Измерительные щупы
Измерения — важнейший этап в электронике. Для этого существует уйма различных приборов и других электронных приборов. Посредниками между приборами и замеряемыми величинами являются щупы. О них мы с вами и поговорим в этой статье.
Виды щупов
Простые
Давайте для начала разберемся, какие щупы чаще всего используют в электронике. Итак, рассмотрим сначала самые ходовые щупы:
Поближе они выглядят вот так:
Они очень удобны для измерений различных крупногабаритных предметов, например, таких как советские резисторы (измерить сопротивление резистора), трансформаторы (замерить напряжение на первичной или вторичной обмотке), а также для различной силовой электроники. Короче говоря для предметов, по которым не промахнешься:-).
Для тонких работ
Предназначены для очень деликатных малогабаритных радиодеталей и другой мелочевки
Поближе они выглядят вот так:
Их иглы очень тонкие и острые, поэтому ими очень удобно измерять различные величины в какой-нибудь аппаратуре, а также в микроэлектронике. С ними везде можно подлезть 😉
Для SMD компонентов
Очень хороши щупы для замера SMD компонентов
На фото ниже я замеряю емкость SMD конденсатора.
Крокодилы
Когда лень или нет возможности удерживать щупы, для этого имеются специальные щупы-крокодилы
Для осциллографа
Еще одна разновидность щупов, это СВЧ щупы для осциллографа. В данном случае этот щуп от осциллографа OWON SDS 6062.
Этот щуп не просто два проводка под изоляцией. Здесь все намного сложнее. Внутри него используются даже некоторые радиоэлементы, так что самопальным щупом здесь не отделаетесь. Его лучше купить и не париться, если у вас есть осциллограф.
Примерно вот так щуп цепляется к моему цифровому осциллографу OWON
Как правильно выбрать щупы
Во-первых, не берите хлипкие за 50-60 рублей
в основном они идут вместе с приборами в комплекте.
При частом использовании они все время ломаются, приходится их подпаивать и тд. Они того не стоят. Лучше их положить в загашник и купить нормальные. Не пожалейте сотки две-три. Они себя окупят и будут служить вам верой и правдой.
Во-вторых, длинные щупы покупать тоже не стоит, так как чем они длиннее, тем больше их сопротивление, а значит, будет больше погрешность при измерениях.
Брал я их на Алиэкспрессе. Можете посмотреть и выбрать подходящие для вас вот по этой ссылке.
Щуп осциллографа. Устройство и принцип работы
Эта статья для тех кто всегда хотел знать как устроен щуп осциллографа, но боялся спросить. Для тех кто начинает работать с осциллографом, а также для тех кто много лет работает, но никогда не хватало времени и сил для того, чтобы разобрать как устроен щуп(пробник) осциллографа на самом деле. Этот материал основан на статье Doug Ford «The secret world of oscilloscope probes» с некоторыми изменениями и дополнениями. В статье будут рассматриваться только пассивные щупы. Исследование работы будем проводить в популярном симуляторе электронных схем LTSpice. Разберем последовательно назначение и особенности каждого элемента, моделируя эквивалентные схемы начиная от простых вариантов и переходя к более реалистичным. Узнаем кто изобрёл и запатентовал первый прототип этого устройства в том виде в котором он используется сейчас. А также в конце рассмотрим как устроен реальный щуп фирмы Keysight(бывший Agilent) 10073C, вышедший из строя и давший согласие предоставить свои останки на благо научного прогресса.
Все кто работает в области электроники хоть раз сталкивался с измерением с помощью осциллографа. Существует много разновидностей пробников, в основном они делятся на активные и пассивные. Активные пробники могут быть самого разного устройства и назначения, и в этой статье не рассматриваются. Мы обратим внимание на наверное самый распространенный вариант пассивного пробника с коэффициентом деления равным 10 (либо с переключателем режимов 1 или 10) и входным сопротивлением 10 МОм с учетом входного сопротивления осциллографа 1 МОм. В комплекте осциллографа как правило имеется два таких щупа.
