โพรบสำหรับออสซิลโลสโคป(Oscilloscope probe)

สายวัดหรือโพรบ เป็นอุปกรณ์สำคัญที่ใช้ร่วมกับออสซิลโลสโคป เนื่องจากเป็นอุปกรณ์ที่ใช้นำสัญญาณจากภายนอกเข้าสู่ออสซิลโลสโคปในช่องรับสัญญาณอินพุต(Input) แนวตั้งของออสซิลโลสโคป ดังนั้น ในการตอโพรบเขากับวงจรจึงจําเปนที่จะตองทําใหโพรบสงผลกระทบตอการทํางานของวงจรนอยที่สุดเพื่อที่จะไดสัญญาณที่ทําการวัดมานั้นใกลเคียงกับความเปนจริงมากที่สุด ซึ่งบทนี้จะแสดงให้เห็นจุดเด่นและจุดด้อยของโพรบ และวิธีเลือกใช้แบบถูกต้อง

ภาพที่ 1 โพรบจะประกอบดวยหัวตอ, สายเคเบิลและจุดปรับชดเชยสัญญาณ

โพรบจะมีลักษณะเปนสายเคเบิล 2 สาย ที่ใชเชื่อมตอกับจุดทดสอบ ดังภาพที่ 1 ซึ่งความยาวของสายเคเบิลของโพรบจะมีผลกระทบตอ Bandwidth (ชวงความถี่ของวงจรหรือเครือขายที่สัญญาณสามารถสงผานไดซึ่งจะอยูในชวงของ 3 dB (ดังภาพที่ 4) ) ของโพรบเองดวย นั่นคือถาสายเคเบิลมีความยาวมากก็จะทําให Bandwidth ของโพรบมีคาลดลงตามไปดวย และทางดานปลายสายเคเบิลจะเปนสวนหัววัดสัญญาณของโพรบหรือหัวจับ โดยทั่วไปจะมีลักษณะเปนสปริงตะขอเกี่ยวใชในการตอกับจุดทดสอบหรือจุดวัดสัญญาณ 

         โดยที่ความสามารถในการเชื่อมตอทั้ง 3 ประการคือ สวนที่ใชยึดกับจุดทดสอบ, การสงผลกระทบตอการทํางานของวงจร และการสงผานสัญญาณ จะเปนปจจัยหลักในการเลือกใชงานโพรบอยางไรก็ตามในการใชงานจริงจะเปนการยากมากที่จะตอโพรบกับจุดทดสอบแลวสามารถทําการวัดสัญญาณไดโดยไมมีความผิดเพี้ยนเลย 

โพรบในทางอุดมคติจะตองมีลักษณะดังนี้ 

1. สามารถตอใชงานไดงายและสะดวก 
2. สามารถวัดสัญญาณไดไมผิดเพี้ยน
3. ไมมีปญหาเรื่อง loading (– กระบวนการที่โหลดดึงกระแสไฟฟามาจากแหลงจาย) กับแหลงจายสัญญาณ 
4. ปราศจากสัญญาณรบกวน

 

  (a)     High Voltage Probe 

(b) Current Probe

ภาพที่ 2 ตัวอยางของโพรบชนิดตางๆซึ่งขึ้นอยูกับการใชงานและสัญญาณที่ตองการวัด

ที่มา : (a) http://cdn2.globalmediapro.com/att/a/0/3/i/a03iv5/s3b3.jpg

(b) http://img.directindustry.com/images_di/photo-mg/clamp-current-probes-7140-2710533.jpg

โพรบในการใชงานจริง

ในขั้นแรก สิ่งที่สําคัญสําหรับโพรบก็คือภายในสายเคเบิลของโพรบจะประกอบไปดวยวงจรที่มีความซับซอน สําหรับสัญญาณไฟตรง ( DC ความถี่ 0 Hz) สายโพรบจะมีลักษณะเหมือนเปนคาความตานทานที่ตออนุกรมกับคาความตานทานที่ขั้วตอของออสซิลโลสโคป (ดังภาพที่ 3a) อยางไรก็ตามในสัญญาณไฟสลับลักษณะภายในของสายโพรบจะเปลี่ยนรูปไปเมื่อคาความถี่เพิ่มขึ้น (ดังภาพที่ 3b) เนื่องมาจากการที่มีคาความเหนี่ยวนํา (L) และคาความจุ (C) กระจายอยูทั่วไปภายในของสายโดยที่คาอิมพีแดนซของความเหนี่ยวนําจะมีคาเพิ่มขึ้นเมื่อความถี่ของสัญญาณมีคาเพิ่มขึ้น ในขณะที่คาอิมพีแดนซของคาความจุจะลดลง และจากปฏิกิริยาของทั้ง 2 ตัว (L และ C) รวมทั้งคาความตานทาน (R) จะทําใหคาอิมพีแดนซรวมของโพรบเปลี่ยนแปลงไปตามคาความถี่ และก็ถือเปนขอดีของโพรบอีกเชนกันที่มีสวนประกอบ R,L,C อยูดวยเพราะทําใหสามารถควบคุมลักษณะของสัญญาณที่จะวัดไดตามตองการ เชน การลดทอนสัญญาณ และปญหาในเรื่อง loading ของแหลงกําเนิดสัญญาณ ซึ่งเปนสิ่งที่ดีในการออกแบบเพราะเปนขอจํากัดตามธรรมชาติของวงจรภายในโพรบเอง และเปนสิ่งสําคัญที่จะตองทราบในการเลือกและใชงานโพรบ

