ساخت پروب اسیلوسکوپ برای اندازه گیری توان (قسمت یک)

مقالات مرتبط

ساخت پروب اسیلوسکوپ برای اندازه گیری توان (قسمت دوم)

20/12/2025

مدرن منابع تغذیه در فرکانس عملیاتی به سمت بالا می روند. را از مزایای آن می توان به کاهش سایز و وزن به علاوه افزایش اشاره کرد در چگالی انرژی برای این طرح ها، مهندسان در حال مهاجرت به فن آوری های سوئیچ و یکسو کننده برق فرکانس بالا. را سوئیچ‌های ماسفت مسطح یا ترانشه‌ای سنتی با زمان‌های بالا و پایین رفتن 30 nsec تا 60 nsec جای خود را به کلیدهای برق مانند ماسفت های سوپرجانکشن، ماسفت های GaN، ماسفت های SiC و SiC شاتکی یکسو کننده هایی که در کمتر از 5 نانو ثانیه سوئیچ می کنند.

به مشاهده چنین انتقال سریع، شما معمولا به یک اسیلوسکوپ نیاز دارید با حداقل پهنای باند 1 گیگاهرتز متأسفانه بیشتر از نظر تجاری پروب های ولتاژ و جریان موجود به طرز تاسف باری ناکافی هستند این فرکانس های بالا پروب اسیلوسکوپ متوسط دارای یک پهنای باند کمتر از 300 مگاهرتز پروب های فعلی می توانند پهنای باند داشته باشند از 60 مگاهرتز تا 100 مگاهرتز یا کمتر. علاوه بر این، ولتاژ فرکانس بالا پروب ها اغلب بیش از 12000 دلار و پروب های فعلی کمی بهتر قیمت دارند از 4000 دلار شروع می شود. برای مهندسان قدرت که برای سایز متوسط کار می کنند شرکت‌ها، تنها یک مسیر وجود دارد: کاوشگرهای خود را بسازید.

طراحی کردن و ساخت پروب های ولتاژ و جریان فرکانس بالا نیاز به الف درک خوب RF، انگلی، تئوری خطوط انتقال، و نظریه میدان

کاوشگر تجاری کاستی ها
پروب های ولتاژ و جریان اسیلوسکوپ به صورت تجاری موجود می باشد قوی، ارگونومیک خوب طراحی شده، و دقیق. آنها دارند به خوبی به بازارهای خود خدمت کردند که در آن تعداد زیادی از برنامه ها با فرکانس بسیار کمتر از 1 گیگاهرتز کار می کنند. عملیات فرکانس ها و لبه های ترانزیستورهای سوئیچینگ نسل جدید از 1 گیگاهرتز فراتر می روند که منجر به افزایش و سقوط در زیر 5 می شود محدوده ns.

الف پهنای باند کم کاوشگر تجاری می تواند محدودیت عمده ای ایجاد کند اندازه گیری های دقیق مهندسان اغلب آهسته را بدیهی می دانند زمان ظهور و سقوط و آنها به راحتی می توانند از دست رفته چشم پوشی کنند اطلاعات علاوه بر این، اتصال پروب مشترک به منبع سیگنال می تواند باعث ایجاد اعوجاج شود. این اتصالات دارای یک طول قابل توجهی از سرنخ های اتصال بدون محافظ، به ویژه سرب زمین یک سرب زمینی 4 تا 6 اینچ (10 تا 15 سانتی متر) می تواند جمع شود نویز از مدار یا منابع دیگر ساطع شده و آن را تزریق کنید به کابل کواکس به عنوان سیگنال حالت مشترک. این ناشناخته نویز به سیگنال واقعی اضافه می کند.