Рассмотрим его устройство. Если поискать в интернете как устроен щуп осциллографа, то чаще всего приводится схема представленная на рисунке 1. Входное сопротивление осциллографа равно 1 МОм. Емкость входа осциллографа как правило составляет от 10 до 30 пФ (мы возьмем 20пФ). Источником сигнала будет генератор с 50-омным выходом нагруженный на резистор
50 Ом. Эквивалентное выходное сопротивление такой схемы будет параллельное сопротивление (Rgen || Rload) = 25 Ом, такой выбор не случаен, о чем еще пойдет речь ниже. Эквивалентная схема щупа представлена как емкость кабеля в виде конденсатора на 100 пФ, наконечника с резистором делителя Rdiv и компенсирующего подстроечного конденсатора Ccomp. Делитель составленный из резисторов Rdiv и Rin образуют коэффициент пробника
Задача конденсатора Ccomp выровнять частотную характеристику тракта. Для того, чтобы коэффициент оставался 1/10 на всех частотах необходимо, чтобы конденсатор Ccomp равнялся 1/9 суммарной емкости кабеля и входа осц., и таким образом получаем значение
Рисунок 1 
Рисунок 2
Другой возможный вариант когда параллельно резистору Rdiv стоит постоянный конденсатор, а подстроечный ставится параллельно входу осциллографа как показано на рисунке 2. Для переключения в режим с коэффициентом 1 резистор Rdiv просто закорачивают. Еще одна возможная конфигурация, показанная на рисунке 3, когда цепь подстройки находится в основании щупа, а не в наконечнике. Такой вариант и будем рассматривать в дальнейшем. Входная емкость такой системы будет определятся как последовательное соединение емкости Cdiv и суммы емкостей Ccable, Ccomp и Cin и равняется 13,5 пФ. Именно входная емкость определяет полосу пропускания щупа, точнее она определяется RC цепочкой, составленной из входной емкости и внутреннего сопротивления той части схемы куда приложен щуп. В документации на пробник обычно указывается полоса пропускания, которая нормирована на эквивалентной внутреннее сопротивление источника равное 25 Ом, то есть, если щуп с полосой пропускания в 500 МГц, имеющий входную емкость в районе 12 пФ приложен к высокоомной цепи, например 1МОм, то полоса пропускания уменьшится до 12,5 кГц. В нашем же случае как видно из рисунка 4 штатная полоса пропускания оказалась равной 470 МГц.
Рисунок 3 
Рисунок 4
Посмотрим как влияет изменение ёмкости компенсационного конденсатора Сcomp на частотный отклик. На рисунке 5 показан результат моделирования при изменении емкости от 4 пФ до 24 пФ с шагом 2 пФ. Видно, что искажения начинаются уже с нескольких сотен герц. Правильно подобранная компенсация должна обеспечить ровную частотную характеристику.
Рисунок 5
На рисунке 6 влияние емкости Сcomp на форму измеряемого сигнала в виде прямоугольных импульсов. Последняя картинка знакома любому, кто хоть раз сталкивался с калибровкой щупа осциллографа. Осциллографы как правило оснащены внутренним генератором прямоугольных сигналов, который питает «калибровочный» терминал на передней панели. Частота калибровочного сигнала обычно составляет 1 кГц с амплитудой 1 В. Изменяя емкость подстроечного конденсатора в основании можно добиться максимальной «прямоугольности» импульсов, и тем самым максимальной ровности частотного отклика.
Рисунок 6
Как правило объяснение работы пассивного пробника на этом заканчивается. Но мы попробуем пойти немного дальше. Основное отличие приведенной схемы от реальной ситуации заключается в том, что кабель аппроксимируется сосредоточенной емкостью только на низких частотах. Для полной картины необходимо изменить модель кабеля с емкости на линию передачи, как показано на рисунке 7. Типичная длинна кабеля щупа равна 1,2 м. Определим погонную емкость из соображения сохранения общей емкости 100 пф, таким образом погонная емкость будет равна 100 / 1,2 = 83,3 пФ/м. Погонную индуктивность найдем из формулы
где Zo – волновое сопротивление кабеля – 50 Ом. Таким образом L=2500*83,3 = 208,3 нГн. Вставим полученные значения в нашу модель и построим АЧХ.