ภาพที่ 3 วงจรภายในของโพรบซึ่งมีการกระจายตัวของคาความตานทาน, คาความเหนี่ยวและคาความจุ (R,L,C)

ขอจํากัดทางดาน Bandwidth และ rise-time

Bandwidth คือยานของความถี่ที่ใชในการออกแบบการทํางานของออสซิลโลสโคปหรือโพรบชนิดตางๆ ตัวอยางเชน โพรบหรือออสซิลโลสโคป 100 MHz ก็จะสามารถทําการวัดสัญญาณไดตั้งแต DC จนถึง 100MHz (ดังภาพที่ 4) โดยทั่วไปเพื่อ ความเที่ยงตรงของขนาดของสัญญาณที่วัดไดควรจะเลือกออสซิลโลสโคปที่มี Bandwidth มากกวา 5 เทาของความถี่สัญญาณที่ตองการจะวัด ซึ่งกฎของคา Bandwidth 5 เทานี้มักจะใชในชวงความถี่สูงๆของสัญญาณที่ไมใชรูปคลื่นไซน เชน สัญญาณสี่เหลี่ยม เปนตนเชนเดียวกัน ออสซิลโลสโคปก็ควรที่จะมีคา rise-time ที่เพียงพอตอการวัดสัญญาณดวย ซึ่งคาrise time ของสโคปหรือโพรบก็จะเหมือนกับคา rise time ที่ไดมาจากการวัดสัญญาณชวงขอบขาขึ้นของพัลสนั่นเอง สําหรับคา rise-time ของโพรบหรือสโคปก็จะเหมือนกันคือควรจะเลือกใหมีความเร็วมากกวา 3 ถึง 5 เทาของของสัญญาณพัลสที่จะวัด (ดังภาพที่ 5) ในกรณีที่ไมตรงตามภาพคุณสามารถคํานวณหาคา rise time (Tr) ไดจาก Bandwidth (BW) ดังนี้ 

Tr = 0.35/BW

ภาพที่ 4 โพรบและออสซิลโลสโคจะถูกออกแบบมาใหวัดสัญญาณไดในยาน Bandwidthที่ระบุเทานั้น และที่ความถี่เกินจุด 3 dB สัญญาณจะถูกลดทอนไปและทําใหการวัดสัญญาณมีความคลาดเคลื่อน

ภาพที่ 5 ตารางแสดงคาความผิดพลาดของสัญญาณที่วัดกับคา rise-time ซึ่งสโคปหรือโพรบควรจะมีคา rise-time เร็วกวา 3เทาของสัญญาณที่ตองการวัด

การ loading ของแหลงกําเนิดสัญญาณ

          โดยทั่วไปปญหาใหญในเรื่อง loading มักจะเกี่ยวกับคาความจุของโพรบ (ดังภาพที่ 7) ที่ความถี่ต่ำๆ จะทําใหคารีแอคแตนซของคาความจุนี้มีคาสูงมากๆ ซึ่งจะทําใหมีผลกระทบในเรื่องของ loading เพียงเล็กนอยเทานั้น แตเมื่อความถี่สูงขึ้นคารีแอกแตนซก็จะลดลงเรื่อยๆ เปนผลใหผลกระทบในเรื่องของ loading จะมีคาสูงขึ้นเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น โดยที่ปญหาในเรื่อง loading ของคาความจุก็จะสงผลกระทบโดยตรงกับลักษณะของ Bandwitdth และ rise-time ดวยเชนกัน ซึ่งในการวัดสัญญาณที่มีปญหาในเรื่อง loading จะทําให Bandwitdth จะมีคาลดลง และ rise-time มีคามากขึ้น ซึ่งเราสามารถที่จะลดปญหาในเรื่อง loading ของคาความจุไดโดยการเลือกใชโพรบที่มีคาความจุต่ำๆ ตามตารางดานลาง

