W większości codziennych sytuacji laboratoryjnych oscyloskop pracuje z wejściem o impedancji wynoszącej 1 MΩ, podłączonym do sondy pasywnej 10:1. Taka klasyczna konfiguracja jest właściwa dla typowych pomiarów na PCB, podglądu stanów linii GPIO, oceny działania torów analogowych, zasilania oraz wolniejszych sygnałów cyfrowych. Tryb 50 Ω, który można spotkać w urządzeniach ze średniej i wyższej półki, ma jednak zupełnie inne przeznaczenie – z jednej strony daje użytkownikowi szereg nowych możliwości, z drugiej zaś wiąże się z kilkoma aspektami, o których koniecznie trzeba pamiętać, przełączając wejście przyrządu w tryb niskiej impedancji.
Wejście 1 MΩ – domyślny wybór w przypadku sond pasywnych
Wejście o impedancji 1 MΩ jest niekwestionowanym standardem, stosowanym w oscyloskopach (dawniej analogowych, dziś już wyłącznie cyfrowych) od wielu dekad. Taka impedancja wejściowa kanału pozwala przede wszystkim na współpracę z klasycznymi sondami napięciowymi, zwłaszcza pasywnymi sondami 10:1. W wielu sytuacjach wartości 1 MΩ (przy ustawieniu dzielnika na 1:1:) oraz 10 MΩ (przy dzielniku 10:1) są wysoce pożądane – trzeba bowiem pamiętać, że każda sonda obciąża badany punkt układu, a więc jej dobór powinien uwzględniać wpływ rezystancji i pojemności sondy na działanie mierzonego obwodu. Choć współczesne sondy mogą pochwalić się relatywnie niską pojemnością (zwłaszcza w przypadku akcesoriów dedykowanych do wysokiej klasy oscyloskopów), to i tak wspomniana pojemność może zakłócić pracę układu – wie o tym każdy, kto próbował kiedykolwiek podejrzeć oscyloskopem np. sygnał w obwodzie rezonatora kwarcowego mikrokontrolera.
W dokumentacjach oscyloskopów typowo spotyka się dwa tryby wejściowe: 1 MΩ oraz 50 Ω. Domyślną impedancję 1 MΩ należy pozostawić przede wszystkim przy pomiarach wykonywanych sondą pasywną bezpośrednio na PCB: na liniach GPIO, magistralach I2C/SPI/UART, w torach audio, przy badaniu napięć zasilania i w większości innych pomiarów, które wykonujemy na co dzień. Nie jest to wciąż wejście idealne, bo pojemność sondy i przewód masy nadal wpływają na wynik pomiaru (o samym „krokodylku masowym” pisaliśmy już sporo tutaj i tutaj), ale i tak jest to konfiguracja najmniej inwazyjna spośród typowych ustawień oscyloskopu.
Na razie odłóżmy jednak sondy na bok i skupmy się na samym sprzęcie. „Gołe” wejście 1-megaomowe wciąż można z powodzeniem wykorzystać do wielu pomiarów, w których na oscyloskop podajemy sygnał np. z wyjścia analogowego projektowanego urządzenia (buforowanego lub niebuforowanego przetwornika DAC), a także w wielu sytuacjach, w których bezpośrednie wpięcie na układ jest wygodniejsze z użyciem kabla BNC-BNC (tj. z pominięciem sondy pasywnej). Trzeba oczywiście pamiętać o uwzględnieniu poprawki dotyczącej skali odczytu – oscyloskopy niewyposażone w funkcję automatycznego rozpoznawania sond „nie wiedzą”, czy na gniazdo wejściowe podłączono sondę z dzielnikiem napięcia, czy sygnał prosto z badanego urządzenia. A przecież taka informacja jest niezbędna do prawidłowego wyświetlenia czułości (V/div) czy realizacji pomiarów automatycznych bądź kursorowych.
