выключают. Органами управле­ния устанавливают приблизительно одинаковые размахи отклоне­ния луча по горизонтали и вертикали. Изменяя частоты генератора сигналов, стараются получить на экране фигуру Лиссажу первого порядка – эллипс или круг (рис. 17). При этом частоты исследуе­мого сигнала и генератора оказываются равными. Значение изме­ренной частоты считывают со шкалы генератора.

Если максимальное значение частоты имеющегося генератора ниже частоты исследуемого сигнала, можно воспользоваться более сложными фигурами Лиссажу, получаемыми на экране осциллографа при кратном соотношении частот

Рис.16 Осциллограф двухлучевой

Рис. 17. Фигуры Лиссажу

Расшифровывают подобные осциллограммы следующим обра­зом. Регулировками положения луча по вертикали и горизонтали перемещают фигуру Лиссажу так, чтобы горизонтальная и верти­кальная линии масштабной сетки экрана оказались касательными к боковой и нижней (верхней) сторонам фигуры (рис. 18). Под­считывают число точек касания фигуры с линиями сетки. Отноше­ние числа этих точек показывает отношение частот генератора f _г и исследуемого f сигналов.      

 Например, для фигуры, изображенной на рис.18, соотношение частот f и f _г равно 5 :2, поэтому частоту поэтому частоту исследуемого сигнала находят по формуле

f = 5 f _г /2

Рис.18. Фигура Лиссажу при соотношении частот исследуемого и эталонного сигналов 5:2

Рис.19.Измерение сдвига фаз методом эллипса

9.2Измерение сдвига фаз. Сдвиг фаз между двумя напряжениями определяется методами непосредственной оценки и сравнения при исследовании различного рода четырехполюсников (трансформатров, фильтров, усилителей и др.) в заданном диапазоне частот, а также зависимости сдвига фаз от частоты. Сдвиг фаз выражается в радианах или градусах.

Наиболее распространены для измерения сдвига фаз электдинамический (на низких частотах), электронный, цифровой фазометры и осциллограф (на высоких частотах).

Способ оценки сдвига фаз между двумя напряжениями с помощью электронно-лучевого осциллографа методом эллипса демонстрируется на рис. 19.

Одно из исследуемых напряжений   подают на вход Y а другое    на вход X электронно-лучевого осциллографа. На экране появится фигура – эллипс. Центр эллипса совмещают с началом координат. Находят точки пересечения эллипса с осями и определяют максимальную абсциссу (ординату) При t = О   напряжение  = 0, а напряжение  .

Отрезок ab эллипса пропорционален  ,а отрезок cd, соответствующий максимальному отклонению луча по горизонтали, пропорционален  В этом случае

Можно вычислить сдвиг по фазе и по отношению большой B и малой А осей эллипса

Погрешность измерения сдвига фаз осциллографом составляет 5 – 10 % и определяется неточностью отсчета длин отрезков, деформацией эллипса из-за наличия высших гармоник в исследуемых напряжениях, наличием собственного сдвига фаз в каналах прибора

                                                 Приложения

                           Приложение 1

                                Гальванометр

Гальванометр – это устройство для измерения электрических параметров, которое работает на основе преобразование электрического тока в механическое движение и отражает величину измеряемого параметра на шкале.

Гальванометр

Рис.1

Первые эксперименты с осциллографом Rigol DS1054Z

В плане идеи осциллограф является достаточно простым устройством. Осциллограф измеряет напряжение, часто сразу в нескольких точках цепи, и отображает результаты измерений в виде графиков. То есть, это что-то вроде очень навороченного вольтметра. Это что касается идеи, а вот внутреннее устройство осциллографа намного сложнее. В сущности, современные осциллографы являются специализированными компьютерами, и цены на них соответствующие. На сегодняшний день оптимальным в плане отношения цена / качество осциллографом начального уровня является Rigol DS1054Z.

Об осциллографе

Примечание: Меня предупреждали, что при покупке осциллографа в Китае через интернет могут возникнуть проблемы на таможне. Если у кого-то из читателей есть опыт, подтверждающий или опровергающий это утверждение, прошу поделиться им в комментариях. Я лично решил купить осциллограф в России, как по только что озвученной причине, так и из соображений безопасности транспортировки и наличия гарантии.

Цена за Rigol DS1054Z колеблется в районе 400-450$, в зависимости от страны и магазина. Не такие уж маленькие деньги, но тут работает правило «скупой платит дважды». Если вообще брать осциллограф, то лучше сразу взять нормальный, который подойдет вам для большинства практических задач и прослужит много лет, чем взять подешевле, а затем все равно заплатить за DS1054Z.

Итак, основные характеристики Rigol DS1054Z:

• Экран: цветной, 7″, 800x400;
• Количество каналов: 4;
• Полоса пропускания: 50 МГц, можно «разогнать» до 100 МГц;
• Частота дискретизации: 1 GS/s;
• Объем памяти: 24 млн точек;
• Вертикальное разрешение: 8 бит;

Плюс к этому осциллограф обладает множеством интересных софтверных фичей — измерение максимума, минимума, peak-to-peak, частоты, скважности сигнала и так далее, математические операции над сигналами, декодирование RS-232, I2C и SPI, снятие скриншотов с сохранением на флешку, возможность печати на принтере, подключения к Ethernet-сети, и так далее.

Полоса пропускания — это такая частота входного сигнала, при которой осциллограф покажет не менее 0.707 от настоящей амплитуды сигнала (аттенюация ≤ 3 дБ). Если полоса пропускания осциллографа составляет, к примеру, 100 МГц, он все равно покажет вам сигнал с частотой 200 МГц, и даже 500 МГц, но амплитуда сигнала будет существенно меньше настоящей. Кроме того, если сигнал не является синусоидным, он может быть существенно искажен из-за аттенюации гармоник.

Что означают остальные характеристики и на что они влияют должно быть понятно из названия. Насколько я смог выяснить, это лучшие характеристики для данного ценового класса. За те же деньги среди альтернатив вы найдете либо осциллограф с двумя каналами, либо с меньшей полосой пропускания.

Здорово, конечно, но пока что все это выглядит больно похоже на четыре вольтметра в одном корпусе 🙂 Так зачем же осциллограф может потребоваться на практике, и что он может такого, чего не может вольтметр? Чтобы ответить на эти вопросы, проведем несколько более-менее практических опытов.

Эксперимент 1. Определяем индуктивность катушки

Рассмотрим следующий сигнал:

Здесь вы видите затухающие колебания в LC-контуре. Чтобы получить такой сигнал, нужно спаять катушку индуктивности с керамическим конденсатором и соединить все как изображено на следующем фото:

Сигнал возникает при кратковременной подачи питания в цепь. Держать питание подключенным слишком долго не рекомендую, я так одну катушку спалил. Доли секунды будет более, чем достаточно. Заметьте, что для избавления от различных паразитных эффектов цепь нужно именно спаять, а не собрать на макетной плате.

Емкость конденсатора обычно известна, во-первых, потому что на нем есть маркировка, а во-вторых, потому что функция измерения емкости конденсатора есть во многих мультиметрах. Осциллограф же оказался достаточно умным, чтобы автоматически определить период и частоту колебаний в контуре. На фото не особо видно, но они подписаны желтым цветом под сигналом. Период и частота составили 19. 2 мкс и 52.1 КГц соответственно.

Зная емкость конденсатора и частоту колебаний, можно по формуле Томсона определить индуктивность катушки:

>>> from math import pow, pi
>>> # частота колебаний – 52.1 КГц
>>> f = 52.1 * pow(10, 3)
>>> # емкость конденсатора, согласно мультиметру – 94.3 нФ
>>> C = 94.3 * pow(10, -9)
>>> # вычисляем индуктивность через формулу Томсона
>>> L = 1 / (4 * pow(pi, 2) * pow(f, 2) * C)
>>> # индуктивность катушки в мкГн
>>> L * pow(10, 6)
98.95850461540098

На практике, конечно же, измерения нужно проводить хотя бы 3 раза, а также оценивать погрешность измерений.

Итак, если у вас есть осциллограф, RLC-метр можно не покупать. Все необходимое для измерения индуктивности катушек у вас уже есть.

Эксперимент 2. Наблюдение за колебательными процессами

Раз уж заговорили о колебаниях, вот еще пара примеров. С помощью осциллографа можно посмотреть, как именно меняется напряжение на светодиодах в мультивибраторе:

На следующем же скриншоте изображены прямоугольный сигнал от таймера 555:

Горизонтальные и вертикальные линии, которые вы видите, называются курсорами. Их можно перемещать при помощи элементов управления осциллографа для измерения интересных свойств сигнала.

Эксперимент 3. Сравниваем шумы регуляторов напряжения

Говорят, что импульсные регуляторы напряжения имеют больший шум, чем линейные. Но насколько эта разница велика и имеет ли она значение на практике? Давайте выясним!

Шумы от линейного регулятора LM7805, который упоминался в заметке Интегральные схемы: чипы стандартной логики 74xx, выглядят следующим образом:

Сравним его с импульсным регулятором LM2596, шум от которого выглядит так:

Для чистоты эксперимента в качестве источника питания в обоих случаях использовалась одна и та же батарейка крона. Как видите, шум у импульсного регулятора действительно оказался больше, +/- 0.065 В против +/- 0.04 В у линейного регулятора. Однако я не думаю, что это имеет большое значение на практике.