และเมื่อนําเอาสายกราวนดไปตอกับวงจรก็จะเกิดการรบกวนที่มาจากคาความเหนี่ยวนําเพิ่มขึ้นมา(ดังภาพที่ 8) คาความเหนี่ยวนํานี้ก็จะมีปฎิกิริยารวมกับคาความจุของโพรบทําใหเกิดเปนสัญญาณ ringing(เปนสัญญาณออสซิเลตที่เกิดขึ้นเมื่อวงจรเกิดการเรโซแนนซ โดยปกติจะมีลักษณะเปนรูปคลื่นไซนที่มีขนาดคอยๆ ลดลง ซึ่งจะเกิดขึ้นที่ยอดของสัญญาณพัลส) ซึ่งคาความถี่ที่ทําใหเกิดสัญญาณ ringing จะขึ้นอยูกับคาของ L และ C โดยที่สัญญาณ ringing นี้จะไมสามารถหลีกเลี่ยงไดและอาจจะเห็นเปนรูปคลื่นไซนที่มีขนาดคอยๆลดลงอยูบนยอดของสัญญาณพัลส ซึ่งเราสามารถลดผลกระทบของสัญญาณ ringing ไดโดยการออกแบบระบบกราวนดของโพรบเพื่อใหความถี่ที่เกิดสัญญาณ ringing อยูในชวงของ Bandwidth ที่จํากัดของโพรบหรือออสซิลโลสโคป และก็ควรที่จะเลือกใชโพรบที่มีความยาวของสายกราวนดสั้นๆ

ภาพที่ 7 สําหรับสัญญาณไฟฟากระแสสลับ โพรบจะมีคาความจุ (Cp) คาสูงมากรวมอยูดวยซึ่งที่ความถี่สูงจะทําใหคา Xc ลดลง เปนผลใหกระแสสวนใหญไหลเขาไปที่ตัวเก็บประจุแทน

ภาพที่ 8 สายกราวนดของโพรบจะเสมือนมีคาความเหนี่ยวนําอยูภายใน

คําแนะนําในการใชโพรบ 

การเลือกโพรบใหเหมาะกับออสซิลโลสโคปและการใชงานแบบตางๆนั้นมีความจําเปนอยางยิ่งสําหรับการวัดสัญญาณ ซึ่งความจริงแลวการจะวัดสัญญาณและไดผลลัพธออกมาอยางไรนั้นขึ้นอยูกับวิธีการใชเครื่องมือของแตละคน ดังนั้นจึงตองมีขอแนะนําในการใชโพรบเพื่อเปนการหลีกเลี่ยงการวัดสัญญาณที่ผิดพลาดดังตอไปนี้

การปรับ Compensate ของโพรบ

โพรบสวนมากจะถูกออกแบบมาใหเหมาะสมกับอินพุตของออสซิลโลสโคปที่ระบุเทานั้น อยางไรก็ตามอาจเกิดความผิดเพี้ยนขึ้นไดเมื่อมีการเปลี่ยนออสซิลโลสโคปจากเครื่องหนึ่งไปยังอีกเครื่องหนึ่งหรืออาจเกิดจากความแตกตางกันของชองสัญญาณอินพุตในออสซิลโลสโคปเครื่องเดียวกัน สิ่งที่จําเปนตองทําคือเมื่อเปลี่ยนการใชงานของโพรบที่มีอัตราการลดทอนสัญญาณ ( โพรบแบบ 10X และ 100X ) จะตองทําการปรับ Compensate เพื่อชดเชยสัญญาณภายในของโพรบกับชองสัญญาณอินพุตของออสซิลโลสโคปที่จะใชงานดวย ซึ่งมีขั้นตอนดังนี้

1. ตอโพรบเขากับอินพุตของออสซิลโลสโคป
2. นําหัววัดสัญญาณของโพรบตอเขาที่จุดทดสอบการชดเชยสัญญาณที่ดานหนาของออสซิลโลสโคป (ดัภาพที่9)
3. นําเครื่องมือที่ใชในการปรับ Compensate ที่มาพรอมกับโพรบหรือเครื่องลักษณะเดียวกันที่ไมมีคุณสมบัติเปนแมเหล็ก ทําการปรับที่วงจร Compensate ของโพรบจนไดรูปสัญญาณแสดงบนหนาจอที่มีความราบเรียบไมเปน Overshoot หรือ Undershoot (ดังภาพที่ 10) 
4. ถาออสซิลโลสโคปมีโปรแกรมการปรับ Compensate ภายในเครื่องแบบอัตโนมัติ ก็ควรจะนํามาใชงานเนื่องจากจะทําใหมีความเที่ยงตรงมากขึ้น

โดยถาไมทําการปรับ Compensate เพื่อชดเชยความผิดพลาดของสัญญาณของโพรบอาจจะทําใหในการนําโพรบไปวัดสัญญาณจริงๆจะเกิดความผิดพลาดขึ้นได โดยเฉพาะการวัดสัญญาณพัลสที่เปน rise-time หรือ fall-time และเพื่อเปนการหลีกเลี่ยงจากความผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นควรจะทําการปรับ Compensate เพื่อชดเชยความผิดพลาดของสัญญาณของโพรบกับออสซิลโลสโคปทุกครั้งที่มีการเปลี่ยนการใชงานโพรบ