Wejście 50 Ω – a komu to potrzebne?
Wielu elektroników stawiających pierwsze kroki w użytkowaniu bardziej zaawansowanych oscyloskopów jest zaskoczonych, gdy na płycie czołowej lub w instrukcji przyrządu znajdują dopisek informujący o dostępnym trybie niskiej impedancji. Najprościej rzecz ujmując: wejście 50 Ω pozwala dopasować impedancyjnie oscyloskop do reszty badanego obwodu, która także jest zaprojektowana w reżimie 50-omowym – taka sytuacja ma miejsce w znakomitej większości torów RF, a także w wielu szybkich układach analogowych i mieszanych (mixed-signal).
Jeżeli szybki sygnał jest przesyłany przewodem koncentrycznym, sam kabel należy traktować jak linię transmisyjną. Przy braku prawidłowej terminacji na końcu linii pojawiają się odbicia, które mogą zmieniać amplitudę i kształt przebiegu w zależności m.in. od długości przewodu. Dlatego terminatory o impedancji 50 Ω umieszcza się na końcu toru, czyli tuż przy wejściu kanału pomiarowego oscyloskopu. Mogą one przyjmować postać wewnętrznego ustawienia kanału wejściowego oscyloskopu albo zewnętrznego terminatora przelotowego BNC-BNC.
Typowy przykład to bezpośrednia obserwacja sygnału z generatora funkcyjnego, który podłączony został do oscyloskopu przewodem BNC. Zdecydowana większość generatorów laboratoryjnych ma wyjścia 50-omowe, mało tego – część z nich podaje nawet wartość amplitudy właśnie przy założeniu, że na wyjściu podłączono obciążenie 50 Ω. Jeżeli generator ustawiono np. na 1 Vpp, a oscyloskop pozostawiono w trybie wejścia 1-megaomowego, odczyt może być około dwukrotnie większy – nie jest to błąd generatora, tylko konsekwencja niewłaściwego dobrania toru pomiarowego do warunków wyspecyfikowanych przez producenta.
No dobrze – zatem jak przełączyć oscyloskop na 50 Ω i kiedy warto to zrobić?
Jeżeli posiadany przez nas sprzęt umożliwia pracę w trybie wejścia 50 Ω, stosownej nastawy należy szukać w ustawieniach poszczególnych kanałów wejściowych – przełączenie następuje z poziomu menu użytkownika, zwykle za pomocą wewnętrznego przekaźnika sygnałowego (co wiąże się z powstaniem charakterystycznego dźwięku).
Tryb 50 Ω warto zastosować wtedy, gdy spełnione są jednocześnie trzy warunki:
- sygnał jest prowadzony przewodem lub ścieżką o kontrolowanej impedancji,
- źródło sygnału jest przystosowane do obciążenia 50 Ω,
- interesuje nas dokładne odwzorowanie kształtu szybkiego przebiegu.
Dotyczy to m.in. obserwacji sygnałów z generatorów funkcyjnych i impulsowych, wyjść RF, torów pomiarowych zakończonych portami BNC/SMA o impedancji 50 Ω, a także np. szybkich komparatorów czy niektórych wzmacniaczy. Co ważne – mówimy tutaj zarówno o pomiarach impulsów o krótkich czasach narastania i opadania (rzędu kilku…kilkunastu nanosekund lub mniej), jak i o szybkich przebiegach prostokątnych lub innych sygnałach szerokopasmowych.
Co ciekawe, tryb 50 Ω bywa również wymagany przez niektóre sondy aktywne, stosowane z wysokiej klasy oscyloskopami. Jeżeli natomiast posiadany sprzęt nie ma wewnętrznego trybu 50 Ω, a musimy wykonać pomiar linii transmisyjnej, możemy użyć niewielkiego terminatora przelotowego 50 Ω (tzw. feed-through terminator).