Заключение

Само собой разумеется, применений осциллографу можно найти куда больше, чем определение индуктивности катушек и увлеченное наблюдение за таймерами 555. Выше была приведена лишь пара примеров, первых пришедших мне в голову. На практике же все ограничивается только вашими потребностями и фантазией. Вообще, лично мне нравится думать об осциллографе, как о GDB для железа. Быть может, с его помощью я наконец-то перестану панически бояться чисто аналоговых схем — всяких там генераторов, фильтров, и вот этого всего.

Несколько видео по теме:

А есть ли у вас осциллограф и если да, то какой, и какие задачи с его помощью вы решаете?

Дополнение: Если вам понравилась заметка об осциллографе, вас могут заинтересовать статьи про Sigrok и логический анализатор DSLogic, анализатор спектра Rigol DSA815-TG, а также генератор сигналов и частотомер Rigol DG4162.

Метки: Девайсы, Электроника.

Измеритель тока насыщения катушек индуктивности

Доброго времени суток, уважаемое Сообщество!
Часто в практике построения разного рода преобразователей используются дроссели. И практически всегда к ним, кроме прочего, предъявляется одно важное требование: они не должны входить в насыщение. Хорошо, если дроссель покупной и заранее известны его параметры (но и им не всегда можно верить). А если он самодельный? А если это дроссель/трансформатор для флайбека/полумоста или ещё чего? В таком случае может помочь несложная приставка к осциллографу, позволяющая измерить ток насыщения той или иной катушки индуктивности с магнитопроводом. Сразу оговорюсь, конструкция не новая, разработка не моя, и на авторство не претендую, но некоторые доработки в исходные схемы всё же внёс. У кого появился интерес – добро пожаловать под кат.

Прототипами для создания схемы послужили схемы из журнала Схемотехника за 2002 год, №6, стр. 7 и отсюда
Получился некий симбиоз двух схем:

Кратко о самой схеме. На DD1, R3-R5, C1, VD1 собран стандартный генератор прямоугольных импульсов. При указанных номиналах период составляет 10 мс, длительность импульса в зависимости от положения движка R5 10…300 мкс. Генератор может быть собран, например на NE555. На VT1, R1, R2 собрана защита по току, которая прерывает импульс, как только ток через индуктивность превысит значение около 6А. Если перемычка XS1 снята, защита отключается и тут уже надо быть внимательным, чтобы ничего не сжечь. Через розетку XP1 выводится сигнал синхронизации для осциллографа (впрочем, как показала практика, он практически не нужен – мой С1-94 спокойно синхронизируется по самому сигналу с датчика тока). На VT2, VT3 собран драйвер затвора VT4. Отдельно хочется сказать о транзисторах 8050. У нас на рынке (Минск, Ждановичи) попадаются транзисторы с маркировкой S8050 и HE8050 и что самое гадкое, они имеют разную цоколёвку, так что будьте внимательны. Сигнал для осциллографа снимается с шунта 0,1 Ом 1% (выход, соответственно, 0,1В/А). Диод VD3 «принимает» на себя энергию, запасённую в катушке, когда транзистор закрывается. Диод VD2 служит для отфильтровывания питания для цифровой части.
Конденсаторы С5-С7 являются накопительными, именно благодаря им можно «вкачивать» в индуктивность большие токи, питаясь при этом от маломощного источника. С5 обязателен, ибо электролиты не выдержат таких токов и долго не проживут, а керамика имеет весьма низкое ЭПС. Конденсаторы так же желательно LowESR.
Методика работы проста. Подключаем осциллограф, исследуемую индуктивность, регулятор длительности импульса заводим в минимум, перемычку ограничения тока на уровне 6А ставим. Подключаем питание. От катушки может послышаться 100 Гц гудение, особенно, если она не залита лаком. На осциллографе мы должны наблюдать линейно нарастающее напряжение (примеры ниже). Плавно увеличиваем длительность импульса, и, соответственно, максимальный ток. Как только осциллограмма начнёт загибаться вверх – вот она – граница перехода в насыщение. Значит при токе выше этого эксплуатировать индуктивность уже нельзя.
Трассировка платы:

Фото собранной платы:

Выводные компоненты использованы потому, что а) их тоже надо куда-то девать; б) задача миниатюризации не ставилась.

Практика использования показала, что в течение небольшого времени с приставки можно снимать до 45А. Доказательством тому служит осциллограмма, снятая с ДГС и блока питания АТХ (индуктивность обмотки около 50 мкГн):

10А/дел.
Видно, что чёткой границы насыщения нет. При этом транзистор начинает греться, да и падение на шунте становится неприлично большим – 4,5В, что транзистору никак не помогает – уменьшается напряжение исток-затвор. Так что такие измерения (при больших токах) проводить нужно очень кратковременно.
Вот другой дроссель (намотанный на гантельке диаметром 9 мм (500 мкГн):

1А/дел.
Пока осциллограмма линейна – дроссель можно использовать. Как только она начинает загибаться вверх – магнитопровод входит в насыщение – такого режима следует избегать. Здесь насыщение происходит при токе чуть более 1А.

Также необходимо отметить, что при помощи этой приставки можно приблизительно измерять индуктивность. Для этого существует предельно простая формула:

где Uпит – напряжения питания, ΔI – приращение тока за время Δt. Напряжение в вольтах, ток в амперах, время в микросекундах – ответ получим в микрогенри.
Разумеется, такие измерения следует проводить только на линейной части осциллограммы.
В корпус приставку устанавливать не планируется. Только сделаю «поддон» из нефольгированного стеклотекстолита или оргстекла, чтоб случайно его на что-нибудь металлическое не положить.
Проект был создан в Altium Designer, файл PDF со схемой, общим видом, проводящим рисунком и шелкографией прикладываю.
На сим всё, спасибо за внимание)

Измерение частоты, индуктивности и ёмкости в электрических цепях

Измерение частоты, индуктивности и ёмкости в электрических цепях.

Измерение индуктивности и ёмкости.

Обычно измерение параметров линейных компонентов (ин­дуктивности и емкости) производят на высокой частоте резо­нансным методом. Он основан на том, что зависимость резо­нансной частоты колебательного контура от его параметров оп­ределяется формулой fo = 1/(2πx LC).

Определив резонансную частоту контура и зная значение эта­лонного компонента (конденсатора или индуктивности), можно определить значение другого.

Рис. 9.10. Измерение фазовых сдвигов:

А — двухканальным осциллографом; б — методом эллипса; в — компенса­ционным методом

Приборы для таких измерений получили название куметров, так как они позволяют определять добротность колебательного контура Q, которая равна отношению напряжения на конденса­торе к напряжению на входе контура.

Куметр включает генера­тор высокой частоты, образ­цовый градуированный в зна­чениях емкости конденсатор и клеммы подключения изме­ряемой катушки индуктивности

или конденсатора. Для измерения индуктивности ка­тушки Lx ее подключают к выводам кат и настройкой генератора высокой частоты добиваются явления последовательного резо­нанса. Его находят по показанию электронного вольтметра, под­ключенного к эталонному конденсатору. Фор­мула LX = 1 / (4π2 · F · C0) где F — частота, C0 — ёмкость образцового конденсатора, позволяет по известным значениям емкости эталонного конденсатора и резонансной частоте определить величину индук­тивности катушки. Напряжение высокочастотного сигнала гене­ратора обычно фиксировано, что позволяет шкалу измерительно­го электронного вольтметра отградуировать непосредственно в значениях добротности Q.

Для измерения емкости конденсатор подключают к выводам схемы конденсатора, а к выводам кат эталонную катушку индуктивности. При вычислении емкости конденсатора необходимо учесть, что параллельно ему подключен эталонный конденсатор, величину емкости которого необходимо вычесть из полученного значения суммарной емкости. Указанные методы измерения значений емкости и индуктивности применимы толь­ко для малых величин, но именно такие методы используются в высокочастотных цепях различной аппаратуры.

Приборы непосредственной оценки и сравнения

К измерительным приборам непосредственной оценки значения измеряемой емкости относятся микрофарадметры, действие которых базируется на зависимости тока или напряжения в цепи переменного тока от значения включенной в нее измеряемой емкости. Значение емкости определяют по шкале стрелочного измерителя.

Более широко для измерения параметров конденсаторов и индуктивностей применяют уравновешенные мосты переменного тока, позволяющие получить малую погрешность измерения (до 1 %). Питание моста осуществляется от генераторов, работающих на фиксированной частоте 400—1000 Гц. В качестве индикаторов применяют выпрямительные или электронные милливольтметры, а также осциллографические индикаторы.

Измерение производят балансированием моста в результате попеременной подстройки двух его плеч. Отсчет показаний берется по лимбам рукояток тех плеч, которыми сбалансирован мост.

В качестве примера рассмотрим измерительные мосты, являющиеся основой измерителя индуктивности ЕЗ-3 (рис. 1) и измерителя емкости Е8-3 (рис. 2).