ภาพที่ 9 การปรับ Compensate เพื่อชดเชยความผิดพลาดของสัญญาณของโพรบ โดยทําการหมุนที่จุดตอของโพรบซึ่งจะตองนําโพรบไปวัดสัญญาณอางอิงที่ดานหนาตัวเครื่องของออสซิลโลสโคป

ภาพที่ 10 ตัวอยางของผลที่ไดจากการปรับชดเชยสัญญาณกับสัญญาณสี่เหลี่ยม

ใชหัววัดสัญญาณของโพรบใหเหมาะสมกับงาน

ควรจะใชหัววัดสัญญาณของโพรบใหเหมาะสมกับวงจรที่ตองการวัดสัญญาณ คือสามารถตอวัดไดเร็ว , สะดวก , เหมาะสมกับลักษณะของสัญญาณ และมีความคงทนถาวร แตโดยทั่วไปมักจะมีการนําเอาสายไฟมาใชในการวัดสัญญาณแทนหัววัดสัญญาณของโพรบซึ่งการนําเอาสายไฟที่มีความยาว 1 หรือ 2 นิ้วมาตอที่ปลายของโพรบนั้นอาจจะทําใหเกิดปญหาขึ้นได คืออิมพีแดนซของโพรบจะเปลี่ยนแปลงไปเมื่อความถี่สูงขึ้น ดังภาพที่ 11 เมื่อรูป a คือสัญญาณที่ทําการวัดโดยใชหัววัดสัญญาณของโพรบโดยตรง และ b คือการวัดโดยใชสายไฟมาตอที่ปลายโพรบแทนการใชหัววัดสัญญาณของโพรบ

ภาพที่ 11 การใชสายไฟมาตอกับหัวตอของโพรบทําใหการวัดสัญญาณมีการคลาดเคลื่อนดังภาพคาของ rise-time จะเพิ่มขึ้นจาก 4.74 ns ในรูป a เปน 5.97 ns ในรูป b

ใชสายกราวนดที่มีขนาดสั้นและตรงที่สุด

เมื่อตรวจสอบการทํางานของโพรบโดยใชจุดทดสอบที่เปนสัญญาณพัลสควรจะเลือกใชสายโพรบที่มีความยาวของสายกราวนดใหสั้นที่สุด เพื่อปองกันไมใหเกิดสัญญาณ ringing ที่มาจากคาความเหนี่ยวนําที่เพิ่มขึ้นตามความยาวของสายกราวนด ดังภาพที่ 12 ซึ่งจะเปนรูปสัญญาณที่ทําการวัดโดยใชสายโพรบที่มีความยาวของสายกราวนดปกติและโพรบที่มีความยาวของสายกราวนดเพิ่มขึ้น

ภาพที่ 12 สายกราวนดของโพรบที่ยาวเกินไปจะทําใหเกิดสัญญาณ ringing บนยอดของพัลส

ลักษณะและขอดีของโพรบแตละชนิด

Passive Voltage Probe

โดย Passive probe จะประกอบขึ้นจากสายไฟ,คอนเน็คเตอรและวงจรลดทอนสัญญาณ (จะเปนตัวตานทานและตัวเก็บประจุ) โดยจะไมมีอุปกรณประเภท active (ทรานซิสเตอรหรือวงจรขยายสัญญาณ) อยูภายในโพรบและไมตองการแหลงจายไฟในการทํางานของโพรบ ซึ่งโพรบชนิดนี้สามารถใชงานไดงายและเปนที่นิยมใชกันโดยทั่วไป โพรบแบบนี้จะมีอัตราการลดทอนสัญญาณใหเลือกใชมากมาย เชน 1X , 10X และ 100X สําหรับยานการวัดที่ตางกัน และมักจะนิยมใชโพรบแบบ 10X เปนอุปกรณมาตรฐานสําหรับออสซิลโลสโคป 

สําหรับการวัดสัญญาณที่มีคา 1 Vp-p หรือต่ำกวาจะนิยมใชโพรบแบบ 1X เมื่อทําการวัดสัญญาณที่มียานแรงดันกวาง (10 mV ถึง 10 V ) ก็ควรจะใชโพรบแบบที่มีสวิตทเลือก 1X/10X จะสะดวกมากกวา อยางไรก็ตามโพรบแบบที่มีสวิตทเลือก 1X/10X จะไมไดแตกตางกันเฉพาะที่อัตราการลดทอนเทานั้น แตลักษณะของ Bandwidth , rise-time และอิมพีแดนซ ( R และ C) ก็แตกตางกันดวยเชนกัน Passive Voltage Probe โดยสวนมากจะถูกออกแบบมาใหใชกับออสซิลโลสโคปทั่วๆไป ซึ่ง Bandwidth ปกติมักจะอยูในชวง 100 MHz ถึง 500 MHz และสําหรับโพรบที่มีคาอิมพีแดนซ 50Ω ซึ่งโดยปกติจะใชกับอุปกรณที่มีความเร็วสูง เชน การสื่อสารโดยใชคลื่นไมโครเวฟ และ Time Domain Reflectometry (TDR) (เทคนิคการวัดสัญญาณพัลสความเร็วสูงที่สงออกไปในสายสงสัญญาณและทําการวิเคราะหพัลสที่สะทอนกลับมาเพื่อหาตําแหนงและชนิดของความ ไมสม่ำเสมอในการสงสัญญาณ) เปนตน และสามารถใชไดกับงานที่มี Bandwidth สูงถึงหลายๆ gigaHertz และ rise-time ประมาณ 100 ps หรือเร็วกวานั้น

