เครื่องมือและการวัด

เลือกอินพุต 1 MΩ หรือ 50 Ω โดยคิดถึงแหล่งสัญญาณด้วย

เข้าใจโหลดและการตั้งแอมพลิจูดของเครื่องกำเนิด คำนวณกรณีแรงดันสองเท่า และตรวจพิกัดก่อนเลือกการเทอร์มิเนต

อิมพีแดนซ์อินพุตเป็นภาระจริง

การเลือกอินพุต 1 MΩ หรือ 50 Ω ของออสซิลโลสโคปเปลี่ยนภาระที่แหล่งสัญญาณเห็น จึงอาจเปลี่ยนแรงดันตรงจุดวัด ไม่ใช่เพียงเปลี่ยนหน่วยบนหน้าจอ อินพุตสูงเหมาะกับการลดโหลดกระแสตรงในหลายงาน ส่วนอินพุต 50 Ω ใช้กับระบบส่งสัญญาณและโพรบที่ออกแบบให้ทำงานกับโหลดนั้น ต้องเลือกตามทั้งต้นทาง สาย และชนิดโพรบ ไม่กดเลือกเพราะชื่อย่านดูเหมาะกับความถี่อย่างเดียว

ที่ความถี่สูง อินพุต 1 MΩ ยังมีความจุและผลของการต่อร่วมด้วย จึงไม่ใช่ตัวต้านทานล้านโอห์มคงที่ตลอดความถี่ ส่วนสายที่มีอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ 50 Ω ก็ไม่ได้หมายความว่าต้องเพิ่มตัวต้านทาน 50 Ω คร่อมจุดใดก็ได้ การแมตช์เพื่อควบคุมการสะท้อนเป็นเรื่องของระบบที่ออกแบบรองรับภาระนั้น หากต้นทางเป็นจุดความต้านทานสูง การเทอร์มิเนตต่ำอาจทำให้สัญญาณยุบมาก

ภาพอธิบาย 1อินพุตสโคปเปลี่ยนภาระที่แหล่งเห็น
  1. นิยามแหล่ง

    ค่าบนเครื่องกำเนิดอาจอ้างแรงดันบนภาระ 50 Ω

  2. โหลดจริง

    อินพุตสูงกับ 50 Ω สร้างตัวแบ่งต่างกัน

  3. อุปกรณ์ขนาน

    ตัวเทอร์มิเนตซ้ำทำให้ภาระต่ำกว่าที่ตั้งใจ

  4. ตรวจพิกัด

    คำนวณแรงดันและกำลังจริงก่อนต่อ ไม่ใช้พิกัดโหมดอินพุตสูงแทน

ต้องจับคู่การตั้งโหลด แหล่ง สาย และโพรบให้ตรงกัน

เหตุใดเครื่องกำเนิดตั้งหนึ่งแต่เห็นสอง

เครื่องกำเนิดสัญญาณบางแบบระบุแอมพลิจูดที่คาดว่าจะเกิดบนภาระ 50 Ω และมีความต้านทานทางออกประมาณ 50 Ω ถ้าต่อเข้าภาระสูงมาก แรงดันที่เห็นอาจใกล้สองเท่าของค่าที่ระบุสำหรับภาระ 50 Ω นี่เป็นผลตัวแบ่งแรงดัน ไม่ใช่ข้อพิสูจน์ว่าเครื่องกำเนิดหรือสโคปเสีย ต้องตรวจว่าค่าที่ตั้งอ้างกับภาระใด และรุ่นนั้นเปลี่ยนการแสดงหรือเปลี่ยนการจ่ายเมื่อเลือกค่าโหลดอย่างไร

ตัวอย่างสมมติให้แหล่งเทเวนินมีแรงดันวงจรเปิด 2.000 V peak-to-peak และความต้านทานทางออก 50 Ω เมื่อรับด้วย 50 Ω จะได้ 2.000 × 50/(50+50) = 1.000 V peak-to-peak แต่เมื่อรับด้วย 1 MΩ จะได้ 2.000 × 1,000,000/1,000,050 ประมาณ 1.9999 V peak-to-peak ทั้งสองค่าตรงกับแหล่งเดียวกันตามแบบจำลอง

