Осциллографы и анализаторы спектра как пример продуктивного "сотрудничества"

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

Руководство по эффективному выбору датчиков для измерений целостности параметров мощности при наличии малых  шумов 

Чтобы понять, как добиться наиболее точных измерений с низким уровнем шума, мы сравним шумовые характеристики нескольких пробников, задействуя осциллограф серии Rohde & Schwarz (R&S) MXO 5.

Пробники Picotest P2105A и P2104A при использовании с пробником шины питания Rohde & Schwarz ZPR20 обеспечивают лучшую комбинацию для измерений с низким уровнем шума при комбинации с MXO 5. Эти несимметричные пробники-браузеры с сопротивлением 50 Ом обеспечивают характеристики, аналогичные прямому коаксиальному соединению для осуществления измерений от осциллографа к тестируемому устройству (DUT).

При регистрации сигнала и выполнении малошумящих измерений мы традиционно учитываем только характеристики осциллографа, включая полосу пропускания и динамический диапазон. Легко забыть о важности изучения сигнальной цепи между осциллографом и тестируемым устройством. Осциллограф с широкой полосой пропускания бесполезен, если ваш вариант с  подключением пробника не имеет динамического диапазона или достаточно низких шумовых характеристик, необходимых для современных измерений целостности параметров электропитания.

Поскольку требования к соответствию напряжению стандартам становятся все более жесткими, понимание шумового воздействия вашего решения по выюору пробников имеет решающее значение для проведения качественных измерений пульсаций напряжения. Это важно в точке загрузки или в любом месте вашей системы при оценке производительности или проверке соответствия спецификациям.

В Signal Edge Solutions мы очень серьезно относимся к измерениям целостности параметров электропитания. Итак, мы хотели изучить влияние шума во время измерения, используя различные пробники браузера, подключенные к осциллографу серии MXO 5 компании Rohde & Schwarz. Этот осциллограф имеет множество инновационных функций и возможностей, а также опцию полосы пропускания 2 ГГц. 

Наша тестовая конфигурация

На рис. 1 показана плата с функциями генерирования оценок TPS7H4003 от Texas Instruments, которая будет служить тестируемым устройством в наших экспериментах. TPS7H4003 — радиационно-устойчивый понижающий преобразователь, рассчитанный на выходное напряжение 1 В. Все измерения будут выполняться с использованием входа 5 В и нагрузки 2 А. 

Рис. 1. Модуль оценки EVM Texas Instruments TPS7H4003. Изображение использовано с разрешения TI. 

На рисунке 2 изображена наша измерительная установка с использованием модели осциллографа MX058. В ходе наших экспериментов менялся только зондирующий раствор. Для осциллографа MXO58 настроена полоса пропускания 350 МГц, а оконечная нагрузка пробника также настраивается соответствующим образом для каждого анализируемого пробника. 

Рисунок 2. Схема измерения пульсаций напряжения, в которой заменяется только датчик.

Мы сравнили два пробника R&S и два аналогичных решения от Picotest:

1. Пробник R&S RT-ZP11 10X

2. Пробник шины питания R&S ZPR20 1X

3. Датчик Picotest P2104A-1X

4. Датчик Picotest P2105A-1X

Как показано на рисунке 3, мы также провели дополнительный эксперимент, используя припаянный коаксиальный кабель, подключенный к плате, вместе с пробником шины питания R&S ZPR20. Все датчики размещаются в одной и той же точке измерения —  незадействованном участке установки конденсатора (C23). 

Рисунок 3. Пять различных конфигураций зондов для нашего эксперимента. 

Тестирование пробника R&S RT-ZP11 10X

На рисунке 4 изображена характеристика напряжения на выходе TPS7H4003 для пробника RT-ZP11. Зелёным прямоугольником выделены курсорные измерения, которые фиксируют размах напряжения сигнала. 

Рис. 4. Измерение пульсаций напряжения с помощью пробника R&S RT-ZP11. 

Примечание о пробниках с 10-кратным ослаблением

Важно отметить, что высокий импеданс зонда (10 МОм) RT-ZP11 существенно ограничивает динамический диапазон измерительной установки. Как показано на рисунке 4, вертикальный диапазон установлен на абсолютный максимальный диапазон, доступный в MXO58. Это связано с тем, что RT-ZP11 представляет собой датчик с 10-кратным увеличением, который ослабляет интересующий нас сигнал в 10 раз. 

Это означает, что наше SNR также делится на 10.

Почему это важно? При проведении измерений с помощью осциллографа крайне важно использовать весь динамический диапазон осциллографа для достижения точных измерений. Это достигается путем обеспечения того, чтобы сигнал на экране занимал не менее 3/4 вертикального диапазона. Другими словами, мы максимизируем сигнал, улавливаемый на экране, что гарантирует максимальную оптимизацию динамического диапазона осциллографа.

Это означает, что с помощью пробника 10X мы только что ограничили динамический диапазон нашей измерительной установки. Короче говоря, пробник 10X никогда не следует использовать для измерения слабых сигналов. Эти пробники предназначены для защиты входов осциллографа от гораздо более высоких напряжений. Однако инженеры по-прежнему используют датчики 10X для измерения малых сигналов, при неизбежно ограничивается точность измерений.

Это означает, что из-за импеданса пробника RT-ZP11 10 МОм отношение сигнал/шум ограничено, что ограничивает максимальный уровень сигнала до уровня MXO 5 и не позволяет измерениям в полной мере задействовать преимущества динамического диапазона осциллографа. 

Тестирование пробника шины питания R&S ZPR20 1X

На рис. 5 показаны результаты того же измерения с использованием пробника ZPR20 1X. Размах пульсаций шума уменьшен с 19,50 до 12,43 мВ. 