ภาพที่ 13 แบบจำลองวงจรภายในของ Passive Voltage Probe แบบลดทอนสัญญาณ

ภาพที่ 14 ตัวอย่าง Passive Voltage Probe ของ Tektronix P6053B

ที่มา : http://www.barrytech.com/tektronix/probes/tekp6053b.jpg

ภาพที่ 15 การใช้งาน Passive Probe

Active Voltage Probe

โดย Active probe จะประกอบดวยอุปกรณประเภท active เชน ทรานซิสเตอร ซึ่งมักจะใชเปน Field-Effect Transistor (FET) ขอดีของการใช FET เปนภาคอินพุตก็คือมีคาความจุที่ อินพุตต่ำมากๆ โดยปกติจะมีคานอยกวา 1 pF โดยที่คาความจุที่ต่ำนี้จะทําใหไดคารีแอคแตนซ (Xc) ที่สูงมาก สามารถดูไดจากสมการ

โดยที่คารีแอคแตนซจะเปนตัวกําหนดคาอินพุตอิมพีแดนซของโพรบ เมื่อคา C ต่ำทําใหอินพุต

อิมพีแดนซมีคาสูง เปนผลใหยานของความถี่กวางมากขึ้น นั่นคือ Active probe ที่ใช FET จะมี Bandwidth สูงมากคือตั้งแต 500 MHz ถึง 4 GHz นอกเหนือจากที่มีคา Bandwidth และอินพุตอิมพีแดนซที่สูงแลว เมื่อนํา Active probe ที่ใช FET ไปตอกับวงจรที่ไมทราบคาอิมพีแดนซก็สามารถลดปญหาในเรื่อง loading effect ลงได สําหรับขอดีตางๆที่ไดกลาวมานั้นจึงมีคําถามวาทําไมยังคงใช Passive probe อยูอีก ? คําตอบก็คือ Active probe ที่ใช FET จะมียานการทนแรงดันที่ต่ำกวา Passive probe คือตั้งแต 0.6 V ถึง 10 V เทานั้นและมีอัตราการทนแรงดันสูงสุด 40 V (DC + คาสูงสุดของ AC) หรืออีกนัยหนึ่ง ก็คือ Active probe ที่ใช FET ไมสามารถที่จะวัดสัญญาณ 10 mV ไดเหมือนกับ Passive probe และยังทนคาแรงดันสูงๆไมไดอีกดวย

แตขอดีของ Active probe ที่ใช FET ยังคงมี Bandwidth ที่สูงและชวงการวัดแรงดันเปนที่แบบเชิงเสน ดังนั้น Active probe ที่ใช FET จึงเปนที่นิยมใชในงานที่มีระดับสัญญาณต่ำๆ ประกอบดวยสัญญาณลอจิกความเร็วสูง เชน ECL , GaAs และอื่นๆ

ภาพที่ 16 ตัวอย่าง Active Voltage Probe ของ Tektronix P7240

ที่มา : http://www.tek.com/sites/tek.com/files/media/image/P7240-4-GHz-Active-Probe Datasheet-944851-1-L.jpg

ภาพที่ 17 แบบจำลองวงจรภายในของ Active Voltage Probe

ภาพที่ 18 การใช้ Active probe ในการวัดแรงดันไฟฟ้าของไอซีขนาดเล็ก

Differential Probe

สัญญาณแบบ Differential เปนสัญญาณที่มีระดับอางอิงที่ไมใชกราวนด ดังภาพที่ 19 เปนสัญญาณที่จะนําไปใชงานตอไปซึ่งอยูระหวางขาคอลเลคเตอรของทรานซิสเตอรกับโหลด, สัญญาณจากหัวอานของดิสก, ระบบไฟฟาหลายเฟส และอื่นๆ ที่มีลักษณะเปนแบบ floating หรือลอยจากกราวนด สัญญาณแบบ Differential สามารถทําการวัดได 2 วิธี จะแสดงดังภาพที่ 20

ภาพที่ 19 ตัวอยางของแหลงกําเนิดสัญญาณแบบ Differential 

ภาพที่ 20 การวัดสัญญาณแบบ Differential โดยใชสโคป 2 ชอง รูป (a) 
และใช Diferential Probe รูป (b)