Рисунок 7 
Рисунок 8 
Рисунок 9
Как видно результат оказался чудовищный. На рисунке 8 и 9 представлены частотные характеристики на входе и выходе щупа. Видно, что кроме того, что искажения частотного отклика приняли неприемлемый вид, но и в результате переотражений происходит влияние на измеряемую схему на частотах выше 40 МГц, чем вообще говоря можно повредить устройство. Так происходим из-за несогласованности нагрузки и сопротивления источника с кабелем. Для тех кто не очень знаком с основами передачи сигналов в линиях передачи можно начать ознакомление с этой статьи. А мы пойдем дальше. Так что же делают разработчики пробников осциллографов для решения этой проблемы?
Если вы измерите сопротивление щупа в режиме 1х то увидите, что сопротивление не будет равно нулю. Измеренное сопротивление будет в районе 150-300 Ом. Можно предположить, что в щуп вставлены какие-то последовательные резисторы. Может в этом весь секрет. Давайте вставим в нашу симуляцию пару резисторов. Добавим на входе кабеля резистор 150 Ом, а также на выходе в отсеке регулировки добавим резистор 50 Ом. Результат моделирования показан на рисунке 11.
Рисунок 10 
Рисунок 11
Очевидно, что характеристика стала более плавной, хотя идеальной её по-прежнему трудно назвать. Полезная пропускная способность такой системы не превышает 40МГц. Настройка компенсационного конденсатора мало влияет на частотную характеристику или резонансные эффекты линии передачи. Таким образом, очевидно, что характеристики линии передачи зондирующего кабеля потенциально ответственны за некоторые серьезные ограничения полосы пропускания и частотной характеристики. Итак, в чем секрет дизайна высокочастотных щупов. Как производителям зондов удается добиться максимальной ширины полосы пропускания от зондов? Над этим вопросом думал молодой сотрудник компании Tektronix по имени John Kobbe в 50-е годы 20 века. Пытаясь подобрать размер и положение резисторов для получения гладкой характеристики, он в какой-то момент пришел к выводу, что требуется поставить резистор по середине кабеля. Впрочем, скоро ему пришла идея получше.
Если вы разберете ваш пробник и удалите из него все последовательные резисторы, а потом измерите сопротивление кабеля, то оно про прежнему будет далеко от короткого замыкания. Это происходим от того, что сама центральная жила имеет высокое сопротивление. Именно так поступил John Kobbe. Купив в магазине высокоомную проволоку, он вытащил центральную жилу, заменив ее на проволоку. На рисунке 12 показан кабель щупа в разрезе, видно, что центральная жила гораздо тоньше чем для обычного коаксиального кабеля и смята, что придает в свою очередь больше гибкости пробнику.
Рисунок 12
Так, что же это нам даёт? Вернемся к нашей модели и заменим последовательные резисторы на сопротивление потерь в линии передачи (рисунок 13).
Рисунок 13 
Рисунок 14
На рисунке 14 показан волшебный результат: плавный и монотонный отклик без неприятных отражений или аномалий– просто плавный, полезный отклик! Давайте посмотрим, чего мы еще сможем добиться используя этот подход. Рассмотрим как влияет изменение сопротивление центральной жилы на частотный отклик, будем изменять сопротивление от 100 до 200 Ом с шагом 10 Ом.
Рисунок 15 
Рисунок 16
Отсюда подбираем оптимальное сопротивление – примерно 140 Ом и получаем пробник с полосой пропускания более 230 МГц (рисунок 17) , что уже можно назвать неплохим результатом.
Рисунок 17
Этим нехитрым изобретением производители пробников пользуются и по сей день. Историю Джона Коббе можно почитать здесь. Подробнее про основы пассивных пробников можно почитать в книжке «Oscilloscope Probe Circuits» JOE WEBER 1969 г. А мы двинемся дальше.