Figure 1 نشان می دهد یک پروب ولتاژ تجاری معمولی شامل طولی از سیگنال بدون محافظ یا سیم زمین که به عنوان یک آنتن حلقه عمل می کند. را میزان نویز دریافتی متناسب با اندازه حلقه و مقدار انرژی نویز و طیف نویز. می توانید این را مشاهده کنید سر و صدا با قطع سرب زمین به نوک پروب و نگه داشتن آن آن را در نزدیکی برد مدار هدف قرار دهید.

شکل 1. مشترک ساخت پروب اسیلوسکوپ ولتاژ دارای سرب زمین است که شما به مدار مورد آزمایش گیره دهید.

در عوض، شما می توانید پروب ولتاژ 50 Ω خود را بسازید. با ساخت پروب های ولتاژ سفارشی 50 Ω، بهتر می توانید تعریف کنید و درک کنید که واقعاً در مدار چه اتفاقی می افتد. را اهداف کلی ساخت پروب های ولتاژ 50 Ω عبارتند از:

• ساختن a مسیر سیگنال شناخته شده، آرام و با فرکانس بالا از مدار به مدار اسیلوسکوپ
• فراهم کند تا آنجایی که عملاً ممکن است در امتداد سیگنال محافظت کنید مسیر
• به دست آوردن توانایی کنترل هر چه بیشتر تأثیرات انگلی

1:1 کواکس محافظ پروب ولتاژ
برای سیگنال‌هایی که کمتر از حداکثر ولتاژ ورودی ورودی اسیلوسکوپ، می توانید از طول برش کواکس 50 Ω BNC استفاده کنید کابل به عنوان پروب شما طول هادی مرکزی بدون محافظ و دم سپر باید کمتر از 1 اینچ (25 سانتی متر) نگه داشته شود. برای به حداقل رساندن دریافت نویز برای مشاهده سیگنال در یک مکان خاص گره، هادی مرکزی را مستقیماً به آن گره لحیم کنید. را سرب زمین باید تا نزدیکترین نقطه لحیم شود مرتبط است زمین یعنی نه به زمینی که طول ردیابی PCB زیاد بین آن باشد پروب و گره مورد نظر این پروب فقط بالا را فراهم می کند محافظ سیگنال فرکانس از مدار هدف به اسیلوسکوپ تنظیمات پایان ورودی اسیلوسکوپ محدوده باید 1 MΩ باشد. Figure 2 طراحی محافظ 1:1 را نشان می دهد کاوشگر

شکل 2. را پروب ولتاژ محافظ 1:1 بر اساس کابل کواکسی است. اندوکتانسی روشن است نوک کاوشگر (L_US ) و سرب زمین (L_G ) پهنای باند را محدود می کند، اما اندازه کوچک به به حداقل رساندن نویز کمک می کند وانت

n:1 50 Ω voltage probe
پروب n:1 برای دامنه سیگنال (از جمله هر یک) در نظر گرفته شده است سنبله ها) که از حداکثر امتیاز ولتاژ تجاوز می کنند تقویت کننده ورودی اسیلوسکوپ این کاوشگر کمی بیشتر است ساختن پیچیده است شماتیک ساده شده آن در نشان داده شده است شکل 3 .

شکل 3. ساده شده شماتیک پروب ولتاژ n:1 یک مقاومت سری را نشان می دهد R_S که برای یافتن مقدار آن نیاز به محاسبات دارد.

این ما را به مرحله اول و مهم در تعیین ارزش می رساند مقاومت حسی (R_S ). این آنقدرها هم که فکر می کنید ساده نیست. وجود دارد چندین فاکتور که باید در نظر بگیرید

تنظیم کنید پایانه ورودی اسیلوسکوپ به 50 Ω. اسیلوسکوپ مقاومت پایانی داخلی 50 Ω به مقاومت پایینی تبدیل می شود مدار تقسیم کننده مقاومت شما می توانید با خیال راحت فرض کنید که این مقاومت بهتر از 0.1 درصد تلرانس است. اتلاف توان آن نباید از 0.25 وات تجاوز کند. این امتیاز توان حداکثر را تعیین می کند جریانی که می تواند وارد ورودی اسیلوسکوپ شود.