จากภาพที่ 20a เปนการใชโพรบ 2 เสนทําการวัดสัญญาณแบบ single-ended ซึ่งเปนวิธีที่มักจะใชกันบอยๆ ในการวัดสัญญาณแบบ Differential(20b) วิธีการวัดคือจะใชออสซิลโลสโคปวัด 2 ชองสัญญาณพรอมกัน โดยโพรบ 2 เสนทําการวัดแบบเทียบกับกราวนด ( single-ended ) และใชฟงกชั่นทางคณิตศาสตรของออสซิลโลสโคปทําการลบสัญญาณทั้ง 2 ซึ่งวิธีนี้จะสามารถวัดสัญญาณที่มีความถี่ต่ำและขนาดของสัญญาณที่วัดจะตองสูงกวาขนาดของสัญญาณรบกวน ปญหาของการวัดโดยวิธีนี้คือสัญญาณที่มีความเร็วสูงจะทําใหเกิดความผิดพลาดในสวนของเวลาเมื่อทําการวัดความแตกตางของพัลส อีกอยางหนึ่งก็คือ การวัดแบบ single-ended ไมสามารถที่จะกําจัดสัญญาณรบกวน common-mode ไดเพียงพอที่ระดับสัญญาณต่ำๆ ซึ่ง Differential Probe นั้นจะสามารถกําจัดสัญญาณรบกวน common-mode ใหออกจากสัญญาณ Differential ได โดยการทํางานแบบนี้จะเรียกวา “อัตราสวนการกําจัดสัญญาณ common-mode (common-mode rejection ratio : CMRR)

สําหรับการวัดโดยใช Differential Probe นั้นจะใชวงจรขยายความแตกตางซึ่งจะนําสัญญาณ 2 อันมาลบกันแลวไดผลลัพธออกมาเพียงชองสัญญาณเดียวเขาที่ออสซิลโลสโคปโดยตรง ดังภาพที่ 20b โดยวิธีนี้จะไดคา CMRR ที่สูงมากตลอดยานความถี่ เชน Tektronix P6247 ซึ่จะมี Bandwidth ถึง 1 GHz และมียานของ CMRR อยูในชวง 60 dB (1000:1) ที่ 1 MHz ถึง 30 dB (32:1) ที่ 1GHz เปนตน

ภาพที่ 21 ตัวอย่าง Differential Probe ของ Tektronix P6247

ที่มา : http://www.tek.com/sites/tek.com/files/media/image/P6248-P6247-P6246-Differential-Probe-Datasheet-188562-1-L.jpg

ภาพที่ 22 การใช้ Differential Probe วัดสัญญาณที่มีค่า Bandwidth ที่สูง(13 GHz - 25 GHz)

High Voltage Probe

เราจะนิยามคําวา “High Voltage” เอาไววาเปน คาแรงดันที่สูงกวาคาแรงดันสูงสุดที่ยังสามารถทําใหโพรบแบบ passive 10X ทั่วๆไปทํางานได ซึ่งโดยปกติจะมีคาประมาณ 400 V ถึง 500 V ( DC + peak AC ) แต High Voltage Probe จะสามารถวัดแรงดันไดสูงถึง 20,000 V ตัวอยางของโพรบชนิดนี้จะแสดงดังภาพที่ 23 ซึ่งในการวัดและใชงาน High Voltage Probe นี้จะตองคํานึงถึงความปลอดภัยเปนสิ่งสําคัญ โดยที่สายเคเบิลของโพรบชนิดนี้จะคอนขางยาวกวาปกติ คือประมาณ 10 ฟุต เพื่อใหตัวเครื่องของออสซิลโลสโคปอยูหางจากแหลงจายไฟแรงดันสูงนั่นเอง และสามารถที่จะเพิ่มความยาวเปน 25 ฟุตไดอีกดวย

ภาพที่ 23 ตัวอย่าง High Voltage Probe ของ Tektronix P6015A ซึ่งสามารถวัดแรงดันไฟตรงไดสูงถึง 20 kV และพัลส 40 kV ที่ Bandwidth 75 MHz

