Не ошибается тот, кто ничего не делает. ЧАСТЬ 1

Магазин Gtest(R) предлагает широкую номенклатуру Осциллографов и Анализаторов Спектра на приводимой страничке сайта в самом конце настоящего Раздела, а также рекомендуемые приборы и статьи для самообразования

Эффективное применение пробников больше не камень преткновения

Введение

Понимание распространенных ошибок при применении пробников

Понимание распространенных ошибок при проведении измерений и того, как их избежать, имеет решающее значение для проведения более качественных измерений.

В идеальном мире все пробники были бы не интрузивными проводами, подключенными к вашей схеме с бесконечным входным сопротивлением и нулевой ёмкостью и индуктивностью. Они бы обеспечивали точные копии сигналов, которые вы измеряете. Но реальность такова, что пробники вносят нагрузку в схему. Резистивные, емкостные и индуктивные компоненты пробника могут изменить реакцию тестируемой схемы.

Каждая схема отличается и имеет свой собственный набор электрических характеристик. Поэтому каждый раз, когда вы проверяете своё устройство, вы должны учитывать характеристики пробника и выбирать тот, который будет иметь наименьшее влияние на измерение. Это включает в себя всё, от подключения к входу осциллографа вниз по кабелю до самой точки подключения на тестируемом устройстве (DUT), включая любые аксессуары или дополнительную проводку и пайку, используемые для подключения к контрольной точке.

Узнайте о подводных камнях, с которыми вы можете столкнуться при проведении тестов, и о том, как улучшить результаты измерений с помощью более эффективных методов.

Электрическое поведение вашего пробника влияет как на результаты измерений, так и на работу вашей схемы. Принятие мер для обеспечения того, чтобы эти эффекты находились в допустимых пределах, является ключевым шагом к успешным измерениям.

Подводный камень № 1

Скрытые шумовые воздействия

Уровни шума пробника и осциллографа могут преувеличивать шум вашего DUT. Выбор правильного пробника для вашего приложения с правильным коэффициентом затухания снизит добавленный шум от пробника и осциллографа. В результате вы получите сигнал, который будет более чистым представлением того, что находится на вашем DUT.

Многие производители пробников характеризуют шум пробника как эквивалентный входной шум и указывают его в вольтах среднеквадратичного значения. Более высокие коэффициенты затухания позволяют измерять более сильные сигналы, но недостатком является то, что осциллограф будет определять эти коэффициенты и усиливать ваш сигнал и его шум. Чтобы увидеть этот эффект в действии, на рисунке 1 показан завышенный шум с использованием пробника 10:1 на зеленой трассе.

Один из простых способов оценить количество шума вашего зонда — это проверить коэффициент затухания и уровень шума зонда по техническому паспорту или руководству по эксплуатации зонда.

Рисунок 1. Сравнение шума пробника 1:1 и 10:1, измеряющего выходную пульсацию на источнике питания. Зонд 10:1 завышает измерение по крайней мере на 50% из-за сниженного отношения сигнал/шум в результате более высокого коэффициента затухания.

Кроме того, все осциллографы имеют некоторый собственный шум. Любой шум, присутствующий в осциллографе, будет накладываться на ваш сигнал и искажать ваши измерения. Чем ниже уровень шума вашего осциллографа, тем меньше осциллограф влияет на измеряемый вами сигнал. Кроме того, вы не сможете увидеть детали сигнала, меньшие, чем уровень шума осциллографа. Это важно учитывать для любого сигнала, но это еще более критично при измерении очень малых напряжений.

Например, на рисунке 2 показан сигнал 53 мкВ. Слева мы проводим измерения с помощью осциллографа Keysight InfiniiVision 3000G серии X. При 2 мВ/дел уровень шума 3000G составляет 372 мкВср.кв., поэтому невозможно увидеть тон 53 мкВ на быстром преобразовании Фурье (БПФ) этого осциллографа. Слишком много шума, исходящего от осциллографа, чтобы увидеть тон в БПФ слева. Справа мы проводим измерения с помощью осциллографа серии Keysight HD3, уровень шума которого составляет менее 50 мкВср.кв. при 2 мВ/дел. Здесь мы можем очень четко видеть небольшой тон 53 мкВ на БПФ серии HD3, поскольку шум достаточно низок. Вам необходимо минимальное количество шума осциллографа, чтобы вы могли захватить каждую часть вашего сигнала, даже самые маленькие.

Рисунок 2. Сигнал 53 мкВ, измеренный с помощью осциллографа Keysight InfiniiVision 3000G серии X (слева) и осциллографа Keysight серии HD3 (справа)

Подводный камень № 2

Неизвестные ограничения пропускной способности

Выбор пробника с адекватной полосой пропускания имеет решающее значение для проведения важных измерений. Неадекватная полоса пропускания исказит ваши сигналы, что затруднит принятие правильных инженерных решений по тестированию или проектированию.

Общепринятая формула для пропускной способности гласит, что пропускная способность, умноженная на время нарастания, равна 0,35 при оценке нарастающего фронта от 10% до 90%:

BW x T_R = 0.35

Стоит отметить, что также важно учитывать всю полосу пропускания вашей системы. Вам следует учитывать как полосу пропускания вашего пробника, так и вашего осциллографа, чтобы определить полосу пропускания вашей измерительной системы. Вот формула для расчета полосы пропускания вашей системы.

Например, предположим, что полосы пропускания вашего осциллографа и пробника составляют 500 МГц. Используя формулу, полоса пропускания измерительной системы (осциллограф + пробники) составит 353 МГц.

Вы можете увидеть значительное ухудшение полосы пропускания системы по сравнению с отдельными характеристиками полосы пропускания пробника и осциллографа.