หากหน้าจอเครื่องกำเนิดตั้งให้รายงาน 1.000 V peak-to-peak สำหรับภาระ 50 Ω แล้วผู้ใช้ต่อกับอินพุต 1 MΩ จึงมีเหตุผลที่จะเห็นใกล้ 2 V การแก้ความเข้าใจคือทำให้การตั้งโหลดและภาระจริงสอดคล้องกันตามคู่มือ ไม่ลดค่าที่ตั้งครึ่งหนึ่งแล้วจำเป็นกฎใช้กับเครื่องทุกตัว เพราะโหมดแสดงสำหรับภาระสูงอาจคำนวณให้แล้วและจะเกิดการแก้ซ้ำ

ภาระต่ำอาจเปลี่ยนวงจรที่ต้องการวัด

สมมติจุดสัญญาณฝึกมีแรงดันวงจรเปิด 1.0 V และความต้านทานทางออก 1 kΩ หากนำ 50 Ω ไปเป็นภาระจะได้เพียง 1.0 × 50/1050 ประมาณ 47.6 mV แต่ถ้าใช้ 1 MΩ จะได้ประมาณ 0.999 V ความต่างนี้ใหญ่จนรูปคลื่นอาจถูกตีความว่าแหล่งไม่มีสัญญาณ ทั้งที่เครื่องมือเป็นผู้เพิ่มโหลดหนักเข้าไป

การเพิ่มอินพุตอีกตัวขนานยังเปลี่ยนภาระได้ สมมติระบบต้องการโหลด 50 Ω แต่มีตัวเทอร์มิเนต 50 Ω อยู่แล้ว แล้วเปิดอินพุต 50 Ω ของสโคปเพิ่มในขนาน ภาระรวมจะเหลือ 25 Ω ถ้าแหล่งวงจรเปิด 2 V และทางออก 50 Ω ตามตัวอย่างก่อน แรงดันจะเหลือ 2 × 25/(50+25) ประมาณ 0.667 V การต่ออุปกรณ์เพิ่มจึงต้องนับทุกทาง ไม่ดูค่าตัวสุดท้ายเพียงตัวเดียว

ภาพอธิบาย 2แหล่งวงจรเปิด 2 V กับทางออก 50 Ω
  1. รับด้วย 50 Ω

    2 × 50/(50+50) = 1 V

  2. รับด้วย 1 MΩ

    2 × 1,000,000/1,000,050 ≈ 1.9999 V

  3. เทอร์มิเนตซ้ำ

    50 Ω สองทางขนานเหลือ 25 Ω

  4. ผลเมื่อซ้ำ

    2 × 25/(50+25) ≈ 0.667 V จึงต้องนับทุกโหลด

ตัวอย่างสมมติแรงดันทั้งหมดเป็น peak-to-peak

พิกัดกำลังและโพรบต้องตรงกับอินพุต

ตัวต้านทานเทอร์มิเนตมีขีดจำกัดกำลังและแรงดันซึ่งต้องอ่านก่อนต่อ ค่าแรงดันสูงสุดของช่องในโหมดอิมพีแดนซ์สูงอาจไม่ใช่พิกัดในโหมด 50 Ω ห้ามอนุมานจากตัวเลขใหญ่ที่พิมพ์บนหน้าปัดอย่างเดียว สำหรับแหล่งคงที่ กำลังบนตัวต้านทานเป็น V²/R โดยใช้แรงดันที่ตกคร่อมจริง ส่วนสัญญาณสลับใช้ RMS ภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะ จึงต้องตรวจทั้งส่วน DC และ AC

โพรบพาสซีฟลดทอนที่ออกแบบให้ทำงานกับอินพุตสูงอาจให้สัดส่วนและการชดเชยผิดเมื่อใช้กับ 50 Ω ขณะที่โพรบแอกทีฟบางชนิดต้องการโหลดที่กำหนด การเลือกจึงไม่ใช่การจับคู่จากหัวต่อ BNC ที่เสียบกันได้ แต่เป็นการตรวจความเข้ากันได้ทางไฟฟ้าทั้งระบบ หากเครื่องรับรู้โพรบอัตโนมัติยังควรตรวจสถานะจริง โดยเฉพาะเมื่อผ่านอะแดปเตอร์ที่อาจไม่ส่งข้อมูลชนิดโพรบ