Рис. 1. Схема моста для измерения индуктивности

Рис. 2. Схема моста для измерения емкости с малыми (а) и большими (б) потерями

При балансе моста (рис. 1) индуктивность катушки и ее добротность определяют по формулам Lx = R1R2C2; Qx = wR1C1.

При балансе мостов (рис. 2) измеряемая емкость и сопротивление потерь определяют по формулам

Измерение емкости и индуктивности методом амперметра-вольметра

Для измерения малых емкостей (не более 0,01 – 0,05 мкФ) и высокочастотных катушек индуктивности в диапазоне их рабочих частот широко используют резонансные методы Резонансная схема обычно включает в себя генератор высокой частоты, индуктивно или через емкость связанный с измерительным LС-контуром. В качестве индикаторов резонанса применяют чувствительные высокочастотные приборы, реагирующие на ток или напряжение.

Методом амперметра-вольтметра измеряют сравнительно большие емкости и индуктивности при питании измерительной схемы от источника низкой частоты 50 – 1000 Гц. Для измерения можно воспользоваться схемами рис. 3.

Рисунок 3. Схемы измерения больших (а) и малых (б) сопротивлений переменному току

По показаниям приборов полное сопротивление

где

из этих выражений можно определить

Когда можно пренебречь активными потерями в конденсаторе или катушке индуктивности, используют схему рис. 4. В этом случае

Рис. 4. Схемы измерения больших (а) и малых (б) сопротивлений методом амперметра — вольтметра

Измерение взаимной индуктивности двух катушек

Измерение взаимной индуктивности двух катушек можно произвести по методу амперметра-вольтметра (рис. 5) и методу последовательно соединенных катушек.

Рис. 5. Измерение взаимной индуктивности по методу амперметра-вольтметра

Значение взаимной индуктивности при измерении по методу амперметра-вольтметра

При измерении по второму методу замеряют индуктивности двух последовательно соединенных катушек при согласном LI и встречном LII включении катушек. Взаимоиндуктивность вычисляется по формуле

 

Измерение индуктивности может быть произведено одним из описанных ранее методов.

Измерение частоты переменного тока

Частоту переменного тока измеряют частотомерами. Обычно применяют резонансные электромагнитные или ферродинамические приборы.

Электромагнитный резонансный частотомер имеет электромагнит 2 (рис. 344, а), в поле которого расположены стальной якорь 1 и соединенный с ним стальной брусок 5. Этот брусок укреплен на упругих пружинах 4 и на нем размещен ряд гибких стальных пластинок 3, площадь поперечного сечения которых подобрана таким образом, что каждая следующая пластинка имеет частоту собственных колебаний на 0,5 Гц больше, чем предыдущая.

Рис. 344. Устройство электромагнитного резонансного частотомера

Рис. 345. Принципиальная схема ферродинамического частотомера .

Свободные концы пластинок введены в прорезь, имеющуюся на шкале прибора. Катушка электромагнита присоединена к сети переменного тока так же, как и катушка вольтметра.

При прохождении по катушке переменного тока электромагнит создает магнитное поле, пульсирующее с частотой изменения тока. Находящийся в этом поле якорь 1 также начнет совершать колебательные движения и вызывать колебания связанных с ним пластинок 3.

Колебания пластинок обычно бывают настолько незначительными, что они не могут быть замечены глазом.

Однако, если частота собственных колебаний какой-либо пластинки совпадает с частотой изменения переменного тока, т. е. с частотой колебаний якоря, то наступит явление механического резонанса, при котором эта пластинка начнет колебаться с большой амплитудой. Белый квадратик на ее конце превращается при этом в белую полоску (рис. 344,б), против которой по шкале можно отсчитывать измеряемую частоту. Значительно слабее колеблются две пластинки, колебания же всех остальных пластинок обычно совершенно незаметны для глаза.

Ферродинамический частотомер (рис. 345) представляет собой логометр ферродинамической системы. Катушки логометра соединяются в две параллельные цепи, которые подключаются к двум точкам а и б, между которыми действует напряжение переменного тока U (так же, как и вольтметры). Последовательно с неподвижной 3 и одной из подвижных 1 катушек включены катушка индуктивности L и конденсатор С, а последовательно с другой подвижной катушкой 2 — резистор с сопротивлением R (могут быть и другие комбинации R, L и С). Поэтому ток I1 в первой параллельной ветви зависит от частоты f, а ток I2 во второй цепи не зависит от f.

В результате при изменении частоты f будут изменяться ток I1 и положение подвижной части логометра до тех пор, пока не наступит равновесие моментов М1 и М2, создаваемых его катушками. Показания такого прибора будут зависеть от частоты f.

Непосредственное измерение частоты производят частотомерами, в основу которых положены различные методы измерения в зависимости от диапазона измеряемых частот и требуемой точности измерения. Наиболее распространенными методами измерения частоты являются:

Метод перезаряда конденсатора за каждый период измеряемой частоты. Среднее значение тока перезаряда пропорционально частоте и измеряется магнитоэлектрическим амперметром, шкала которого проградуирована в единицах частоты. Выпускают конденсаторные частотомеры с пределом измерения 10 Гц – 1 МГц и погрешностью измерения +2%.

Резонансный метод, основанный на явлении электрического резонанса в контуре с подстраиваемыми элементами в резонанс с измеряемой частотой. Измеряемая частота определяется по шкале механизма подстройки. Метод применяется на частотах более 50 кГц. Погрешность измерения можно уменьшить до сотых долей процента.

Метод сравнения измеряемой частоты с эталонной. Электрические колебания неизвестной и образцовой частот смешиваются таким образом, чтобы возникли биения некоторой частоты. При частоте биений, равной нулю, измеряемая частота равна образцовой. Смешение частот осуществляют гетеродинным способом (способ нулевых биений) или осциллографическим.

При последнем способе применяют осциллограф с отключенным генератором внутренней развертки. Напряжение образцовой частоты подают на вход усилителя горизонтальной развертки, а напряжение неизвестной частоты – на вход усилителя вертикального отклонения.

Изменяя образцовую частоту, получают неподвижную или медленно меняющуюся фигуру Лиссажу. Форма фигуры зависит от соотношения частот, амплитуд и фазового сдвига между напряжениями, подаваемыми на отклоняющие пластины осциллографа.

Если мысленно пересечь фигуру по вертикали и горизонтали, то отношение числа пересечений по вертикали m к числу пересечений по горизонтали n равно при неподвижной фигуре отношению измеряемой fх и образцовой fобр частот.

При равенстве частот фигура представляет собой наклонную прямую, эллипс или окружность.

Частота вращения фигуры будет точно соответствовать разности df между частотами fx’ и fx, где fx’ = fобр (m / n) и, следовательно, fx = fобр (m / n) + df. Точность способа определяется в основном погрешностью задания образцовой частоты и определения величины df.

Другой способ измерения частоты методом сравнения – с использованием осциллографа, имеющего калиброванное значение длительности развертки либо встроенный генератор калиброванных меток.

Зная длительность развертки осциллографа, и подсчитав, сколько периодов измеряемой частоты укладывается на выбранной длине центрального участка экрана осциллографа, имеющего наиболее линейную развертку, можно легко определить частоту. Если в осциллографе имеются калибрационные метки, то, зная временной интервал между метками и подсчитав их число на один или несколько периодов измеряемой частоты, определяют длительность периода.

Другим способом является подсчет периодов сигнала измеряемой частоты за фиксированное время, например, за 1 секунду.

Практическая работа № 10
DOC / 30.5 Кб

9 Индуктивность

9 Индуктивность Подразделы

---

Помимо чтения этого задания, прочтите Приложение C: Руководство по осциллографу. Вам также может потребоваться обратиться к Приложение А о неопределенностях.

Чтобы ускорить процедуру проверки в конце лабораторной работы, обсудите свои данные и предварительные ответы на вопросы в разделе 9 со своим инструктором по мере выполнения лабораторной работы.

Катушка индуктивности представляет собой катушку с проволокой, которая накапливает энергию в магнитное поле, когда по нему проходит ток. Индуктивность индуктора определяется как магнитный поток, проходящий через индуктор на единицу тока

(25)

Любое изменение тока через индуктор ведет изменению создаваемого магнитного поля. Это, в свою очередь, приводит к изменение магнитного потока через катушку индуктивности, которое по Фарадею закон, создает наведенную ЭДС в катушке индуктивности.

Рисунок 24: (а) Последовательная цепь LR. (б) Разность потенциалов на индуктор после включения переключателя.

Момент выключателя в схеме, показанной на рисунке 24 закрыт, ток не течет, а напряжение на индуктор такой же, как ЭДС напряжения источник. Сила тока сразу начинает расти с нуля, изменяя сначала быстро, и выравнивается по мере достижения своего устойчивого состояния значение .Разность потенциалов на катушке индуктивности экспоненциально затухает со скоростью изменения тока как

(26)

где – постоянная времени цепи LR, заданная от

(27)

Это время, необходимое, чтобы упасть до доли своего начальный заряд. Как вы обнаружили при измерении емкости в Лаборатория 7, на практике легче измерить полупериод. экспоненциального затухания, чем его постоянная времени.Время постоянная связана с полупериодом через

(28)

Так же, как емкость конденсатора зависит от геометрии его проводников индуктивность индуктора зависит от геометрии его проволочные петли. Индуктивность соленоида площади поперечного сечения , длина и количество витков определяется выражением

(29)

Вы будете использовать осциллограф для измерения индуктивности соленоида. вы работали в Лаборатории 8.Вы также будете исследовать поведение LR-фильтра. Во-первых, у вас будет возможность ознакомьтесь со многими элементами управления и функциями осциллограф (см. Приложение C).