Попробуем ещё немного улучшить нашу модель. Практические конструкции компенсационных схем могут быть самые разные и зависят от производителя. Мы же рассмотрим еще один часто встречающийся приём, а именно последовательно с кондесатором Ccomp поставим дополнительный резистор и будем менять его от 50 до 250 Ом с шагом 10 Ом.
Рисунок 18 
Рисунок 19
На рисунке 19 показан результат моделирования. Как видно можно подобрать оптимальное значение резистора для получения ровной характеристики. В нашем случае это значение получается равным 160 Ом (часто в примерах на этом месте встречается значение 68 Ом). Построим окончательный вариант схемы (рисунок 20).
Рисунок 20 
Рисунок 21
Внедрение правильной схемы компенсации позволило увеличить полосу пропускания до значения 450 МГц! Почти удалось добиться результата моделирования идеальной схемы из рисунка 3. Теперь мы знаем секрет создания пробника. Но, как уже говорилось выше, в реальности все гораздо сложнее и приходится учитывать паразитные составляющие всех элементов схемы.
Далее давайте посмотрим некоторые характеристики нашего новоиспечённого щупа. Рассмотрим время нарастания фронта и задержку распространения. Будем для наглядности сравнивать со схемой из рисунка 10 и схемой из рисунка 16.
Рисунок 22
На рисунке 22 показан отклик на прямоугольный импульс 10 В для трех схем, и исходный импульс в уменьшенном масштабе (голубой). Задержка всех моделей оказалась равной примерно 5 нсек. Последний вариант схемы с полосой пропускания 450 МГц (зеленый) показал время нарастания фронта менее 1 нсек, тогда как схема с полосой 230 МГц (красный) показала результат 1,7 нсек. Модель же с последовательными резисторами (коричневый) по длительности фронта не уступает последнему варианту щупа, но создает значительные искажения формы. Наносекундные различия во времени нарастания несущественны, если вы наблюдаете прямоугольный отклик звуковых операционных усилителей с микросекундным временем нарастания, но они становятся жизненно важными, если вы исследуете проблемы в высокоскоростных цифровых схемах.
Полезно также рассмотреть частотную зависимость входного сопротивления (импеданса) пробника. Как говорилось выше для постоянного напряжения и низких частот пробник x10 имеет входное сопротивление 10 МОм. На следующем рисунке 23, показана зависимость входного сопротивления от частоты. По оси Y указано входное сопротивление в дБ (140 дБ соответствует 10МОм). Видно, что емкость начинает оказывать определяющее воздействие на входной импеданс на высоких частотах, и выше 150 МГц падает до значения менее 100 Ом (40 дБ на графике).
Рисунок 23
Рассмотрим также как влияет заземляющая клемма на частотную характеристику. Типичный провод заземления пробника с зажимом составляет около 150 мм в длину. Типичная индуктивность провода составляет около 1 нГн /мм, поэтому заземляющий провод соответствует индуктивности 150 нГн. Так как место крепления заземляющего провода находится на некотором расстоянии от наконечника добавим еще 50 нГн. Вставим эту индуктивность в нашу модель щупа и посмотрим, как это повлияет на частотную характеристику.
Рисунок 24 
Рисунок 25 
Рисунок 26
На рисунке 25 и 26 частотная характеристика и фронт отклика во временной области щупа с индуктивностью (зеленый) показана в сравнении с предыдущим вариантом без индуктивности (красный). Характеристика значительно испортилась и стала демонстрировать немонотонность.
Рисунок 27
Для измерения сигналов выше десятков МГц в комплекте щупа всегда идут специальные насадки (рисунок 27) для заземления пробника максимально близко к наконечнику щупа во избежание возникновения индуктивных искажений.
Напоследок рассмотрим реально существующий вариант щупа фирмы Agilent (нынешний Keysight) 10073C, который пришел в негодность у меня на работе и был разобран. На рисунке 28 представлено основание щупа.