  1. ระบุความต้านทานทางออกและนิยามแอมพลิจูดของแหล่งฝึกจากคู่มือ
  2. ตรวจชนิดโพรบหรือสาย รวมถึงโหลดปลายทางที่ผู้ผลิตกำหนด
  3. คำนวณแรงดันและกำลังที่คาดเมื่อเลือกภาระ ก่อนเปิดเอาต์พุต
  4. ตั้งอินพุตและการรายงานโหลดของเครื่องกำเนิดให้สอดคล้อง แล้วตรวจค่าจริง
  5. เมื่อเพิ่มเครื่องมือหรือตัวเทอร์มิเนต ให้คำนวณภาระรวมและตรวจพิกัดใหม่

ขอบเขตของแบบจำลองตัวแบ่ง

สูตรตัวแบ่งความต้านทานช่วยอธิบายระดับคงตัวหรือกรณีความถี่ที่องค์ประกอบอื่นยังไม่เด่น แต่สายยาวเมื่อเทียบกับความเร็วขอบต้องคิดเรื่องการส่งผ่านและสะท้อนด้วย ความสูงช่วงแรกหลังขอบอาจต่างจากระดับหลังเข้าที่ จึงไม่ควรเอาค่าคงตัวที่คำนวณมาอธิบายรูปยอดทั้งหมดโดยไม่มีข้อมูลเวลาและความยาวสาย

การเห็นสัญญาณสองเท่าไม่ได้มีสาเหตุเดียว อัตราทดโพรบที่ตั้งผิด การแสดง peak แทน peak-to-peak หรือการอ่าน RMS ปะปนก็ทำให้ตัวเลขต่างกันได้ จึงตรวจนิยามก่อนสรุปเรื่องเทอร์มิเนต โดยเฉพาะเมื่อค่าที่ต่างไม่ใกล้อัตราส่วนตามแบบจำลอง หรือเปลี่ยนตามความถี่อย่างมาก ต้องเปิดสมมติฐานเรื่องทางส่งและการตอบสนองของโพรบร่วมด้วย

ตรวจด้วยแหล่งแรงดันต่ำที่รู้โหลด

ใช้เครื่องกำเนิดกับค่าตั้งต่ำที่อยู่ในพิกัดของทุกส่วน ตรวจแอมพลิจูดบนโหลดที่ผู้ผลิตระบุแล้วเปรียบเทียบกับภาระสูงตามขั้นตอนที่ปลอดภัย จดค่าที่เครื่องกำเนิดรายงานและค่าโหลดจริงทั้งสองรอบ หากได้อัตราส่วนใกล้แบบจำลองเมื่อรวมขอบเครื่อง ก็มีหลักฐานว่าความต่างมาจากภาระ ไม่ใช่ต้องปรับเทียบสโคปทันที

ผลส่งต่อควรระบุแอมพลิจูดเป็น peak-to-peak หรือ RMS ให้ชัด พร้อมอิมพีแดนซ์แหล่ง อินพุต และตัวเทอร์มิเนตภายนอก ตัวอย่างแหล่งวงจรเปิด 2 V ที่ให้ 1 V บน 50 Ω จะอ่านรู้เรื่องได้เมื่อมีเงื่อนไขเหล่านี้ หากส่งเพียงคำว่าตั้ง 1 V แต่วัดได้ 2 V ผู้ตรวจต้องเดาระบบทั้งหมดใหม่และอาจแก้สิ่งที่ทำงานถูกอยู่แล้ว

แหล่งอ้างอิงและอ่านเพิ่มเติม

เรียบเรียงคำอธิบายและตัวอย่างขึ้นใหม่จากหลักการในแหล่งข้อมูลต่อไปนี้

  1. If I set my amplitude on my AFG3000 series generator, the actual amplitude as measured by my scope or meter is double the voltage that I have set on the generator. Why does this happen? · Tektronix
  2. Getting Started with Power Rail Measurements Application Note · Tektronix

อ่านต่อเรื่องใกล้กัน

ถามเรื่องหนังสือ ตะกร้า