Ograniczenia przy stosowaniu wejścia 50 Ω
Najważniejsze ograniczenie zastosowań trybu 50-omowego wynika z maksymalnego napięcia, jakie można bezpiecznie dostarczyć do wejścia oscyloskopu. Nieprzypadkowo na płytach czołowych oscyloskopów, w pobliżu gniazd wejściowych, znajdują się wyraźne oznaczenia przypominające o dopuszczalnej amplitudzie sygnału wejściowego – przykład można zobaczyć na zdjęciu poniżej.
Niska impedancja wiąże się ze znacznie wyższą wrażliwością na poziom napięcia. W większości przypadków, w trybie 1 MΩ, można bez szkody dla oscyloskopu podać na wejście urządzenia sygnał rzędu stu kilkudziesięciu do nawet kilkuset woltów, podczas gdy w trybie 50 Ω dopuszczalne napięcie najczęściej nie przekracza 5 V!
Na omawiane zagadnienie warto spojrzeć z punktu widzenia nie tylko samego prądu, ale także mocy, która musi zostać wydzielona w terminatorze:
P = U² / R
Gdyby wartość skuteczna napięcia wynosiła zaledwie 10 V RMS, to na impedancji 50 Ω wydzieliłyby się aż 2 W mocy! To byłoby zdecydowanie zbyt dużo jak na rezystor terminujący wewnątrz delikatnego toru wejściowego oscyloskopu. Nawet przy dopuszczalnym sygnale 5-woltowym moc strat w terminatorze wynosi aż 500 mW, czyli wciąż całkiem sporo. Dlatego właśnie przed włączeniem trybu 50 Ω trzeba sprawdzić maksymalne napięcie dla konkretnego modelu przyrządu – limity są tutaj bowiem wielokrotnie niższe niż dla wejścia 1 MΩ.
Błędem jest także obciążanie przypadkowych punktów badanego układu wejściem o impedancji 50 Ω, nawet jeżeli obecne tam napięcia mieszczą się w specyfikacji producenta oscyloskopu. Dla logicznego stanu wysokiego na poziomie 3,3 V podłączenie niskoimpedancyjnego wejścia oznacza wymuszenie przepływu prądu o natężeniu:
I = 3,3 V / 50 Ω = 66 mA
Taka wartość przekracza nawet kilkukrotnie możliwości wyjść wielu mikrokontrolerów, wzmacniaczy operacyjnych i innych układów scalonych. Nawet jeśli badany układ nie zostanie uszkodzony, to pomiar najzwyczajniej w świecie przestanie być reprezentatywny, bo sam oscyloskop stanie się nadmiernym obciążeniem badanego obwodu – a to spowoduje np. nadmierny spadek napięcia na impedancji wewnętrznej mierzonego wyjścia czy też zmianę innych warunków pracy układu.
To warto zapamiętać
Jeżeli mierzymy sygnały z użyciem sondy pasywnej, np. wpinając ją na PCB, zawsze należy pozostać przy domyślnej impedancji wejściowej równej 1 MΩ. Podobnie jest w przypadku badania sygnału pochodzącego z nieznanego układu – najpierw trzeba sprawdzić, czy może on w ogóle być bezpiecznie podany na wejście oscyloskopu. Z kolei do podłączenia oscyloskopu przewodem koncentrycznym 50 Ω do generatora laboratoryjnego, toru RF albo źródła szybkich impulsów, zdecydowanie należy użyć wejścia 50 Ω, które pozwala na poprawne zakończenie toru transmisyjnego bez użycia dodatkowych adapterów.
W drugiej części artykułu przedstawimy efektowne wyniki prostego, ale bardzo pouczającego eksperymentu pomiarowego, który wykonaliśmy w naszym laboratorium.
Ciąg dalszy nastąpi – konieczne zapisz się na nasz newsletter i zaobserwuj nas w mediach społecznościowych, aby być zawsze na bieżąco z wartościowymi artykułami!