Знакомство с осциллографом

1. Подключите выводы типа «крокодил» от канала 1 осциллографа. на выходе генератора функций.
2. Настройте генератор функций на создание синусоидальной формы волны.
3. Установите источник запуска на Ch2.
4. Срабатывание при положительном наклоне.
5. Отрегулируйте шкалу по горизонтали и вертикали, а также ручки положения и регулятор уровня запуска, чтобы сигнал был стабильным, красивым и большим, и по центру дисплея. Если у вас возникнут проблемы, обратитесь за помощью.
6. Поэкспериментируйте с уровнем срабатывания и регуляторами крутизны, пока вы понимаете, что они делают. При каких обстоятельствах срабатывает сбой, отображая изображение, подобное Рис. 36 Приложение C?
7. Отсоедините провода типа «крокодил» от функционального генератора и пусть кто-нибудь держит по одному поводку в каждой рукеИзмерьте частоту сигнал. Что бы это могло быть?

Измерение индуктивности

Рисунок 25: (а) Схема, в которой генератор функций с внутренним сопротивление и прямоугольная форма волны перемещают ток вперед и назад через индуктор с внутренним сопротивлением последовательно с резистор. (б) Качественный график разности потенциалов на индуктор vs.время.

1. Измерьте и запишите сопротивление соленоида и резистора с помощью цифрового мультиметра.
2. Вы должны найти внутреннее сопротивление функции генератор на этикетке рядом с его выходными клеммами. Записывать их. (Это невозможно измерить напрямую с помощью цифрового мультиметра.)
3. Постройте схему, показанную на Рисунок 25. Важно подключить черные провода от функционального генератора и осциллографа к противоположный конец соленоида от резистора, потому что они заземлен.
4. Подключите осциллограф параллельно соленоиду.
5. Настройте генератор функций на создание прямоугольной формы волны.
6. Отрегулируйте вертикальный и горизонтальный масштаб и положение осциллограф для отображения напряжения на катушке индуктивности.
7. Отрегулируйте частоту функционального генератора, чтобы получить сигнал, подобный показанному на рисунке 25.

   Обратите внимание, что разность потенциалов на катушке индуктивности затухает до небольшого постоянного значения вместо нуля.Это падение напряжения на внутреннем сопротивлении соленоида.

8. Измерьте полупериод спада наведенной ЭДС. в соленоиде. Чтобы добиться максимальной точности, отрегулируйте горизонтальная и вертикальная шкалы, так что единичный распад заполняет дисплей осциллографа.

   Одна стратегия:

   • Используйте ручку вертикального положения, чтобы разместить базовую линию распада (нижняя пунктирная линия на Рисунок 25) в нижней части дисплея.
   • Используйте комбинацию внешнего регулятора VOLTS / DIV и внутренняя ручка переменной шкалы для растяжения сигнала по вертикали так, чтобы максимальное напряжение (верхняя пунктирная линия на Рис.25) находится вверху дисплея, так что полное падение потенциала на промежутках между индукторами вертикальный масштаб дисплея.
   • Половина затухания – это временной интервал между пик и точка, в которой сигнал пересекает центр отображать.
   • Для большей точности используйте ручку TIME / DIV, чтобы растянуть сигнал как можно больше, прежде чем закончить перерыв измерение.
9. Определите индуктивность катушки и ее погрешность по ваше измерение в перерыве между таймами. Не забудьте использовать сумму сопротивления резистора и внутренние сопротивления генератор функций и соленоид в ваших расчетах!
10. Используйте уравнение.29 и измеренная индуктивность до определить количество витков в соленоиде и связанном с ним неуверенность.

Проверить

Будьте готовы ответить на следующие (и другие) вопросы во время и в конце лабораторного периода. Когда вы думаете, что готовы к оформлению заказа, сообщите об этом своему инструктору. Ваш инструктор задаст вопросы вашей группе и отдельным лицам в вашей группе. Инструктор должен убедиться, что все члены группы понимают концепции, процедуры и данные.Если инструктор доволен, вы закончили лабораторную работу.

Вы можете сделать этот процесс более эффективным, отвечая на вопросы в течение всего лабораторного периода. Позвоните своему инструктору, чтобы обсудить ваши данные и предварительные мысли по любому из следующих вопросов.

Всегда аргументируйте свои ответы.

1. При каких обстоятельствах вы могли бы получить такой дисплей? беспорядок на Рисунке 36 Приложения C? Объясните, почему не удается запустить триггер.
2. Как вы думаете, что является источником измеренного вами сигнала через руки человека? Объяснять.
3. Приведите свои результаты для индуктивности и количества витков соленоид с неопределенностями. Покажите расчеты, которые вы сделали для взять их.

Авторские права © 2006-2010, L.A. Riley, T. J. Carroll, J.S. Скотт

Обновлено 31 декабря 19:00:00 1969 г.

Эта работа находится под лицензией Creative Commons License.

Индуктивность

Измерение индуктивности

В этом лабораторном эксперименте мы будем измерять индуктивность соленоида. Первый способ мы будет делать это для измерения постоянной времени tau цепи RL. Это повторение измерения постоянная времени в RC-цепи с индуктором вместо конденсатора. На предварительной лабораторной работе вы должны указать, почему цепь RL будет иметь постоянную времени так же, как цепь RC.

Для эксперимента на этой неделе вам понадобится индуктор, резистор, функция генератор, цифровой мультиметр и осциллограф. Для катушки индуктивности и резистора мы будем использовать Печатная плата PASCO RLC. Подключите индуктивность и резистор последовательно. Как только это будет сделано, соедините индуктивность и резистор последовательно с функциональным генератором и установите выход генератор, чтобы дать вам прямоугольные волны.

На этом этапе вы должны использовать осциллограф, чтобы увидеть напряжение на резисторе. Ты должны увидеть те же формы сигналов, которые вы видели в лабораторной работе 6. Повторите измерения, сделанные несколько недель назад. Найдите размах напряжения, вычислите Vo * e ^-1 , а затем сделайте «одноточечную» оценку постоянная времени.Затем экспортируйте данные и построите график зависимости времени от напряжения (вы не забыли принесите USB-накопитель в лабораторию, верно?). Наклон (или отрицательный) даст постоянную времени. Сравните неопределенности между двумя разными методами и сообщить значение L.

В то время как один партнер по лаборатории рисует данные части распада этого эксперимента, другой должен настраивать цепь RLC.

Решение для последовательной цепи RLC имеет два члена, которые умножаются, один, который выражает экспоненциальный спад, который представляет потерю мощности из-за сопротивления, и синусоидальный функции, которые учитывают обмен энергией между конденсатором и катушкой индуктивности.-2 и укажите значение L. Как это соотносится с другими вашими значениями?

Измерение ESR и индуктивности конденсатора

Измерение ESR и индуктивности конденсатора Высокочастотные измерения Страница в Интернете
Дуглас С. Смит

Адрес: P.O. Box 1457, Los Gatos, CA 95031
ТЕЛ: 800-323-3956 / 408-356-4186
ФАКС: 408-358-3799
мобильный: 408-858-4528
URL: www.dsmith.org
Электронная почта: [email protected]

---

Измерительная самоиндукция конденсатора и ESR

Рис. 1. Контрольная схема для измерения самоиндукции конденсатора и ESR

Техническая информация

Паразитные параметры конденсатора, то есть его эквивалента ряд сопротивление (ESR) и его индуктивность влияют на работу конденсатора в цепях. Некоторые приложения очень чувствительны к этим параметрам.Например, байпасный конденсатор, используемый между питанием и землей в цифровой цепи, должен иметь возможность быстро подавать ток на близлежащие активные устройства. Если это тоже большой индуктивности он не сможет этого сделать. Точно так же переходный реакция конденсатора, используемого для отвода импульса тока из-за электростатического Разряд очень важен для способности конденсатора выполнять свою работу.

Итак, как можно измерить паразитные параметры конденсатора? Один конечно, можно было бы подключить конденсатор к анализатору цепей и получить очень хорошая характеристика.Однако такой инструмент может быть довольно дорогим. Даже менее дорогие приборы для измерения емкости могут быть недоступны. при необходимости. Оба инструмента не могут предоставить информацию в удобной форме. полезная форма. Если у вас есть генератор импульсов (желательно с выходом 50 Ом импеданс) и осциллографом, вы можете легко измерить переходную характеристику конденсатора. Исходя из этих данных, ESR и индуктивность конденсатора можно определить.