Рисунок 28
На рисунке 29 воссозданная схема в LTSpice. Сопротивление кабеля отличается от рассмотренных выше и равняется 2,2 МОм. Значения потенциометров, расположенных по бокам могут принимать значения до 500 Ом (R7-R10). Полоса пропускания по спецификации 500 МГц. Значения регулируемых емкостей неизвестно. Параметры используемого кабеля и емкости Сdiv также неизвестно. Со значениями используемыми в этой статье получилось только 426 МГц (рисунок 30).
Рисунок 29 
Рисунок 30
Пробники с высокой пропускной способностью спроектированы с использованием тщательно подобранного кабеля линии передачи и с минимизации воздействия сквозных отражений линии передачи.
Использование правильной схемы компенсации позволяет в разы увеличить полосу пропускания.
Пробник 10х имеет входное сопротивление 10 MОм только на низких частотах. На более высоких частотах в основном определяется входной ёмкостью.
Индуктивность заземляющего провода может разрушить точность формы сигнала и пропускную способность. Используйте комплект насадок из комплекта пробника, чтобы обеспечить низкую индуктивность.
Щуп PP-80 для осциллографа
Щупы поставляются в прочном полиэтиленовом пакете: 
Внутри можно обнаружить непосредственно сам щуп на 60MHz с делителем, колпачки и кольца к нему, отвертку для настройки и краткое руководство: 
В последнем показан правильный алгоритм настройки щупов, необходимый для правильного отображения информации: 
Внешний вид:
Выглядит щуп следующим образом: 
Он имеет общепринятые разъемы, длина кабеля составляет 1м: 
На конце имеется съемный колпачок с крючком для захвата проводов: 
При необходимости колпачок снимается: 
Щуп рассчитан на работу на частотах до 60MHz, имеет делитель (1х/10х) и BNC коннектор для подключения: 
Для настройки предназначен специальный подстроечный винт: 
В комплекте поставляется простенькая отвертка регулировки с изолированной ручкой, но без проблем можно использовать и часовые отвертки: 
Также в комплекте к щупу поставляются разноцветные кольца и колпачки. Первые предназначены для более удобного определения, к какому именно каналу подключен щуп, а вторые для защиты жала щупа от общего контакта.
Калибровка щупов:
Перед началом работы необходимо убедиться, что щупы правильно настроены. Для этого подключаем щуп к встроенному или внешнему генератору сигналов и подаем прямоугольные импульсы (переключатель делителя должен быть установлен в положение 10х). Точно настроенные щупы не имеют каких-либо завалов по фронтам сигнала (ровные «прямоугольники»).
По-умолчанию, настройка щупов была немного «сбита», т.е. емкость щупа чуть больше необходимой: 
После подстройки все пришло в норму: 
Это же самое указано и в инструкции: 
Итого, щупы рабочие, качество вполне хорошее…
Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.
Как выбрать щупы для осциллографа
При рассмотрении осциллографа FNIRSI-1C15 обнаружил явление — при котором щупы, в бюджетном хорошем осциллографе на сто мегагерц, дают сбои уже после двадцати мегагерц. Мне кажется — это общее явление. На рынке спрашивал — и не обнаружил у мастеров мнений про какие-то качественные щупы с обвязкой на концах, максимум — резисторный делитель. — Я ожидал некий усилитель на транзисторе — который исключает помехи по длинным проводам щупов или типа того. По всей видимости — для означенного осциллографа требуются более качественные щупы — какие? — прошу посоветовать. Не представляю — как справляются осциллографы с частотами в двести-пятьдесят мегагерц.
Собственно — а хорош-ли этот осциллограф? По видео видно — что хорош, но при «нормальных» щупах, а они могут стоить дороже тех четырёх с половиной тысяч — которые за него просят. Кроме того — я хочу регистратор — а здесь его нет (а в других — рассмотренных ранее — на
двадцать мегагерц — есть). Может не стоит и волноваться?