اضافی ملاحظات عبارتند از:

• حداکثر دامنه سیگنال در سراسر مقاومت پایانی 50 Ω.
• قدرت پراکنده شده در مقاومت حس سری (R_S ).
• در حال بارگذاری روی مدار ورودی

همه این ملاحظات باید بین یکدیگر متعادل باشند و آنها تنظیم بهره تقویت کننده ورودی اسیلوسکوپ را تعیین می کند. اگر سیگنال خیلی کم باشد، بهره ورودی اسیلوسکوپ باید تنظیم شود در محدوده <100 میلی ولت سیگنال نمایش داده شده نویز می شود زیرا سیگنال ورودی بسیار نزدیک به تقویت کننده ورودی است کف سر و صدا این نویز باعث کاهش ورودی ADC می شود وضوح سیگنال را فقط می توان با کمترین ADC دریافت کرد چهار بیت از ADC (با فرض ADC 8 بیتی). در نهایت خواهید دید را quantization steps از بیت های کم اهمیت (LSB). این امر تا حدودی اجتناب ناپذیر است، به خصوص در کاوشگرهایی با درجه بالا نسبت گام به پایین Figure 4 نمایشگر معمولی 1000:1 50 Ω را نشان می دهد کاوشگر

شکل 4. سطح پایین آثار اسیلوسکوپ اغلب نویز کوانتیزاسیون را در ورودی نشان می دهد سیگنال ها

شکل 5 نشان می دهد ساخت اولیه یک پروب ولتاژ n:1.

شکل 5. را اساسی c آموزش یک پروب n:1 50 Ω شامل یک مقاومت 1/4 وات در نزدیکی نوک است.

دنبال کنید این مراحل هنگام طراحی پروب n:1.

1. 1. تعیین کنید نسبت کاهش مقاومت مورد نظر منجر به یک دامنه سیگنال اسیلوسکوپ (از جمله سنبله ها)، برای تنظیم بهره کانال مورد نظر معمولاً انتخاب خوب است نسبت کاهش مقاومت چند دهه ای، از آنجایی که تنظیم v/div نمایش داده شده فقط در محل a متفاوت است نقطه اعشار از ولتاژ ورودی

1. 1. معمولی دامنه ورودی نباید از قدرت توان تجاوز کند ورودی داخلی مقاومت پایان دهنده 50 Ω. برای تولید ولتاژ کانال مورد نظر، جریان باید از 50 عبور کند مقاومت پایان دهنده Ω.

1. 1. محاسبه کنید مقدار مقاومت حسی (R1) توسط:

1. 1. حالا بررسی کنید اتلاف توان مقاومت حسی

1. بررسی کنید بارگذاری مداری که می خواهید مشاهده کنید. در اینجا، شما باید درک و تعیین اثرات بر مدار هدف. اگر پروب بیش از حد جریان حسی بکشد، پروب این کار را خواهد کرد تغییر (گاهی به شدت) عملکرد هدف مدار. یک قانون کلی این است:

وجود دارد مواردی هستند که ملاحظات اولیه برآورده می شوند، اما پروب مدار هدف را اضافه بار می کند. در این صورت باید به عقب برگردید به مرحله 1 بروید و از جریان حسی کمتر از جریان استفاده کنید در اصل انتخاب شده است.

سر و صدا ملاحظات در پروب ولتاژ n:1
در کاربردهای سوئیچ سخت (یعنی انتقال غیر تشدید سوئیچینگ) جایی که کلید نیمه هادی d را تعیین می کندV /dt در تخلیه آن، سرعت سوئیچینگ معمولا کمتر از 10 نانو ثانیه است. این می تواند باعث افزایش ولتاژ و جریان در مدار شود با لبه های مساوی یا بالاتر از لبه های کلید برق.

