בחירת ה-Probe הנכון: האם להיות אקטיבי או פאסיבי?
3 יולי, 2011
לבחונים השפעה מכרעת על דיוק המדידה באמצעות אוסילוסקופ. כיצד לבחור את ה-Probe המתאים, האם לבחור בבחון אקטיבי או פאסיבי, ומה הוא האורך האידיאלי של כבלי החיבור ונקודות המגע?
לבחונים השפעה מכרעת על דיוק המדידה באמצעות אוסילוסקופ. מאמר זה מתאר את השיקולים בבחירת ה-Probe המתאים, בהתאם לאילוצי העלות והביצועים
מאת: Jae-yong Chang and Kenny Johnson, Agilent Technologies
בחירת בחון (Probe) הולם היא הצעד הראשון בביצוע מדידות אוסילוסקופ אמינות. הבחונים מתחלקים לשתי קטגוריות עיקריות: פאסיביים ואקטיביים. בחונים אקטיביים כוללים רכיבים פעילים כמו טרנזיסטורים ומגברים ולכן דורשים אספקת מתח חיצוני. בחונים פאסיביים אינם זקוקים למקור כוח חיצוני. מנגד, לבחונים האקטיביים ביצועים טובים יותר ברוחב פס גדול (תדרים מהירים).
בחונים פאסיביים
הבחונים הפאסיביים הם הנפוצים ביותר לשימוש. ניתן לחלק אותם לבחונים בעלי עכבת כניסה גבוהה (High Impedance Input) ולבחונים בעלי עכבת כניסה נמוכה ומחלק נגד (Resistor Divider). בחון פאסיבי בעל עכבת כניסה גבוהה ויחס חלוקה של 10:1 הוא ככל הנראה הנפוץ ביותר בתעשייה, ומגיע עם רוב האוסילוסקופים המיועדים לרוחבי פס נמוכים עד בינוניים.
ההתנגדות הטיפוסית של קצה הבחון (Probe Tip) היא 9MΩ, המעניקה יחס חלוקה (או יחס ניחות – Attenuation Ratio) של 10:1 כאשר הוא מחובר לכניסת האוסילוסקופ של 1MΩ. התנגדות הכניסה הנקייה הנראית מקצה הבחון היא 10 MΩ. רמת המתח בכניסת האוסילוסקופ היא עשירית מרמת המתח בקצה הבחון. ניתן לבטא זאת על-ידי הנוסחה:
בהשוואה לבחונים האקטיביים, בחונים פאסיביים הם עמידים וזולים יותר. הם מעניקים טווח דינמי רחב (יותר מ-300V לבחון 10:1 טיפוסי) והתנגדות כניסה גבוהה המותאמת לעכבת הכניסה של האוסילוסקופ. יחד עם זאת, הם כופים טעינה קיבולית גבוהה יותר ולכן מוגבלים לתדרים נמוכים יותר בהשוואה לבחונים אקטיביים, או בחונים פאסיביים בעלי עכבה נמוכה (z0) ומחלק נגד.
בחון עכבה נמוכה ומחלק נגד
לבחון בעל עכבה נמוכה ומחלק נגד יש התנגדות קלט של 450Ω או 950Ω המספקת ניחות של 10:1 או 20:1 עם קלט אוסילוסקופ של 50Ω. לאחר נגד הכניסה מצוי כבל 50Ω המסתיים בכניסת 50Ω של האוסילוסקופ. חשוב לזכור שהאוסילוסקופ חייב להיות בעל התנגדות כניסה של 50Ω כדי להשתמש בבחון מסוג זה.
התועלות העיקריות של בחון מהסוג הזה כוללות טעינה קיבולית נמוכה וטווח תדרים גבוה מאוד (מספר גיגה הרץ), המסייעים במדידות תזמון מדוייקות, וכן עלות נמוכה בהשוואה לבחון אקטיבי בטווח תדרים דומה. הוא מתאים לביחון של מעגלי ECL, יישומי מיקרוגל, או הסתכלות בקווי שידור של 50Ω. הפשרה הקריטית היחידה הינה שלבחון זה יש עומס התנגדותי גדול יחסית, שעשוי להשפיע על משרעת (Amplitude) האות הנמדד.
בחונים אקטיביים
כאשר עובדים עם אוסילוסקופ בעל רוחב פס גדול מ-500MHz, מומלץ להשתמש בבחון אקטיבי. למרות מחירו הגבוה, הבחון האקטיבי עדיף לקבלת ביצועים טובים בתדרים גבוהים. בדרך-כלל הבחונים האקטיביים יקרים יותר מבחונים פאסיביים ומתח הכניסה שלהם מוגבל, אולם בזכות הטעינה הקיבולית הנמוכה שלהם הם מעניקים תובנות מדויקת יותר בבדיקת אותות מהירים.
מתוקף ההגדרה, בחונים אקטיביים דורשים אספקת כוח. בחונים מודרניים רבים מסתמכים על ממשקי בחון אינטליגנטיים המספקים כוח ומשמשים כחיבור תקשורת בין בחונים תואמים ובין האוסילוסקופ. בדרך-כלל הממשק מזהה את סוג הבחון המחובר וקובע את עכבת הכניסה, יחס הניחות, הספק הבחון וטווח ההיסט הדרושים.