Сначала постройте простую сеть, показанную на Рисунке 1 в конце коаксиальный кабель 50 Ом, питаемый от генератора импульсов 50 Ом.Резистор 50 Ом используется на рисунке 1 для отключения коаксиального кабеля во время нарастающего фронта и обеспечения полное сопротивление источника 100 Ом. Показанный резистор – 51 Ом. Резистор из углеродного состава на 1/2 Вт с одним обрезанным выводом, резистор просто устанавливается с обрезанным проводом, полностью вставленным в разъем BNC. Возможно, потребуется немного припаять вывод резистора. так, чтобы он оставался надежно в разъеме BNC. Конденсатор, подлежащий испытанию подключается между концом резистора и корпусом разъема BNC.Осциллограф подключается непосредственно к конденсатору с помощью проводов. как можно короче, чтобы подключить зонд. Пробники с резистивным входом Рекомендуется импеданс от 500 до 1000 Ом. Стандартные пробники 10X “Hi-Z” часто имеют эффекты нарастающего фронта, которые искажают часть формы волны используется для расчетов.

Для длительности импульса, большой по отношению к постоянной времени RC, можно увидеть экспоненциальный рост напряжения холостого хода импульса источник. Для целей этого обсуждения мы рассмотрим первые пару сотен милливольт экспоненциального нарастания на 5 вольт.Пример это показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Начальный подъем

На рисунке 2 показано начало экспоненциального роста напряжения на конденсатор при запуске генератора импульсов. Вертикальный масштаб около 200 мВ, а горизонтальное время составляет небольшую часть постоянной времени RC. 100 Ом и измеряемый конденсатор. Поскольку напряжение на конденсаторе все еще очень мало по сравнению с выходом холостого хода генератора 5 В, ток через конденсатор можно считать постоянным и равным к напряжению холостого хода генератора, деленному на 100 Ом, 50 мА в этом дело.

Время нарастания тока будет таким же, как и у напряжения генератора. Если подъем представляет собой наклон с постоянным наклоном и конденсатор не имеет индуктивности, начальный подъем, показанный на рисунке 2, будет следовать пунктирной линии, а затем наклон изменится на начальный наклон экспоненциального роста, определенного от:

1) dv / dt = i / C = 50 мА / C
где C – значение конденсатора при этом низком напряжении.
и время нарастания текущего << RC.

Смещение между базовой линией и началом экспоненты подъем – это просто напряжение, которое развивает ток, в данном случае 50 мА. через ESR конденсатора. ESR можно легко оценить в этом в случае деления смещения напряжения (обозначенного ESR на рисунке 2) на 50 мА.

Паразитная индуктивность в конденсаторе вызовет всплеск формы волны показано на рисунке 2, превышающее значение пунктирной линии по ее длине. Если бы подъем тока на самом деле был пандусом с постоянным уклоном и очень крутым углы (high di ² / dt), то пик будет прямоугольным импульсом ценности:

2) E = L * di / dt
где L – паразитная индуктивность конденсатора.

Повышение тока от генератора, используемого для данных в этой статье. не был пандус с очень острыми углами и постоянным уклоном (случай для большинство генераторов, которые я использовал). Эта характеристика генератора в сочетании с зондовыми эффектами привело к образованию пика спайка Ldi / dt, так как показано на рисунке 2. Используя уравнение 2, индуктивность конденсатора может рассчитываться. Часто нет необходимости рассчитывать индуктивность или ESR, но просто выберите конденсатор из нескольких доступных, который имеет самая низкая индуктивность и / или ESR.

Припаивание компонентов к разъему BNC, как показано на рисунке 1, работает. до 300 МГц. Я оцениваю индуктивное сопротивление петли, образованной конденсатор и резистор должны быть около 20 Ом на частоте 300 МГц (оценка индуктивность при 10 нГн). Это достаточно мало по сравнению с 100 Ом. сопротивление в цепи, чтобы существенно не влиять на начальный ток очень. Для этого диапазона частот генератор с временем нарастания 1 до двух наносекунд хватит.

Если вам нужно проверить конденсатор, используя более быстрое время нарастания, он Лучше всего построить испытательную установку на небольшой печатной плате с заземлением. плоские и контролируемые импедансы.В этот момент паразитная емкость резистора 50 Ом также будет проблемой, которую следует принять во внимание. К счастью, такая точность часто не нужна. Особенно, если просто сравнение относительной производительности нескольких конденсаторов.

Данные

На рисунке 3 ниже показан начальный подъем от генератора. Черный квадрат указывает вертикальную шкалу напряжения и горизонтальную шкалу времени. Открыто напряжение в цепи было немногим более 4 В с временем нарастания около 5 наносекунд.Данные на рисунках с 3 по 6 были получены с помощью аналогового осциллографа несколько лет назад. тому назад. На рисунках с 4 по 6 показаны данные, полученные от нескольких выводных конденсаторов. (в отличие от поверхностного монтажа). Для каждого конденсатора было снято по две трассы. Нижняя кривая была измерена на корпусе конденсатора, где выводы входят в а верхний след включал минимальное количество свинца, чтобы практически подключить конденсатор к печатной монтажной плате. Верхний след не требуется для современных конденсаторов для поверхностного монтажа, если только кто-то не хочет смоделировать индуктивность подключения конденсатора к интересующей точке на печатной монтажной плате.

Рисунок 3. Вход от генератора импульсов

На рис. 4 показаны данные для электролитического конденсатора емкостью 4 мкФ. Смещение ESR составляет около 50 мВ, что дает оценку ESR чуть более одного Ом. Уведомление что, по-видимому, есть некоторые колебания на участке 1 / C наклона. Это может быть резонанс зонда осциллографа или резонанс в конденсаторе. В данные были получены с помощью стандартного зонда 10X Hi-Z, поэтому зонд является подозрительным. Я видел конденсаторы с ярко выраженными колебаниями от внутреннего резонанса.Если вы планируете поставить большой конденсатор параллельно меньшему один, особенно если они построены по разным технологиям, это было бы неплохо проверить импульсную характеристику комбинации используя этот метод. Возможно, что меньший конденсатор резонирует с индуктивностью большего, вызывая неожиданный результат.

Рисунок 4. Конденсатор 4 мкФ

На рисунке 5 показан результат для конденсатора 1 мкФ той же конструкции. как конденсатор емкостью 4 мкФ, испытанный на Рисунке 4.Обратите внимание, что индуктивность аналогична к конденсатору 4 мкФ, но ESR немного ниже. Поскольку аналоговый прицел был использован, форма волны повторялась, а небольшой наклон слева половина формы волны была концом экспоненциального спада с 5 вольт. Если на цифровом осциллографе использовался одиночный импульс, наклон слева от пик Ldi / dt будет равен нулю.

Рисунок 5. Конденсатор 1 мкФ

На рисунке 6 показан результат для радиального керамического конденсатора емкостью 1 мкФ (квадратный дело).Обратите внимание на низкую индуктивность и неопределяемое ESR. Отметим также, что наклон экспоненциального нарастания 1 / C более пологий, что указывает на большую емкость чем конденсатор емкостью 1 мкФ на Рисунке 5. Это может быть связано с тем, что электролитический конденсатор, используемый на Рисунке 5, может иметь меньшую емкость вблизи нулевое напряжение, чем при его рабочем напряжении, тогда как керамический конденсатор имеет более постоянную емкость с напряжением. Индуктивность, соответствующая к нижнему следу оценивается в 4,4 нГн.

Рисунок 6. Керамический конденсатор 1 мкФ

Интересно отметить, что керамический конденсатор 0,1 мкФ в том же размер пакета, поскольку 1 мкФ на Рисунке 6 показал немного больше индуктивность в этой испытательной установке. Я считаю, что это произошло из-за того, что меньший конденсатор не заполнял корпус и внутреннюю индуктивность вывода вызвал эффект. В этом случае конденсатор емкостью 1 мкФ был лучшим выбором, чем 0,1 мкФ!

Одним из преимуществ этого теста является то, что выходной сигнал переходная характеристика конденсатора.Напряжения, возникающие на конденсатор в этом тесте напрямую связан с тем, что будет происходить в реальной цепи, если время нарастания тока от генератора такое же, как конденсатор увидим по назначению.

Начало страницы
Дом

---

Вопросы или предложения? Свяжитесь со мной по адресу [email protected]

Авторские права © 2000 Дуглас К. Смит

Измерение тока индуктора в импульсных источниках питания

ВОПРОС:

Как вы измеряете ток катушки индуктивности?

Ответ:

В импульсных источниках питания обычно используются индукторы для временного хранения энергии.При оценке этих источников питания часто бывает полезно измерить ток катушки индуктивности, чтобы получить полное представление о схеме преобразования напряжения. Но как лучше всего измерить токи индуктивности?

На рисунке 1 показана предлагаемая установка для такого измерения на примере типичного понижающего преобразователя (понижающая топология). Небольшой вспомогательный кабель вставлен последовательно с индуктором. Он используется для подключения токового пробника и отображения тока индуктора с помощью осциллографа.Рекомендуется проводить измерения на стороне индуктора, где напряжение стабильно. В большинстве топологий импульсных регуляторов индуктивность используется таким образом, что напряжение на одной стороне переключается между двумя крайними значениями, но остается относительно стабильным на другой стороне. В понижающем преобразователе, показанном на рисунке 1, напряжение в коммутационном узле, то есть на левой стороне индуктора L, переключается между входным напряжением и напряжением земли со скоростью фронтов переключения. На правой стороне индуктора находится выходное напряжение, обычно относительно стабильное.Чтобы уменьшить помехи из-за емкостной связи (связи электрического поля), контур измерения тока должен быть размещен на тихой стороне индуктора, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема, показывающая измерение тока индуктора в импульсном источнике питания.