Теперь, если полоса пропускания зонда составляет всего 300 МГц, а полоса пропускания осциллографа — 500 МГц, полоса пропускания системы снижается до 257 МГц.

Пробник и осциллограф — это «система». Вместе они влияют на пропускную способность больше, чем по отдельности.

Подводный камень № 3

Невозможность калибровки пробника

Пробники поставляются уже откалиброванными, но не для входа вашего осциллографа. Если они не откалиброваны для входа вашего осциллографа, вы получите неточные измерения. 

Активные пробники

Активные пробники, не откалиброванные под ваш осциллограф, приведут к различиям в измерении вертикального напряжения и синхронизации нарастающего фронта (и, возможно, к некоторым искажениям). Большинство осциллографов предоставляют опорный или вспомогательный выход и инструкции, которые помогут вам выполнить калибровку пробника.

На рисунке 3 показан сигнал частотой 50 МГц, подаваемый на осциллограф с помощью кабеля SMA и адаптера на канале 1 (желтая кривая). Зеленая кривая — это тот же сигнал, подаваемый на осциллограф с активным пробником на канале 2. Обратите внимание, что выход генератора на канале 1 составляет 1,04 В (пик-пик вольт), а зондируемый сигнал на канале 2 составляет 965 мВ (милливольт). Кроме того, перекос от канала 1 к каналу 2 составляет огромные 3 мс (миллисекунды), поэтому времена нарастания не совпадают.

Рисунок 3. Выход генератора и зондируемый сигнал

Если мы откалибруем этот пробник, результаты значительно улучшатся. Вы можете увидеть результаты после правильной калибровки амплитуды и перекоса на рисунке 4. Амплитуда улучшается до 972 мВpp с исправленным перекосом, оставляя оба времени нарастания выровненными.

Пассивные пробники

Вы можете настроить переменную ёмкость зонда так, чтобы компенсация идеально соответствовала входу осциллографа, который вы используете. Большинство осциллографов имеют выход прямоугольной волны для калибровки или сравнения. Проверьте это соединение и убедитесь, что волна имеет прямоугольную форму. Отрегулируйте переменную ёмкость по мере необходимости, чтобы избавиться от любого недобора или перебора.

Подсказка: ваш осциллограф может иметь функцию регулировки компенсации пробника, или вы можете изменить ее вручную.

Откалибруйте пробники под свой осциллограф, чтобы получить наиболее точное представление измеренного сигнала.

Рисунок 4. После калибровки амплитуды и перекоса

Подводный камень № 4

Увеличение нагрузки пробника

Как только вы подключаете пробник к осциллографу и касаетесь им устройства, то пробник становится частью вашей схемы. Резистивная, ёмкостная и индуктивная нагрузка, которую пробник накладывает на ваше устройство, повлияет на сигнал, который вы видите на экране осциллографа.

Эти эффекты нагрузки могут изменить работу вашей тестируемой схемы. Понимание этих воздействий нагрузки поможет вам избежать ловушек выбора неправильного пробника для вашей схемы или системы. Пробники имеют резистивные, ёмкостные и индуктивные свойства, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Принципиальная электрическая схема пробника.

Чтобы достичь узкой точки пробника, вы можете проявить креативность, добавив длинные провода или выводы. Однако добавление аксессуаров или наконечников от пробника к пробнику может уменьшить полосу пропускания, увеличить нагрузку и вызвать неровную частотную характеристику.

Обычно, чем длиннее входные провода или выводы наконечника пробника, тем больше уменьшается полоса пропускания. Может не быть значительного эффекта на измерениях с более низкой полосой пропускания, но будьте осторожны, какой наконечник пробника и принадлежности вы используете, когда вы работаете с высокочастотными сигналами, особенно выше 1 ГГц. По мере уменьшения полосы пропускания вашего пробника вы теряете возможность измерять быстрое время нарастания. На рисунке 6 показано, как время нарастания, отображаемое на осциллографе, становится медленнее с более длинными принадлежностями. Для наиболее точных измерений лучше всего использовать максимально короткий наконечник.

Используйте максимально короткие провода, чтобы поддерживать пропускную способность и точность вашего пробника

Рисунок 6. Эффекты нагрузки зонда при различной длине выводов зонда

Также держите заземляющие провода короткими, потому что чем они длиннее, тем большую индуктивность они добавляют. Сохранение заземляющих проводов как можно короче и как можно ближе к заземлению системы обеспечит повторяемость и точность измерений. 

Подсказка: Если вам абсолютно необходимо добавить провод к наконечнику пробника, то чтобы достичь сложных точек пробника, добавьте резистор на наконечник, чтобы ослабить резонанс добавленного провода. Вы не сможете сделать многого с ограничениями полосы пропускания при добавлении длинных проводов, но вы можете выровнять частотную характеристику. Чтобы определить, какой размер резистора использовать, проверьте известный прямоугольный сигнал, например, опорный прямоугольный сигнал на вашем осциллографе.

Если сопротивление правильное, вы увидите чистый прямоугольный сигнал (но вы можете столкнуться с ограниченной полосой пропускания). Чтобы устранить звон сигнала, увеличьте размер резистора.

Для несимметричного пробника понадобится только один резистор на наконечнике этого пробника. Если вы используете дифференциальный пробник, используйте два резистора — по одному на вывод.

Рисунок 7. Добавление резистора к наконечнику зонда может преодолеть резонанс от длинных соединений зонда и уменьшить звон и выбросы. Однако этот метод не предотвратит ограничение полосы пропускания, вызванное добавленными проводами.

Используйте резистор для смягчения пиков, вызванных длинными проводами зонда.

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ…

Магазин Gtest