در داخل پروب های 50 Ω خود طراحی شده، باید اثرات آن را در نظر بگیرید خطوط انتقال در اندازه گیری های شما هر ارتباط، چه اتصال کانکتور یا اتصال لحیم، امپدانس ایجاد می کند ناپیوستگی در مدل خط انتقال این ایجاد می کند نقاط بازتاب لبه سیگنال برای اجزای فرکانس بالا سیگنال (لبه ها). Figure 6 یک انتقال نماینده را نشان می دهد مدل خطی

شکل 6. For an n:1 voltage probe, you need a transmission-line equivalent model.

را عملکرد پروب ولتاژ n:1 50 Ω بسیار پیچیده تر است نسبت به دو مقاومت اجزای فرکانس بالا از سیگنال عناصر واکنشی را در خط انتقال می بیند مدل می شوند و توسط عناصر آن تقویت و منعکس می شوند.

سپر اساساً یک استوانه فارادی در اطراف مرکز تشکیل می دهد هادی که در آن هیچ میدان EM خارجی نفوذ نمی کند. در شکل 6 ، طول سرنخ های بدون محافظ در منبع هدف هستند مستعد انرژی نویز EM (N_S ) و بخشی از سیگنال “واقعی” نیستند. این نویز به سیگنال واقعی می افزاید و تنها با کاهش طول در لیدهای حسی (و هر طول ردیابی PCB اضافی) می توان آن را کاهش داد.

هنگامی که سیگنال وارد کابل کواکسیال می شود، وضعیت به a تبدیل می شود مشکل خط انتقال در اینجا، سیگنال با سرعت تقریبا 0.67 برابر سرعت نور از طریق کابل عبور می کند. هنگامی که سیگنال با یک ناپیوستگی امپدانس مانند یک کانکتور مواجه می شود، بخشی از سیگنال به منبع منعکس می شود. سیگنال منعکس شده نیز در سیگنال ورودی خلاصه می شود. به صورت یک لبه معکوس و در دو برابر تاخیر سفر یک جهته ظاهر می شود. در حال حاضر سوال این است که “چه بخشی از سیگنال واقعی است و چه بخشی از اثرات خط انتقال خلاصه شده است؟”

به اثر خط انتقال را کاهش دهید، می توانید کابل را مرطوب کنید اجزای تشکیل دهنده به این می گویند compensation ، معمولاً با افزودن یک شبکه RC سری در سراسر BNC انجام می شود اتصالات سیگنال به زمین کانکتور (همانطور که در شکل 6 ). هدف آن این است که امپدانس راکتیو ارائه شده توسط کابل کواکس را باطل کند. این باعث کاهش سیگنال ناشی از انگلی می شود در سیگنال واقعی خلاصه می شود. متأسفانه، هیچ چیز بدون قیمت به دست نمی آید، زیرا پهنای باند کاوشگر را کاهش می دهد. توسط چگونه بیشتر به ترجیحات زیبایی شناختی اپراتور بستگی دارد. شکل 7a نشان می دهد یک نمودار اسیلوسکوپ از یک پروب ولتاژ جبران نشده 1000:1 50 Ω بر روی تخلیه یک MOSFET superjunction با کارایی بالا در یک مبدل PFC. شکل 7b شکل موج را از a نشان می دهد کاوشگر جبران شده

شکل 7a. نوارهای اسیلوسکوپ یک پروب ولتاژ 1000:1 50 Ω بدون جبران، زنگ زدن را نشان می دهد.

شکل 7b. غرامت با یک مقاومت 10 Ω و خازن 470 pF زنگ را کاهش می دهد.

چه زمانی ما زمان افزایش نسبی و زمان سقوط زهکش را با هم مقایسه می کنیم سیگنال ها (شکل 8a ، می توانید کاهش جزئی را مشاهده کنید در سرعت سوئیچینگ (شکل 8b ).

