Oscyloskop wpływa na mierzony układ

Oscyloskop to jeden z najważniejszych przyrządów pomiarowych z jakich korzystają elektronicy. Profesjonalny warsztat bez oscyloskopu praktycznie nie istnieje. Bardziej wymagające projekty hobbystyczne też wymagają wyposażenia się w taki sprzęt. Pomimo to wiele osób nie rozumie dobrze jak właściwie działa oscyloskop. Dzisiaj proponuję Ci prosty eksperyment, który pokaże Ci, że badając układ elektroniczny za pomocą oscyloskopu wpływasz na działanie tego układu. Potraktuj to jako źródło motywacji do tego, żeby dobrze zrozumieć jak jest zbudowany i jak działa ten przyrząd.

Prosty eksperyment z oscyloskopem

Przeciętny, początkujący użytkownik oscyloskopu zakłada, że jeżeli przyłoży sondę oscyloskopową do układu to może zmierzyć występujące tam napięcie nie modyfikując działania samego układu. Niestety nie jest to prawda. I wbrem temu co mogą myśleć nieco bardziej zaawansowaniu użytkownicy, problem nie dotyczy tylko wysokich rezystancji albo częstotliwości rzędu dziesiątek czy setek megaherców.

Najlepiej zacznij od obejrzenia tego krótkiego filmu:

Co się tu dzieje?

Podsumujmy co się stało. 

  1. Układ jest zasilany z generatora przebiegiem sinusoidalnym o częstotliwości 17o kHz.
  2. Bez podłączenia oscyloskopu dioda LED świeci.
  3. Po podłączeniu oscyloskopu dioda gaśnie.
  4. Włączenie dzielnika napięcia w sondzie powoduje ponowne zapalenie się diody.
  5. Po zwiększeniu częstotliwości do 300 kHz dioda ponownie gaśnie.
  6. Efekt jest ewidentnie spowodowany przez oscyloskop, gdyż jego odłączenia znowu powoduje zapalenie się diody.
Żeby wytłumaczyć co się dzieje musisz najpierw zrozumieć jak działa równoległy obwód rezonansowy i jak jest zbudowana sonda oraz układ wejściowy oscyloskopu.
oscyloskop układ rezonansowy

Równoległy obwód rezonansowy

Układ z dławikiem (cewką indukcyjną) i dwoma kondensatorami tworzy układ rezonansowy. Ważne jest to jak impedancja takiego układu zależy od częstotliwości dołączonego sygnału. Pomoże nam tutaj symulacja zrobiona w LTspice (moja ulubiona wersja Spice’a – można ją ściągnąć za darmo ze strony producenta).

oscyloskop rezonans schemat
Rys. 1 Szeregowy obwód rezonansowy w LTspice
oscyloskop rezonans wykres
Rys. 2 Wykres prądu wypływającego ze źródła w układzie z rys. 1.

Jak widzisz trochę uprościłem schemat. Zastąpiłem dwa kondensatory 4 pF jednym 2 pF (daje to taką samą pojemność – w układzie z filmu użyłem 4 pF bo były to najmniejsze kondensatory jakie akurat miałem). Do tego opuściłem diodę LED i rezystor ograniczający prąd.

Jak taki obwód działa? Dobre wyjaśnienie to temat na osobny wpis. Tutaj ważne jest tylko to, że dla częstotliwości 1 MHz indukcyjność cewki wchodzi w rezonans z pojemnością kondensatora i układ całkowicie blokuje przepływ prądu. Częstotliwość dla jakiej ten rezonans zachodzi zależy od indukcyjności cewki i pojemności kondensatora.

Z wykresu widać, że dla 170 kHz układ ma sporą impedancję, ale wystarczająco niską, żeby dołączona do niego dioda LED mogła świecić.

Co się dzieje po dołączeniu oscyloskopu?

Praktycznie każdy kto używa oscyloskopu wie, że ma on dużą rezystancję wejścia – standardowo koło 1 megaoma. To zdecydowanie wystarczająco, żeby nie zaburzać pracy naszego układu. Problem polega na tym, że wejście oscyloskopu ma też swoją pojemność (zwykle koło 20 pF). Ta pojemność dodaje się do pojemności układu rezonansowego i rozstraja go. Pokazuje to kolejna symulacja.

oscyloskop rezonans schemat z sonda
Rys. 3 Układ rezonansowy po podłączeniu oscyloskopu
Rys. 4 Wykres prądu w układzie rezonansowym z dołączoną sondą

Tym razem rezonans przesuwa się w stronę niższych częstotliwości. Dokładne przesunięcie zależy od konkretnego oscyloskopu i użytej sondy. Na symulacji jest to ok. 350 kHz, a na filmie jak widać ok. 170 kHz.

Oscyloskop - przyrząd dla świadomych

Jak widzisz, dołączenie do obwodu oscyloskopu może poważnie zaburzyć jego działanie. Przykład z filmu jest dość ekstremalny – dlatego też go wybrałem, ale nawet mniej poważne obciążenie układu może spowodować, że wyciągniesz fałszywe wnioski ze swoich pomiarów. Jest to kolejny przykład tego, że dobry inżynier musi znać szczegóły działania systemów technicznych z którymi pracuje (pisałem o tym np. we wpisie o błędzie systemu Patriot).

Ważne jest więc zrozumienie jak działa i jak jest skonstruowany oscyloskop – na pewno jeszcze do tego wrócimy.

Ostatnia zagadka

Włączenie dzielnika sondy zwiększa rezystancję wejściową oscyloskopu dziesięciokrotnie. W układzie z naszego eksperymentu spowodowało to, że rezonans nie uciekł tak bardzo, ale jednak nadal częstotliwość rezonansowa nie wróciła do 1 MHz, ale wzrosła niecałe dwukrotnie. Żeby dobrze zrozumieć dlaczego trzeba wiedzieć jak jest zbudowana sama sonda oscyloskopu. Żeby nie przedłużać wpisu zostawiam jednak ten temat na następny raz.

Maciej Kraszewski

Maciej Kraszewski

Inżynier, menedżer R&D i nauczyciel akademicki. Uwielbiam zajmować się tworzeniem nowych technologii, zdobywaniem nowej wiedzy i dzieleniem się swoim doświadczeniem z innymi. Specjalizuję się w zagadnieniach przetwarzania obrazu i widzenia maszynowego.
Szukasz dobrych materiałów o projektowaniu elektroniki?

Załóż darmowe konto na naszej platformie i odbierz pakiet materiałów edukacyjnych.

Zakładając konto zgadzasz się na przesyłanie Ci treści marketingowych przez IT20 sp. z o.o. zgodnie z dostępną na stronie Polityką Prywatności. Możesz wycofać zgodę w każdej chwili.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

Szukasz dobrych materiałów o projektowaniu elektroniki?

Załóż darmowe konto na naszej platformie i odbierz pakiet materiałów edukacyjnych.

Zakładając konto zgadzasz się na przesyłanie Ci treści marketingowych przez IT20 sp. z o.o. zgodnie z dostępną na stronie Polityką Prywatności. Możesz wycofać zgodę w każdej chwili.

Zapisz się na listę mailową i odbierz swoje bonusy!

Więcej treści na temat elektroniki i robotyki, darmowe e-booki i dostęp do minikursów on-line. Otrzymasz to wszystko zapisując się na naszą listę mailową.