ภาพที่ 24 การใช้ High Voltage Probe วัดสัญญาณที่มีแรงดันสูง

Current Probe

เมื่อกระแสไฟฟาไหลผานลวดตัวนําจะทําใหเกิดสนามแมเหล็กไฟฟาขึ้นรอบๆตัวนํานั้น ซึ่ง Current Probe จะถูกออกแบบใหตรวจจับสนามแมเหล็กไฟฟานั้นและแปลงใหอยูในรูปของแรงดันไฟฟาที่สัมพันธกันกอนจะสงไปที่ออสซิลโลสโคป ซึ่งสโคปจะสามารถแสดงผลและทําการวิเคราะหรูปสัญญาณกระแสไฟฟาได และเมื่อใชออสซิลโลสโคปวัดคาแรงดันและกระแสไฟฟาพรอมๆ กันก็จะสามารถดูลักษณะของสัญญาณกําลังไฟฟาไดโดยใชฟงกชั่นทางคณิตศาสตรภายในสโคป โดยสามารถที่จะทําการวัดสัญญาณของกําลังไฟฟาไดหลายๆรูปแบบประกอบดวย กําลังไฟฟาชั่วขณะ, กําลังไฟฟาจริง, กําลังไฟฟาที่ปรากฏ และเฟส ฯลฯ Current Probe โดยทั่วไปจะมี 2 ชนิด คือ AC Current Probe ซึ่งจะใชโพรบชนิด passive และ AC/DC Current Probe โดยทั่วไปจะเปนชนิด active ซึ่งโพรบทั้ง 2 ชนิดนั้นจะใชหลักการของหมอแปลงทําการแปลงแรงดันมาจากการตรวจจับกระแสไฟฟาที่เกิดขึ้นรอบๆลวดตัวนํานั้น

การทํางานของหลักการนี้ คือ เมื่อมีกระแสไฟฟาไหลผานลวดตัวนําจะทําใหเกิดสนามแมเหล็กไฟฟาขึ้นรอบๆลวดตัวนํานั้นซึ่งมีขนาดและทิศทางตัดกับการไหลของกระแสไฟฟา และเมื่อนําขดลวดไปวางไวในสนามแมเหล็กนั้น (ดังภาพที่ 25) จะทําใหเกิดแรงดันไฟฟาตกครอมขดลวดนั้นๆ ซึ่งจะเปนหลักการทํางานเบื้องตนของ AC Current Probe ทั่วๆไป และที่หัวจับของโพรบจะมีลักษณะเปนการใชลวดตัวนําพันรอบๆแทงแมเหล็ก ทําใหเกิดการแปลงคากระแสไฟฟาใหเปนคาแรงดันที่มีขนาดแปรผันเปนแบบเชิงเสนกับคากระแสไฟฟาที่ไหลผานลวดตัวนํา คา Bandwidth ของ Current Probe จะขึ้นอยูกับการออกแบบขดลวดของโพรบและปจจัยอื่นๆประกอบกัน ซึ่งคา Bandwidth จะสามารถมีไดถึง 1 GHz แตอยางไรก็ตามโดยปกติมักจะนิยมใช Current Probe ที่มี Bandwidth ที่ต่ำกวา 100 MHz เทานั้น

ภาพที่ 25 แรงดันจะเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงสนามแมเหล็กไฟฟารอบๆลวดตัวนําซึ่งจะมีเฉพาะไฟฟากระแสสลับเทานั้น (AC)

ในกรณีที่ใช Current Probe วัดคากระแสไฟฟาที่มี Bandwidth ของความถี่ต่ำๆ รวมทั้งไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ดวย ซึ่งไฟฟากระแสตรงจะไมสามารถทําใหเกิดการเปลี่ยนแปลงของสนามแมเหล็กไฟฟาได ดังนั้นจึงไมทําใหเกิดแรงดันขึ้นที่หมอแปลง รวมทั้งที่ความถี่ต่ำมากจนเขาใกล DC จึงใช้อุปกรณที่เรียกวา Hall Effect เพิ่มเขามาในการวัดสัญญาณไฟฟากระแสตรง (DC) ผลที่ไดจะเปน AC/DC Current Probe ที่มี Bandwidth ตั้งแต DC เพิ่มขึ้นไปเรื่อยๆจนถึงคาความถี่ที่จุด 3 dB ซึ่งโพรบชนิดนี้จะตองการแหลงจายไฟฟ้าในการทําให Hall Effect ทํางานในการตรวจจับไฟ DC ไดขึ้นอยูกับการออกแบบโพรบวาจะตองใชแหลงจายไฟชนิดใด และวงจรขยายของ Current Probe อาจจะตองการการรวมสัญญาณและการปรับระดับของสัญญาณ AC และ DC ดวย เพื่อใชในการแสดงผลรูปสัญญาณที่ออสซิลโลสโคป

ภาพที่ 26 ตัวอยางของ AC Current Probe ที่เปนแบบ split core ซึ่งการพันลวดตัวนํา

เขาที่หัวโพรบจํานวน n รอบก็จะเปนการเพิ่มความไวเปน n เท่า

ที่มา : http://www.metrictest.com/images/large_product_images/tek_tcp202.jpg


ภาพที่ 27 การใช้งาน Current Probe ในการวัดกระแส 

Logic Probe

ความผิดพลาดในระบบดิจิตอลสามารถเกิดขึ้นไดดวยหลายเหตุผล ซึ่งลอจิกอนาไลเซอรก็เปนเครื่องมือที่ดีที่จะใชในการระบุและแยกแยะปญหาที่เกิดขึ้น แตในความเปนจริงแล้วความผิดพลาดของลอจิกมักจะเกิดจากสัญญาณอนาล็อกที่ผสมอยูในสัญญาณดิจิตอล เชน ความกวางของพัลส์