На рис. 2 показана практическая установка для этого измерения. Индуктор поднимается и припаян наискось к одному из двух выводов на плате. Альтернативный вывод подключается к плате вспомогательным проводом.Это преобразование может быть выполнено довольно легко. Распайка горячим воздухом – проверенный метод отсоединения индуктора. Многие паяльные станции SMD предлагают горячий воздух с регулируемой температурой.

Рисунок 2. Практическая установка для измерения тока катушки индуктивности.

Токовые пробники предлагаются производителями осциллографов. К сожалению, они обычно довольно дороги, поэтому постоянно возникает вопрос, можно ли измерить ток катушки индуктивности с помощью шунтирующего резистора.В принципе это возможно. Однако это измерение имеет недостаток, заключающийся в том, что шум переключения, генерируемый в импульсном источнике питания, может легко влиять на измерение напряжения через шунтирующий резистор. Таким образом, особенно в интересующих точках, когда ток в катушке индуктивности меняет направление, результаты измерений не будут точным отображением поведения тока в катушке индуктивности.

Рис. 3. Измерение тока индуктора показано синим цветом, а поведение насыщенного индуктора добавлено фиолетовым.

На рис. 3 показано измерение тока катушки индуктивности (синим цветом) для импульсного источника питания, измеренного с помощью токового пробника, совместимого с используемым осциллографом. В дополнение к измерениям, показанным синим цветом, была добавлена ​​пурпурная маркировка, показывающая, как будет выглядеть ток, протекающий через катушку индуктивности, когда катушка индуктивности начнет чрезмерно насыщаться в направлении пиковых токов. Это происходит, когда выбирается катушка индуктивности, номинальный ток которой недостаточен для данного приложения. Одна из основных причин для измерения тока катушки индуктивности в импульсном источнике питания заключается в том, чтобы можно было определить, правильно ли выбран индуктор или произойдет ли насыщение индуктора во время работы или во время неисправности.

Измерение с использованием шунтирующего резистора вместо токовых клещей покажет сильно связанный шум, особенно при пиковых токах, что затруднит определение насыщения катушки индуктивности.

Измерение тока катушки очень полезно при оценке источника питания и может быть легко выполнено с помощью подходящего оборудования.

Решено: упражнение 6-8. Вычислите постоянную времени T …

1. инженерия
2. электротехника
3. вопросы и ответы по электротехнике
4. Упражнение 6-8.Рассчитайте постоянную времени T цепи RL, показанной на рисунке 6-12. Установите L = 33 мГн И …

Показать текст изображения

Ответ эксперта

расчет постоянной времени результат моделирования для тока в цепи после применения пошагового просмотра полный ответПредыдущий вопрос Следующий вопрос

Упражнение 6-8. Рассчитайте постоянную времени t цепи RL, показанной на рисунке 6-12. Установите L = 33 мГн и R = 1 ккс, используйте напряжение шага 4 В, время шага Os. Выполните моделирование (переходный процесс) во временной области от t = 0 с до t = 0.17. Рассчитайте индуктивность l ~ – Vs * T. imax Упражнение 6-8. Измерение индуктивности с использованием формы импульса. Подключите схему, как показано на рисунке 6-12, с входом функционального генератора в качестве источника Vs. Мы будем проделывать это упражнение с катушкой индуктивности 33 мГн и резистором 1 к12. Подключите источник входного напряжения к каналу 1 осциллографа. Подключите выходное напряжение v (t) резистора R к каналу 2 осциллографа, поскольку напряжение на резисторе R пропорционально форме волны i (t). Наблюдайте за характеристиками выходного сигнала по сравнению с входным, сопоставляя их на экране осциллографа.Из предыдущего упражнения мы знаем, что t = 33us и что 0.1xt = 3.3js дает линейный ответ. Настройте генератор функций на вывод импульсного сигнала с амплитудой 4 В размах, смещением 2 В постоянного тока, скважностью 50%, фронтом 5 нс. Чтобы угадать частоту, мы можем использовать 1 / 3,3 us = 300 кГц. Итак, захватите форму волны тока и определите пиковый ток или верхнюю границу пилообразного сигнала. Мы должны 4xT. Это всего лишь приближение. Мы увидим лучшие методы позже, когда получим L = stsiy AC. Захватите и сохраните обе формы сигнала с помощью программного обеспечения Tektronix Open Choice Desktop для отчета.Измерьте индуктивности катушек индуктивности, доступных для лабораторного сеанса, и введите эти значения в Таблицу 6-2. ваша лаборатория Интеграторы Концепция, изученная в предыдущем упражнении, также применима к RC-цепям. Все, что нам нужно, это сделать f >> 1 / t в схеме, подобной рис. 6-13. Позже мы изучим интеграторы, использующие операционные усилители. Здесь схема сделана только с пассивными компонентами. R 1.2k C Осциллограф 10F 1 Рисунок 6-13 Схема интегратора при f RC

Как осциллограф может измерять ток?

Большинство осциллографов напрямую измеряют только напряжение, а не ток, однако есть несколько способов измерить ток с помощью осциллографа:

1.Измерьте падение напряжения на шунтирующем резисторе – некоторые конструкции блоков питания могут иметь шунтирующие резисторы, встроенные в конструкцию для обратной связи. Один из способов – измерить падение дифференциального напряжения на таком резисторе. Обычно это резисторы небольшого номинала, часто менее 1 Ом.

2. Измерение тока с помощью токового пробника – При использовании в сочетании с возможностями измерения напряжения осциллографа, токовые пробники могут обеспечивать широкий спектр важных измерений мощности, таких как мгновенная мощность, средняя мощность и фаза.

Чтобы ваши текущие измерения были максимально точными, необходимо выбрать и правильно применить наиболее подходящую технику. У каждого из двух вышеперечисленных методов есть свои преимущества и недостатки, которые мы рассмотрим ниже:

Измерение тока как падения напряжения на шунтирующем резисторе

Если в блок питания встроен резистор считывания тока («шунтирующий» резистор), это наиболее удобный подход. Измерение падения напряжения на измерительном резисторе с помощью активного дифференциального пробника даст хорошие результаты, если синфазный сигнал находится в пределах указанного рабочего диапазона пробника, а падение напряжения достаточно велико.

Однако использование дифференциального пробника для сигналов низкого уровня требует некоторого внимания к снижению шума в системе измерения.

• Используйте наименьшее доступное затухание пробника и ограничьте полосу пропускания пробника или осциллографа
  , чтобы уменьшить шум измерительной системы.
• Также имейте в виду, что емкость и сопротивление зонда будут подключены параллельно
  с резистором считывания, и хотя они предназначены для минимизации воздействия на
  тестируемое устройство, вы должны знать, что они существуют.

Подключение сенсорного резистора последовательно с нагрузкой требует тщательного проектирования. Когда значение сопротивления
увеличивается, падение напряжения на ампер увеличивается в соответствии с законом
Ома, тем самым улучшая качество измерения тока. Однако рассеиваемая мощность в резисторе увеличивается пропорционально квадрату тока, и необходимо учитывать дополнительное падение напряжения. Кроме того, резисторы добавляют цепи индуктивное сопротивление.И не забывайте, что входная емкость дифференциального пробника появляется параллельно измерительному резистору, образуя RC-фильтр.

Если вы действительно добавляете в схему резистор считывания, постарайтесь добавить его как можно ближе к земле, чтобы минимизировать синфазные сигналы на резисторе, которые измерительная система должна отклонять. И, в отличие от высокопроизводительных токовых пробников, характеристика подавления синфазного сигнала при измерениях дифференциального напряжения имеет тенденцию к падению по частоте, что снижает точность измерений высокочастотного тока с помощью измерительных резисторов.

Измерение тока с помощью токоизмерительного щупа

Ток, протекающий через проводник, вызывает формирование поля электромагнитного потока вокруг проводника
. Токовые пробники предназначены для определения силы этого поля и преобразования ее в соответствующее напряжение
для измерения с помощью осциллографа.

Это позволяет просматривать и анализировать формы сигналов тока с помощью осциллографа. При использовании в
в сочетании с возможностями измерения напряжения осциллографом, токовые пробники
также позволяют выполнять широкий спектр измерений мощности.В зависимости от математических возможностей осциллографа формы сигнала
эти измерения могут включать в себя мгновенную мощность
, истинную мощность, полную мощность и фазу.

Существует два основных типа токовых пробников для осциллографов:

• Датчики переменного тока
• Пробники постоянного / переменного тока

Оба типа используют принцип действия трансформатора для измерения переменного тока (AC) в проводнике
. Для работы трансформатора через проводник должен протекать переменный ток.