Рис. 5. Измерение пульсаций напряжения с помощью пробника шины питания R&S ZPR20. 

Тестирование зонда Picotest P2104A-1X

Повторение нашего теста с использованием пробника Picotest P2014A-1X позволило получить форму выходного сигнала, показанную на рисунке 6. Это обеспечивает еще более низкий размах пульсаций напряжения, составляющий всего 10,40 мВ. 

Рисунок 6. Измерение пульсаций напряжения с помощью пробника Picotest P2104A.

Тестирование зонда Picotest P2105A-1X

Picotest P2105A — единственный браузерный пробник с еще меньшей индуктивностью и нагрузкой на пробник, чем модель P2104A. Однако Picotest P2105A доступен только с ослаблением 1X. Поэтому, когда ваше напряжение превышает 5 В (среднеквадратичное значение), P2015A необходимо комбинировать с блоком питания постоянного тока Picotest Port Saver, например P2131A, для защиты входов осциллографа MXO 5. Зонд Picotest P2015A-1X с P2131A обеспечил самый низкий результат измерения шума — 9,32 мВ, как показано на рисунке 7. 

Рисунок 7. Измерение пульсаций напряжения с помощью пробника Picotest P2105A. 

После первоначального анализа вариант с датчиком Picotest P21045-1X обеспечивает решение для измерения с самым низким уровнем шума с помощью пробников MXO 5. 

Тестирование с помощью пробника Picotest P2104A-1X и пробника R&S RPZ20.

В качестве дополнительной области исследований мы хотели объединить пробник P2104A-1X с пробником шины питания R&S RPZ20, чтобы оценить результаты этого измерительного решения. Эта измерительная установка представлена на рисунке 8.

Рис. 8. Тестовая установка с использованием R&S ZPR20 с пробником Picotest P2104A. 

Эта комбинация датчиков дала немного лучшие результаты, чем один P2104A: 10,08 мВ против 10,40 мВ, как показано на рисунке 9. Мы могли бы попробовать аналогичную установку, сочетающую P2105A с ZPR20, но на момент завершения работы они были ещё недоступны. 

Рис. 9. Измерение пульсаций напряжения с помощью R&S ZPR20 с пробником Picotext P2104A. 

Тестирование с использованием паяного коаксиального кабеля и R&S RPZ20

Несмотря на то, что данное руководство посвящено пробникам серии MXO 5, мы все равно хотим задействовать все наши ресурсы и провести последнюю оценку, чтобы изучить шумовые характеристики паяного коаксиального кабеля в сочетании с пробником шины питания R&S ZPR20. Эта установка показана на рисунке 10 ниже, а увеличенный вид паяного решения COAX показан выше на рисунке 3. 

Напряжение пульсации от пика к пику для данной схемы составило 11,40 мВ (рис. 11). Хотя паевое решение обычно обеспечивает более высокую производительность, важно помнить, что оно не обеспечивает повторяемости, как браузерный пробник. Преимущество использования браузерных пробников с низкой индуктивностью, таких как P2104A или P2105A, заключается в том, что они обеспечивают низкую повторяемость шума при измерениях.

Рис. 11. Измерение пульсаций напряжения с помощью пробника R&S ZPR20 с припаянным коаксиалом 

Сравнение результатов испытаний зондов

Как показано в Таблице 1, лучшим решением для зондирования является пробникPicotest P2105A. P2105A обеспечил решение с самым низким уровнем шума из всех, что мы оценивали на данный момент. Такой низкий уровень шума обусловлен более высоким экранированием кабеля Picotest PDN и очень низкой нагрузкой на датчик, создаваемый датчиком пробником P2105A. 

Таблица 1. Сводка результатов измерения пульсаций напряжения

Как было продемонстрировано, решение для зондирования имеет высокое значение для достижения решения для измерения с низким уровнем шума. Даже отличный пассивный пробник линии передачи может превзойти высококлассный активный пробника.

P2105A также можно комбинировать с ZPR20, чтобы получить еще лучшее решение с низким уровнем шума, но это выходит за рамки данной статьи. 

При тестировании важно чётко понимать свою цель

Когда вы тестируете, вы хотите получить наилучшие результаты. Как показали испытания, Picotest P2105A и P2104A-1X предлагают очень точный и надежный метод измерения сигналов с низким уровнем шума. Наши результаты показали, что этот пробник с браузером является даже лучшим решением с меньшим уровнем шума, чем решение с паяным коаксиальным кабелем, и, очевидно, его намного проще в использовать.

Датчики P2105A и P2104A в сочетании с решением Rohde & Schwarz ZPR20 Power Rail обеспечивают лучшее решение для измерения с низким уровнем шума для MXO 5. Преимущество использования ZPR20 с этими датчиками Picotest заключается в том, что инженеры теперь могут воспользоваться преимуществами высокоточного вольтметра постоянного тока и функции, встроенных в ZPR20. Кроме того, ZPR20 имеет компенсацию смещения +/-60 В. Сочетание этого с пробником на 50 Ом, таким как P2104A-1X или P2105A, обеспечивает самое высокое соотношение сигнал/шум (SNR) и динамический диапазон.

Короче говоря, это также означает, что если на одном и том же тестируемом устройстве одновременно выполняется более одного измерения, существует контур заземления, и к вашей измерительной установке следует добавить коаксиальный трансформатор (J2102B).

Если у вас есть вопросы о пробниках для любого осциллографа, свяжитесь с нами на нашем веб-сайте или по электронной почте info@signaledgesolutions.com.

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик Анализаторов Спектра в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/analizatory-radiochastotnogo-spektra

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик осциллографов в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy 

Поставки со склада и под заказ GW Instek, RIGOL, SIGLENT, OWON, Tektronix, Iwatsu, LeCroy, HANTEK