שיקולי רוחב פס וטווח תדרים
לבחונים אקטיביים יתרונות ברורים בטווח תדרים גדול. משתמשים רבים מחמיצים את סוגיית "רוחב פס החיבור", או במלים אחרות: השפעת החיבור ליעד. למרות שהמפרט של בחון אקטיבי עשוי לכלול רוחב פס מרשים, ראוי לזכור שהביצועים המצויינים במפרט התקבלו ככל כנראה בתנאים אידיאליים. במצבי אמת, שבהם נעשה שימוש באביזרי ביחון כמו Probe Tip, הביצועים הממשיים עשויים להיות גרועים מהמצויין במפרט. הביצועים בפועל של מערכת ביחון אקטיבית נשלטים בעיקר על-ידי מערכת החיבור. לרכיבים טפיליים משמאל לנקודה VAtn בתרשים 5, יש השפעה מכרעת על ביצועי האמת של הבחון האקטיבי בתדר גבוה.
לדוגמה: בחון N2796A 2-GHz של Agilent, הוא בחון אקטיבי חד-קְצָוִי (Single Ended Probe) המספק רוחב פס של 2GHz ביחד עם Probe Tip וארקת היסט (Offset Ground) באורך של שני סנטימטר. אולם אם נסיר את קצה הבחון והארקה, ונחליף אותם במתאם Dual-lead של 10 סנטימטר, טווח התדרים של הבחון יצנח ל-1GHz בלבד. חיבור Clips נוספים למתאם ה-Dual-lead יכולים להקטין את רוחב הפס של הבחון ל-500MHz בלבד. כלומר, Input Leads קצרים הם חיוניים לקבלת ביצועים גבוהים.
השפעת העומס (Loading)
הבה נדבר עתה על עכבת הכניסה והעומס של הבחון. אנשים רבים סבורים שעכבת הכניסה של בחון הינה קבועה. אולם זו טעות: עכבת הכניסה פוחתת עם העלייה בתדר.
בזרם ישר ובתדרים נמוכים, עכבת הכניסה של הבחון מתחילה בהתנגדות הכניסה המצוינת במיפרט, למשל 10 MΩ עבור בחון פאסיבי 10:1. אולם עם העלייה בתדר, מתחילה קיבוליות הכניסה להתנהג כקצר (Short), והעכבה יורדת. ככל שקיבוליות הכניסה גבוהה יותר, כך שיפוע העכבה צונח במהירות גדולה יותר.
בתרשים 7 מוצגת השוואה בין בחון פאסיבי 500MHz לבין בחון אקטיבי 2GHz. ניתן לראות שהחל מ-10KHz לערך, עכבת הכניסה של הבחון האקטיבי גבוהה יותר מזו של הבחון הפאסיבי. פירוש הדבר פחות עומס על אות היעד – ולכן פחות הפרעות לאות.
כשנבדוק בטבלה את המצב ב-70MHz, נראה שעכבת הכניסה של הבחון הפאסיבי יורדת לכ-150Ω, בעוד שעכבת הכניסה של הבחון האקטיבי היא כ-2.5kΩ. ההבדל הזה הוא משמעותי: אם למשל היינו בודקים מערכת בעלת עכבת מקור של 50Ω-100Ω, לבחון האקטיבי הייתה השפעה גדולה יותר על האות בגלל העומס על הבחון.
כלומר, בטווח התדרים הזה שימוש בבחון פאסיבי הוא שווה ערך להצבת נגד של 150Ω במעגל הנבדק. אם הינך יכול לשאת זאת, הבחון הפאסיבי יהיה בסדר גמור. אם אינך יכול לשאת זאת, אזי הבחון הזה יהווה בעייה, ועדיף לבחור בבחון בעל עכבה גבוהה יותר בתדרים גבוהים, כדוגמת בחון אקטיבי.
סיכום
בדרך-כלל רוב הלקוחות בוחרים קודם את האוסילוסקופ בהתבסס על צרכי טווח התדרים, קצב הדגימה וספירת הערוצים, ורק לאחר מכן דואגים לאופן הזנת האות לאוסילוסקופ. בחירת הבחון הנכון הינה הצעד הראשון בביצוע מדידות אוסילוסקופ אמינות.
בחון פאסיבי יעיל לביחון ואיתור תקלות ולשימוש כללי, ובחון אקטיבי מעניק תובנות מדויקות יותר במדידת אותות מהירים. חשוב לזכור: למרות מיפרטים מרשימים, ביצועי האמת של בחון אקטיבי נקבעים בעיקר על-ידי אופן חיבור הבחון ליעד. כלל אצבע פשוט קובע שככל ה-Input Lead קצר יותר, כך משתפרות איכות ודיוק המדידה.
למידע נוסף על בחונים: Agilent Oscilloscope Probes
פורסם בקטגוריות: חדשות , מאמרים , צב"ד , ציוד בדיקה
כתבות נוספות העשויות לעניין אותך