Этот переменный ток заставляет магнитное поле нарастать и коллапсировать в соответствии с амплитудой и направлением тока. Когда чувствительная катушка помещается в это магнитное поле, изменяющееся магнитное поле индуцирует пропорциональное напряжение на катушке за счет простого действия трансформатора. Этот связанный с током сигнал напряжения затем преобразуется и может отображаться на осциллографе в виде масштабированного по току сигнала.

Простейшие датчики переменного тока представляют собой пассивные устройства, которые представляют собой просто катушку, которая
намотана в соответствии с точными характеристиками на магнитный сердечник, например, из ферритового материала.Некоторые из них представляют собой твердотельные тороиды
и требуют от пользователя прокладки проводника через сердечник. В токовых пробниках с разъемным сердечником используется точно разработанная механическая система, которая позволяет открывать сердечник и зажимать его вокруг проводника без разрыва цепи при испытании. Пробники тока с разъемным сердечником обладают высокой чувствительностью и работают без питания, но являются механически жесткими и обычно имеют небольшую апертуру, что может ограничивать их универсальность.

Пробники переменного тока

, основанные на технологии катушки Роговского, являются альтернативой токовым пробникам со сплошным и разъемным сердечником
.Катушка Роговского использует воздушный сердечник и является механически гибкой,
позволяет открывать катушку и наматывать ее на провод или вывод компонента. И поскольку сердечник не является магнитным материалом, катушки Роговского не насыщаются магнитным полем при высоких уровнях тока, даже в тысячи ампер. Однако они, как правило, имеют более низкую чувствительность, чем пробники с разъемным сердечником, и им требуются активные формирователи сигнала для интеграции сигнала с катушки и, следовательно, требуется источник питания.

Для многих приложений преобразования энергии пробник переменного / постоянного тока с разъемным сердечником является наиболее универсальным, точным и простым в использовании решением.В датчиках переменного / постоянного тока используется трансформатор для измерения переменного тока и устройство на эффекте Холла для измерения постоянного тока. Поскольку они включают в себя активную электронику для поддержки датчика Холла, для работы зондов переменного / постоянного тока требуется источник питания. Этот источник питания может быть отдельным источником питания или может быть интегрирован в некоторые осциллографы.

Видеообзор того, как измерить ток осциллографом:

Ознакомьтесь с продуктами Tektronix на RS:

Измерения влияния пробников осциллографа

| Электронный дизайн

Осциллограф и тестируемое устройство (DUT) фактически составляют систему.В нем самым упускаемым из виду элементом является интерфейс между ними: щупы осциллографа. Персонал по тестированию просто берет и использует зонды. Эти инженеры редко задумываются о влиянии зонда на измерения. Однако зонды являются одними из наиболее важных элементов сигнальной цепи в любом сценарии тестирования.

Идеальный пробник осциллографа должен входить в контакт с тестируемым устройством и передавать свой сигнал от наконечника пробника на вход прибора с идеальной точностью. Он также будет демонстрировать нулевое затухание, бесконечную полосу пропускания и линейные фазовые характеристики на всех частотах.К сожалению, этого зонда в реальном мире не существует.

ИУ имеет определенные электрические характеристики для данного сигнала, которые мы и хотим измерить. Однако сам зонд представляет собой цепь со своими электрическими характеристиками. Когда наконечник пробника встречается с ИУ, пробник внезапно становится частью более крупной схемы, и его характеристики сочетаются с характеристиками интересующего объекта, что влияет на результаты измерения.

Для проведения измерения пробник должен «украсть» часть энергии, присутствующей в тестируемом устройстве, и передать эту энергию на входы осциллографа.Во-первых, мы вводим в схему входное сопротивление пробника. Для ИУ пробник представляет собой нагрузку, представляющую сопротивление, емкость и индуктивность. Эта нагрузка в цепи может изменить форму сигнала и / или поведение тестируемого устройства.

% {[data-embed-type = “image” data-embed-id = “5df275e5f6d5f267ee20be1a” data-embed-element = “aside” data-embed-alt = “Insidepenton Com Электронный дизайн Adobe Pdf Logo Tiny” data-embed- src = “https: //img.electronicdesign.com / files / base / ebm / electronicdesign / image / 2013/01 / insidepenton_com_electronic_design_adobe_pdf_logo_tiny.png? auto = format & fit = max & w = 1440 “data-embed-caption =” “]}%

Скачать эту статью в формате .PDF Этот тип файла включает графику и схемы с высоким разрешением, если это применимо.

Как датчики влияют на DUT

Вообще говоря, есть три возможных результата, когда пробник подключен к цепи.В лучшем случае осциллограф точно воспроизводит сигнал на экране. Однако зонд может изменить сигнал таким образом, чтобы мы не могли понять, что находится в точке зондирования. В худшем случае работа тестируемого устройства радикально меняется, что приводит к неисправности хорошо спроектированного устройства или схемы (или наоборот).

Датчики

спроектированы с высоким сопротивлением в точке контакта с целью уменьшения энергии, потребляемой от цепи, и, таким образом, уменьшения нагрузки.Большое входное сопротивление важно, но оно имеет значение только при постоянном или низкочастотном переменном токе. На разных частотах разные характеристики зонда имеют значение (рис. 1).

% {[data-embed-type = “image” data-embed-id = “5df275eaf6d5f267ee20e64b” data-embed-element = “aside” data-embed-align = “left» data-embed-alt = “Электронный дизайн Com Sites Electronicdesign com Загрузка файлов 2014 04 0614 E Eprobes F1 “data-embed-src =” https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2014/05/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2014_04_0614_EEprobes_F1.png? auto = format & fit = max & w = 1440 “data-embed-caption =” “]}% 1. На разных частотах сигнала разные характеристики пробника определяют общее входное сопротивление.

На постоянном токе или низких частотах высокое входное сопротивление преобладает над общим импедансом. По мере увеличения частоты емкость преобладает над импедансом и резко снижает общий импеданс. Результат высокой емкости зонда отображается в форме сигнала на экране.

При 1 Гц полное сопротивление типичного пассивного пробника составляет 10 МОм. На частоте 1 МГц это значение уменьшается до 17,4 кОм. На частоте 100 МГц полное сопротивление составляет всего 174 Ом. При таком резком падении общего импеданса неудивительно, что пробник может оказывать такое сильное влияние на то, что видно на экране.

Есть еще один важный момент в загадке воздействия пробника на ИУ: индуктивность. В типичных сценариях измерения пользователь осциллографа не может просто подключить наконечник пробника к ИУ, за исключением случаев проведения плавающих измерений.Заземляющий провод щупа должен быть прикреплен к заземлению или как можно ближе к нему. Все измерения принципиально различаются в том смысле, что для измерения напряжения должна быть какая-то контрольная точка. Обычно такой точкой отсчета является заземление.

Таким образом, важно знать, что любой вывод, добавленный к наконечнику пробника или заземляющему проводу, увеличивает индуктивность цепи. Индуктивность от проводов может добавить к сигналу, отображаемому на экране осциллографа, выбросы и звон.Кроме того, провода могут служить антеннами и улавливать электрические шумы из окружающей среды. Этот шум может присутствовать или не присутствовать в цепи, которую вы пытаетесь измерить. Поэтому делайте выводы как можно короче, чтобы свести к минимуму нежелательные эффекты индуктивности.

Длина провода пробника будет представлять некоторую индуктивную нагрузку на входные заземляющие провода (рис. 2). Заземляющий провод – это первичный обратный путь для тока, возникающего в результате воздействия входного напряжения на входное сопротивление пробника.Индуктивности заземляющего и входного проводов в сочетании с входной емкостью пробника образуют последовательную LC-сеть. Импеданс этой сети существенно падает на резонансной частоте. Этот эффект, известный как повреждение заземляющего провода, является причиной звонка, часто наблюдаемого после переднего фронта импульсов.

% {[data-embed-type = “image” data-embed-id = “5df275eaf6d5f267ee20e64d” data-embed-element = “aside” data-embed-align = “left» data-embed-alt = “Электронный дизайн Com Sites Electronicdesign com Загрузка файлов 2014 04 0614 E Eprobes F2 “data-embed-src =” https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2014/05/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2014_04_0614_EEprobes_F2.png?auto=format&fit=max&w=1440 “data-embed 2-caption” типичный импеданс данных. пассивный пробник имеет коэффициент затухания 10: 1.

Как можно уменьшить коррупцию заземления? Один из способов – повысить резонансную частоту LC-цепи за счет уменьшения индуктивности, емкости или того и другого. На самом деле, поскольку входная емкость уже очень мала, единственный вариант – уменьшить входную индуктивность, используя как можно более короткие входные и заземляющие провода.

Емкостная нагрузка может оказаться непростой задачей, поскольку она может повлиять на время нарастания, полосу пропускания и измерения задержки. На высоких частотах емкостная нагрузка может влиять на амплитуду и форму измеряемых сигналов.

Типы датчиков и их характеристики

На рынке представлено множество пробников осциллографов с различными функциями и электрическими / физическими характеристиками. Некоторые подходят для низкочастотных приложений. Другие хорошо работают на высоких частотах или высоких напряжениях.Вот некоторые из основных характеристик распространенных типов датчиков с некоторыми советами о том, какие из них лучше всего подходят в данных обстоятельствах:

Пассивный зонд:

• Стандартный пробник осциллографа, поставляемый всеми производителями осциллографов

• Активных устройств нет, только пассивные части

• Физически и электрически прочный; выдерживает сотни вольт

• Максимальная полоса пропускания составляет 500 МГц для большинства пассивных пробников, но загрузка пробника становится проблемой на более высоких частотах.

