Oscilloscoopprobes

Dit artikel legt uit wat voor soorten meetprobes er zijn voor oscilloscopen en waar het verschil in zit. Ook wordt de nodige aandacht geschonken aan een paar belangrijke veiligheidsrisico’s bij gebruik.

Passieve probe

De passieve probe is de meest gebruikte probesoort. Bij aanschaf van een oscilloscoop worden deze probes vaak standaard meegeleverd voor ieder kanaal.

De meetkop van deze probe bestaat uit een aardeclipje en een hoedje waarin zich een uitschuifbaar haakje bevindt. Door het hoedje naar je toe te trekken wordt de haak groter gemaakt om de probe vast te klemmen aan een te meten pin of stuk bloot draad. Indien gewenst kan het hoedje met de haak in zijn geheel verwijderd worden, dan kan men direct proben met de punt van de probe.

Voor veel simpele metingen volstaan de meeste probes. Er komen echter beperkingen om de hoek kijken waar men rekening mee moet houden indien er gewerkt wordt met fragiele circuits, hoge voltages of hoge frequenties. Ook kan met deze probe enkel spanning gemeten worden, geen stroom.

Overigens gelden de gespecificeerde spanningen alleen bij DC. Voor hogere frequenties neemt de maximaal toelaatbare spanning af. Deze curve vind je in de handleiding bij de probe.

Een passieve probe met links de probekop met het groundclipje en rechts de BNC aansluiting

Bandbreedte en schaling

Om minder elektromagnetische ruis op te pikken is de kabel naar de aansluiting, in tegenstelling tot multimeterprobes, een coax. Dit voegt echter capaciteit toe aan de kabel waardoor de hoogst meetbare frequentie begrensd wordt in de probe. Daarom is het zaak om bij aanschaf op te letten op de bandbreedte van de probe, deze wordt altijd vermeld.

Verder hebben zo goed als alle probes een schaalschakelaar waarmee het gemeten signaal als 10x zo zwak wordt weergegeven. Sommige probes kunnen het signaal tot wel 100x verzwakken. Dit is handig voor wanneer het bereik van de oscilloscoop onvoldoende is voor de meting, of om het te meten apparaat minder te belasten door de meting. De probe en de oscilloscoop tezamen hebben immers een niet te verwaarlozen impedantie die de meting aanzienlijk kan beïnvloeden.

Het instellen van een schaling kan echter gevolgen hebben voor het beeld van het gemeten signaal indien de ingangscapaciteit van de probe niet goed is gematched. Daartoe hebben oscilloscopen een testclip aan de voorkant waarop een testsignaal in de vorm van een blokgolf wordt gegenereerd. Door vooraf aan de meting dit signaal te meten met de probe kan de ingangscapaciteit, met behulp van een inbegrepen kunststof schroevendraaiertje, correct bijgesteld worden tot het gemeten signaal oogt als een keurige blokgolf.

Nadat een schaling is toegepast kan de oscilloscoop de waardes eventueel terugschalen door in het menu van het gebruikte kanaal de gebruikte schaalfactor op te geven.

Groundclipje

Het groundclipje dient als referentiepunt voor het gemeten signaal. Die kabel is kort om te voorkomen dat er een grote lus gevormd wordt die d.m.v. elektromagnetische interferentie uit de omgeving ongewenst een stoorsignaal kan genereren. Hoe kleiner deze lus is, dus hoe dichter de ground langs de probe tip loopt, hoe minder storing er wordt opgepikt.

De ground van het ene kanaal is gelijk aan die van alle andere kanalen op de oscilloscoop. Dat wil bijvoorbeeld zeggen dat met de probepunt van kanaal 1 een signaal gemeten kan worden ten opzichte van het groundclipje van kanaal 2. Let daarom goed op dat de groundclips enkel op hetzelfde potentiaal worden aangesloten.

Verder zijn de grounds niet alleen gelijk tussen de kanalen, maar ook met die van de oscilloscoop zelf, namelijk de aarde op het netsnoer. Alles wat het groundclipje aanraakt wordt dus impliciet doorgelust naar de aarde op het spanningsnet. Dit brengt het grote gevaar met zich mee dat men de oscilloscoop en het gemeten apparaat vrij eenvoudig kan kortsluiten via een onbedoeld pad naar aarde.

Als er tussen twee willekeurige punten gemeten moet worden (zoals aan fase en nul van het lichtnet, of tussen twee schakelpunten in een versterker onderling) zijn er verschillende manieren om dit te doen:

• Men kan de aardeleiding van het netsnoer loshalen zodat de oscilloscoop niet geaard is op het spanningsnet. Dit is niet alleen onpraktisch, maar ook bijzonder onveilig, omdat alle aanraakbare metalen delen van de oscilloscoop onder hoge spanning kunnen komen te staan.
• Men kan twee probes aansluiten t.o.v. massa/aarde. Door op de oscilloscoop de signalen via de MATH-functie van elkaar af te trekken kan het signaal als verschil (‘differential’) gemeten worden. Deze oplossing is werkbaar, maar niet alle oscilloscopen ondersteunen deze optie. Ook moeten er twee kanalen worden gebruikt, wat vaak het maximum aantal is op goedkopere modellen. Ook is deze methode niet geschikt om aan het lichtnet te meten.
• Men gebruikt een differential probe, die ontworpen is om tussen twee willekeurige punten te meten.