شکل 8a. پروب ولتاژ 1000:1 50 Ω جبران نشده زنگ زدن، تاخیر لبه و بازتاب ها

شکل 8b. یک پروب جبران شده با مقاومت 10 Ω و خازن 470 pF شکل موج تمیزتری را نشان می دهد.

In Figure 8a ، سنبله لبه جلو و زنگ وحشتناک است، اما دقیق ترین نمای زمان افزایش ولتاژ خاموش است (t_RV ). همچنین شواهدی از انعکاس، درست در پشت سنبله لبه جلویی را نشان می دهد. شکل 8b همان پروب با جبران است. شکل موج از نظر زیبایی شناختی قابل قبول تر است. صدای زنگ را کاهش می دهد، اما زمان خیز را نیز کاهش می دهد (هنوز بهتر از پروب تجاری موجود است). بنابراین، شما باید از پروب جبران نشده برای تمام زمان های صعود و سقوط استفاده کنید (دV /dt ) اندازه گیری ها و کاوشگر جبران شده برای سایر مشاهدات منبع تغذیه.

غرامت اثرات
می توانید سعی کنید مقادیری را برای اجزای جبران کننده اختصاص دهید R و سی با تلاش برای مدل سازی سیستم کاوشگر. این به معنای تلاش برای تعریف غیر قابل تعریف است. در نهایت، شما فقط باید روی نیمکت بنشینید و به صورت دستی مقادیر نهایی را به a تنظیم کنید qualitative راه حل “بهینه”. چنین کاری می تواند خسته کننده باشد، به خصوص هنگام کار با PCB های کوچک و قطعات نصب شده روی سطح که باید با هر تغییر مدار به صورت دستی لحیم کاری کنید و به PCB لحیم کنید.

تعدادی وجود دارد R و سی ترکیبات ارزشی که نتایج مشابهی را به همراه دارد. برخی از نکات و مشاهدات مهندسین با تجربه تر ممکن است به شما در این راه کمک کند.

• چرخ را دوباره اختراع نکنید پروب 50 Ω از نظر ساخت بسیار شبیه به پروب های تجاری خریداری شده است. با مقادیر جبرانی R & C که توسط شرکت های بزرگ استفاده می شود شروع کنید.
• خازن های بزرگتر زمان خیز و نزول نمایش داده شده شما (BW) را کاهش می دهند و فرکانس های تشدید سیگنال های منعکس شده را کاهش می دهند.
• مقاومت بر میزان میرایی سیگنال منعکس شده – تا یک نقطه تأثیر می گذارد. مقادیر مقاومت بیش از حد بالا تمایل دارند تا ظرفیت جبران کننده را از LS و CS توزیع شده کابل کواکسی جدا کنند. این در نشان داده شده است شکل 9 .

شکل 9. جبران یک پروب با مدار RC خروجی را ضعیف می کند.

از تجربه من، به نظر می رسد محدوده مقدار مقاومت بهینه از آن باشد 10 Ω تا 47 Ω. مقادیر بالاتر از این محدوده به نظر می رسد که دامنه سنبله های تشدید روی سیگنال را افزایش می دهد. به نظر می رسد این صنعت از ظرفیت خازنی در حدود 470 pF استفاده می کند. این یک است نقطه شروع خوب با نصب مقاومت جبران کننده، مقدار ظرفیت خازنی زیر و بالاتر از این مقدار را امتحان کنید. شما می خواهید حداقل مقدار ظرفیت خازنی را تعیین کنید که نتایج مطلوب را به همراه دارد. مقادیر بالاتر ظرفیت باعث کاهش سرعت افزایش می شود و زمان سقوط و دامنه اوج سیگنال واقعی. مقادیر ظرفیت خازنی بین 470 pF تا 680 pF به نظر می رسد که منجر به یک شکل موج جبران شده معقول می شود.

در قسمت دوم، من در مورد طراحی و ساخت یک پروب ولتاژ دیفرانسیل و پروب جریان بحث می کنم.