(jitter), แอมปลิจูดของพัลส(aberrations) และสัญญาณรบกวนอนาล็อกแบบเปนชวงๆ ซึ่งจะมีคานอยมากเมื่อเทียบกับจํานวนความผิดพลาดของสัญญาณดิจิตอล ดังนั้นในการวิเคราะหคุณสมบัติของความตอเนื่องของสัญญาณดิจิตอลจึงตองอาศัยออสซิลโลสโคปแตอยางไรก็ตาม บอยครั้งที่ผูออกแบบระบบดิจิตอลตองการดูลักษณะของพัลสขอมูลที่เกิดขึ้นระหวางเงื่อนไขทางลอจิก ซึ่งความตองการนี้จะตองอาศัยความสามารถของ logic trigger ที่ปกติจะมีในลอจิอนาไลเซอรมากกวาในออสซิลโลสโคป ซึ่ง logic trigger สามารถที่จะเพิ่มเขาไปในออสซิลโลสโคปทั่วไปไดโดยผานทางโพรบแบบ word recognizer trigger ดังแสดงดังภาพที่ 28

ภาพที่ 28 ตัวอย่าง Logic Probe ของ HAMEG HO3508 แบบ 8 channel

ที่มา : http://www.conrad.com/medias/global/ce/1000_1999/1000/1010/1018/
101852_ZB_00_FB.EPS_1000.jpg

Optical Probe

กับการเขามาและการแพรหลายของระบบ Fiber-optic ในการสื่อสารที่มีการเจริญเติบโตอยางรวดเร็วจึงทําใหมีความตองการอุปกรณที่สามารถแสดงผลและวิเคราะหสัญญาณ Optical ได ซึ่งจะมี Optical system analyzer ที่พัฒนามาเพื่อทําการแกปญหาและวิเคราะหงานทางดานระบบการ สื่อสารโดยเฉพาะ แตอยางไรก็ตามยังคงมีความตองการที่จะขยายความสามารถของการวัดสัญญาณ optical ทั่วๆไปและทําการวิเคราะหตลอดชวงเวลาระหวางการพัฒนาและทดสอบอุปกรณทางดาน optical ซึ่ง Optical Probe ก็สามารถตอบสนองตอความตองการดังกลาวโดยยอมใหมีการแสดงผลรูปสัญญาณ optical ที่ตัวออสซิลโลสโคปได โดยที่ Optical Probe จะทําการแปลงจากสัญญาณ optical ใหเปนสัญญาณทางไฟฟา ในดาน optical จะตองเลือกโพรบที่เหมาะสมกันกับ optical connector และชนิดของ fiber หรือ optical mode ของอุปกรณที่ตองการวัด สวนทางดานไฟฟานั้นจะตองใชโพรบและสโคปที่มีความสมดุลกันดวย

รูปที่ 29 ตัวอย่างของ Optical Probe

ที่มา : http://www.tek.com/sites/tek.com/files/imagecache/node_
productseriespage_product_largeimage/media/image/A000_0577-L.jpg

รูปที่ 30 การใช้งาน Optical Probe

โพรบชนิดอื่นๆ

นอกเหนือจากโพรบชนิดตางๆที่ไดกลาวมาแลว ยังมีโพรบชนิดพิเศษและระบบของโพรบอีกมากมายหลายชนิดซึ่งจะประกอบไปดวย :

•  Environmental Probe ซึ่งจะเปนโพรบที่ออกแบบใหทํางานชวงอุณหภูมิที่กวางมาก
• Temperature Probe ซึ่งเปนโพรบที่ใชในการวัดอุณหภูมิของอุปกรณและแหลงกําเนิดความรอนอื่นๆ
• Proing Station และแขนกล ซึ่งจะใชวัดสัญญาณของอุปกรณที่มีรายละเอียดสูง เชน multi-chip-module , hybrid circuit และ ICs เปนตน
  

อ้างอิง

• Oscilloscope Probes and Probe Accessories.(2 พฤศจิกายน 2556). AvailableURL : http://cdn.teledynelecroy.com/files/pdf/oscilloscope_probe_catalog.pdf

• โพรบ-จุดเชื่อมต่อเพื่อคุณภาพของการวัดสัญญาณ. (5 พฤศจิกายน 2556). Available URL : http://www.trinergy.co.th/resource/ABC%20of%
  20PROBE.pdf

• โพรบ(Probe). (6 พฤศจิกายน 2556). Available URL:http://edltv.vec.go.th/courses/32/10110051.pdf

ผู้เขียน นายสมศักดิ์  ทับทิมใส  55070500444 ห้อง B วิศวกรรมไฟฟ้า