Bestel uw passieve probes hier

Actieve probe

Actieve probes zijn over het algemeen prijzig en zien we bij de snellere scopes (vanaf 1 GHz). Actieve probes hebben een veel lagere capaciteit waardoor de bandbreedte aanzienlijk hoger is vergeleken met passieve probes, denk aan 1 GHz of meer. Een actieve probe belast het te meten apparaat minder dan een passieve probe, wat handig is voor het meten van zeer gevoelige circuits.

Een actieve probe met verschillende kopstukken

Doordat een actieve probe actieve componenten heeft, moet de probe extern worden voorzien van stroom. Actieve probes zijn echter vrij niche en worden vaak gebruikt in combinatie met het hogere segment oscilloscopen. De fabrikant van de oscilloscoop maakt vaak hun eigen actieve probes voor de desbetreffende reeks. De aansluiting van de actieve probe is daarom vaak een niet-standaard hybride van BNC en extra pins, specifiek voor die reeks oscilloscopen. Via die pins wordt tevens de probe voorzien van stroom.

Een nadeel van actieve probes is dat ze enkele orde groottes duurder zijn dan passieve probes. Het zijn immers erg gespecialiseerde probes, vervaardigd door fabrikanten van oscilloscopen voor hun high-end reeksen. Ook is het spanningsbereik heel klein, vaak tussen de 5 à 30 V. Er moet met uiterste zorg mee om worden gegaan. Maar dankzij actieve probes is het mogelijk om metingen te doen die met andere probes simpelweg onmogelijk zijn.

Bestel uw actieve probes hier

Differential probe

Met een differential probe kan men tussen twee willekeurige punten meten, net zoals met een multimeter. Dit is mogelijk doordat de negatieve probe niet direct aarde is, maar een referentiepunt voor de positieve probe.

Een differential probe met verschillende paren kopstukken: punt, klem en haak. De USB-kabel dient voor de voeding.

Een differential probe bestaat uit twee probes aangesloten op een kastje, die dan via een BNC-stekker wordt aangesloten op de oscilloscoop. In het apparaat wordt het verschil (‘differential’) genomen tussen de signalen van de probes, dus ontdaan van hun common mode. Hiervoor moet de differential probe van stroom worden voorzien, via een meegeleverde adapter of tegenwoordig soms via de USB-poort van de oscilloscoop. Mocht de probe een schaalschakelaar hebben, is deze te vinden op het kastje.

Een vaak voorkomende misvatting is dat de differential probe compleet geïsoleerd staat van de uitgang naar de oscilloscoop. Dit is echter niet het geval. De common mode rejection is gelimiteerd ten opzichte van de aarde van de oscilloscoop. Maar in de praktijk levert dit niet snel problemen op, omdat veel differential probes honderdelen of zelfs duizenden volts isolatiespanning bieden.

Differential probes zijn iets beperkter in bandbreedte dan passieve probes, maar er zijn de afgelopen jaren al goed betaalbare 100 MHz differential probes in het assortiment van Eleshop gekomen. De grootste nadelen van de differential probe t.o.v. passieve probes zijn de hogere kosten en de beperkte afscherming tegen elektromagnetische interferentie (vanwege de lange meetkabels, die het best getwist kunnen worden om de lus klein te houden).

Bestel uw differential probes hier

Current probe

Een ander soort probe is de current probe, waar stroom mee gemeten kan worden i.p.v. spanning. Niet alle probes zijn geschikt om DC stromen mee te meten. Ook zijn de bandbreedtes van current probes beperkt.

Een current probe

Net als de differential probe bestaat deze uit een speciale probe gekoppeld aan een kastje. De probe is vaak een enkele probe in de vorm van een klem die om een te meten kabel of draad geklemd wordt. Je hoeft in dit geval het circuit dus niet open te breken voor de meting, in tegenstelling tot met een multimeter. Maar er bestaan ook hoog frequente current probes (voor EMC doeleinden) die wel gesloten zijn.

De gemeten stroom wordt in het kastje vertaald naar een spanning die afgelezen wordt op de oscilloscoop. De schaal is niet altijd 1:1, wat de schaal precies is staat vaak op het kastje vermeld bij de schaalschakelaar of anders in de handleiding.

Op de oscilloscoop kunnen de gemeten waardes teruggeschaald worden, net als met een passieve probe. Vaak kan de eenheid van het kanaal ook aangepast worden naar Ampère i.p.v. Volt.

Ook de current probe moet extern van voeding voorzien worden. Veel nieuwere modellen zijn te voeden via USB, bijvoorbeeld via de USB-poort van de oscilloscoop of met een telefoonlader.

Bestel uw current probes hier

Welke probe heb ik nodig?

Voor het meten van stroom is een current probe nodig. Beargumenteer eerst of het noodzakelijk is om te meten op de oscilloscoop in plaats van met een multimeter. Niet alle current probes kunnen overweg met DC.

Voor veruit de meeste spanningsmetingen volstaat een standaard passieve probe. Mocht je metingen verrichten waar je werkt met referentiepunten anders dan de massa of aarde, schaf dan een differential probe aan. Denk bijvoorbeeld aan voedingen en versterkerschakelingen. Koop ook zeker een differential probe als je aan het lichtnet wilt meten.

Werk je met snelle oscilloscopen vanaf 1 GHz? En is het signaal dat je wilt meten niet beschikbaar op een coax aansluiting? Dan zijn actieve probes een must.