Активный зонд:

• Обычно дополнительный пробник с питанием от осциллографа

• На основе активного устройства, такого как транзистор или полевой транзистор

• Не такой надежный, как пассивный пробник, но имеет гораздо более широкую полосу пропускания и гораздо меньшую емкость.

• Идеальный пробник для высокочастотных измерений

Дифференциальный зонд:

• Измеряет разницу между двумя сигналами при отсутствии опорного заземления.

• Поставляется в двух вариантах: высокое напряжение для плавающих измерений в источнике питания, осветительный балласт, моторный привод и т. Д.и высокая пропускная способность для дифференциальных потоков последовательных данных

Токовый пробник:

• Активное устройство, измеряющее ток в сигнале, а не напряжение

• Три основных типа: трансформаторные; Устройства на эффекте Холла; или комбинированный трансформатор / эффект Холла

• Большинство современных накладных токоизмерительных клещей представляют собой комбинацию типа трансформатор / эффект Холла

Пассивные пробники: универсальный размер

Пассивный пробник по существу представляет собой схему аттенюатора из-за импеданса пробника и осциллографа.Если подключение пробника к осциллографу установлено неправильно, результатом может быть чрезмерное ослабление сигнала. К счастью, современные пассивные пробники автоматически устанавливают правильный коэффициент связи и затухания.

Пассивные пробники с высоким импедансом и малой емкостью (или низким импедансом) также представлены на рынке. Пассивные пробники с высоким импедансом (Hi-Z) являются наиболее часто используемыми пробниками для осциллографов и предлагают коэффициенты затухания 10: 1 (X10) и / или 100: 1 (X100), типичное максимальное входное напряжение 600 В и номинальную полосу пропускания примерно до 500 МГц.Но будьте осторожны с полосой пропускания выше 50 МГц. Пробники Hi-Z представляют собой значительную емкостную нагрузку на высоких частотах.

Таким образом, пассивные пробники Hi-Z лучше всего подходят для универсальных приложений на частоте 50 МГц или меньше. Поскольку в них используются только пассивные компоненты, они имеют тенденцию быть прочными как механически, так и электрически. Они также обеспечивают широкий динамический диапазон, при этом нижняя часть диапазона амплитуды ограничивается коэффициентом ослабления пробника и вертикальной чувствительностью осциллографа.

Пассивные пробники

с низким импедансом (Low-Z) обычно обеспечивают коэффициент затухания 10: 1 на входной нагрузочной нагрузке 50 Ом осциллографа.Если пробник с высоким импедансом использует емкостную компенсацию для обеспечения плоской частотной характеристики с минимальной емкостной нагрузкой, то пробник с низкой емкостью использует методы линии передачи для достижения чрезвычайно широкой полосы пропускания с очень низкой емкостью.

Пассивные пробники

с малым Z лучше всего подходят для широкополосных измерений или измерений быстрых переходных процессов в цепях, которые могут управлять импедансом 50 Ом. В таких случаях они предлагают отличную частотную характеристику. И, в отличие от пробников Hi-Z, пробники с малым Z не требуют компенсации для соответствия входному сопротивлению осциллографа.

Для обеспечения согласования импеданса на сигнальных входах осциллографа пассивные пробники Hi-Z всегда имеют подстроечный конденсатор, расположенный на конце разъема. Подстроечный резистор реализует простую схему RC-компенсации, которая согласовывает постоянную времени RC-цепи в зонде с постоянной времени входного сопротивления зонда и шунтирующей емкости.

Регулировка компенсирует емкостную нагрузку на входе осциллографа. Он формирует тракт верхних частот, чтобы компенсировать низкочастотный характер входа осциллографа.В результате комбинация пробника и осциллографа становится широкополосным фильтром. Все осциллографы имеют выход калибровки (сокращение от «калибровка»), который обеспечивает чистую прямоугольную волну для настройки и компенсации пассивных пробников. Регулировка подстроечного конденсатора настраивает пробник для этого осциллографа. Просто поворачивайте триммер, пока на дисплее не появится правильная форма импульса.

Активные пробники: более высокие импедансы

Пассивные пробники – это базовые устройства общего назначения. Активные пробники часто подходят для более специализированных приложений.Основное различие между типами состоит в том, что пассивный пробник не содержит активных компонентов, в то время как активный пробник включает усилитель рядом с наконечником пробника, чаще всего на основе транзистора или полевого транзистора. Такие пробники обычно обеспечивают более высокий общий импеданс, чем пассивные типы, демонстрируя высокое сопротивление постоянному напряжению и низкочастотным сигналам и низкую емкость для высокочастотных сигналов.

Активные пробники имеют высокое сопротивление на конце пробника, но оканчиваются на входе 50 Ом осциллографа.При сравнении активных и пассивных пробников важным фактором является импеданс пробника. Пассивные пробники обеспечивают максимальное сопротивление ниже частот 20 кГц. Их высокая входная емкость вызывает нагрузку на цепь на высоких частотах или низкочастотными сигналами, содержащими высокочастотный контент.

Между тем, активные пробники на полевых транзисторах обеспечивают высокий импеданс от постоянного тока до 20 кГц, поддерживая этот импеданс примерно до 1,5 ГГц (типичный) благодаря своей низкой емкости (рис. 3). Таким образом, пробники на полевых транзисторах являются действительно универсальными пробниками почти на всех частотах.Их низкая емкостная нагрузка делает их пригодными для использования в цепях с высоким импедансом, которые сильно пострадали бы от нагрузки пассивными пробниками.

% {[data-embed-type = “image” data-embed-id = “5df275eaf6d5f267ee20e64f” data-embed-element = “aside” data-embed-align = “left» data-embed-alt = “Электронный дизайн Com Sites Electronicdesign com Загрузка файлов 2014 04 0614 E Eprobes F3 “data-embed-src =” https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2014/05/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2014_04_0614_EEprobes_F3.png? auto = format & fit = max & w = 1440 “data-embed-caption =” “]}% 3. Для высокоомного активного пробника можно построить график зависимости характеристического импеданса от частоты.

Знание, использовать ли активный или пассивный датчик в данном сценарии измерения, предотвращает получение неверных результатов или повреждение датчика. Пассивные пробники – отличный выбор для низкочастотных измерений, особенно если возможно высокое напряжение. Пробники с активными полевыми транзисторами лучше подходят для измерений, требующих большой полосы пропускания.Они также являются отличным универсальным выбором для всех частот, вплоть до диапазона нескольких гигагерц, но следите за более высокими напряжениями, которые могут повредить усилитель пробника.

Дифференциальные пробники: при относительном заземлении

Несимметричные пробники общего назначения (активные или пассивные) могут точно измерять только напряжения, привязанные к земле. Однако некоторые измерения требуют проверки контрольных точек относительно друг друга, независимо от того, является ли одна из них истинным заземлением или нет.Одним из примеров является V _DS полевого транзистора в источнике питания. Другой вариант – это канал последовательной передачи данных, когда необходимо проверить положительные и отрицательные линии передачи дифференциального сигнала.

Вот здесь и вступают в игру дифференциальные пробники. Среди наиболее распространенных типов – широкополосные усилители, высоковольтные усилители и усилители с дифференциальными усилителями, обеспечивающими высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (см. «О подавлении синфазного сигнала»).

Дифференциальные пробники с широким диапазоном частот наилучшим образом подходят для таких приложений, как измерение дифференциальных линий последовательной передачи данных.Для эффективного функционирования широкополосные пробники должны обеспечивать высокий динамический диапазон при более высоких полосах пропускания и возможность большого смещения. Еще одна необходимость для таких пробников – чрезвычайно низкий уровень шума пробника и характеристики импеданса, которые минимизируют нагрузку.

Высоковольтные дифференциальные пробники

обычно работают с синфазными напряжениями до 1 кВ _RMS и пиковыми дифференциальными напряжениями 1,4 кВ, например ADP305 компании Teledyne LeCroy (рис. 4) . Такие пробники подходят для поиска и устранения неисправностей низкочастотной силовой электроники в случаях, когда земля находится на возвышении или местоположение истинного заземления неизвестно.При рассмотрении высоковольтных дифференциальных пробников (или любых высоковольтных пробников, если на то пошло) помните о показателях безопасности.

% {[data-embed-type = “image” data-embed-id = “5df275eaf6d5f267ee20e651” data-embed-element = “aside” data-embed-align = “left» data-embed-alt = “Электронный дизайн Com Sites Electronicdesign com Загрузка файлов 2014 04 0614 E Eprobes F4 “data-embed-src =” https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2014/05/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_uploads_2014_04_0614_.png? auto = format & fit = max & w = 1440 “data-embed-caption =” “]}% 4. Высоковольтные дифференциальные пробники работают с синфазными напряжениями до 1 кВ (среднеквадратичное значение).

Давид Малиняк – специалист по маркетингу в компании Teledyne LeCroy.