Тема многократно освещена и стара как мир

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

Результаты измерения сигнала могут быть настолько точными, насколько точны используемые инструменты тестирования и измерения. По мере увеличения тактовой частоты и скорости фронта современных электронных схем зондирование становится важнейшей частью измерительной системы — компонентом, который напрямую контактирует с вашей схемой. В этой статье рассматриваются соображения по применению пробников напряжения для приложений отладки встроенных систем и цифровых проектов.

Подключение пробника к схеме может повлиять на работу схемы, а осциллограф может отображать и измерять только сигнал, который пробник подает на вход осциллографа. Таким образом, крайне важно, чтобы пробник оказывал минимальное влияние на исследуемую схему и поддерживал адекватную точность сигнала для желаемых измерений.

Если пробник не поддерживает точность сигнала, если он каким-либо образом изменяет сигнал или изменяет способ работы схемы, то осциллограф видит искаженную версию фактического сигнала. Результатом могут быть неправильные или вводящие в заблуждение измерения. По сути, пробник является первым звеном в цепочке измерений осциллографа. Сила измерительной цепи зависит как от пробника, так и от осциллографа. Ослабьте это первое звено неподходящим пробником или плохими методами зондирования, и вся цепь будет ослаблена. 

Идеальный пробник должен обладать следующими ключевыми характеристиками:

• Простота и удобство подключения
• Абсолютная точность сигнала
• Нулевая загрузка источника сигнала
• Полная помехоустойчивость

Подключение к физической контрольной точке должно быть возможным с легкостью и удобством. Для миниатюрных схем, таких как технология поверхностного монтажа высокой плотности (SMT), простота и удобство подключения обеспечиваются за счет использования сверхминиатюрных головок пробника и его различных адаптеров наконечников, разработанных для устройств SMT.

Абсолютная точность сигнала

Идеальный пробник должен передавать любой сигнал от своего наконечника к входу осциллографа с абсолютной точностью сигнала. Другими словами, сигнал, как он возникает на этом наконечнике, должен быть точно продублирован на входе осциллографа. Для абсолютной точности схема пробника от наконечника к входу осциллографа должна иметь нулевое затухание, бесконечную полосу пропускания и линейную фазу на всех частотах. В действительности такие идеальные требования недостижимы. К счастью, для реальных сигналов в современных встраиваемых системах нет необходимости в пробнике с бесконечной полосой пропускания. Параллельные интерфейсы между чипами, популярные последовательные коммуникационные шины, такие как I2C или SPI, сигналы переключения питания, выходы сенсоров и т. д., как правило, можно адекватно просматривать с помощью осциллографа + полосы пропускания пробника до 1 ГГц.

Измерение высокоскоростных сигналов, таких как PCIe, SATA, HDMI и т. д., — это другой вопрос, и он выходит за рамки этой статьи.

Тем не менее, в пределах заданной полосы пропускания работы абсолютная точность сигнала — это идеал, к которому следует стремиться.

Загрузка источника нулевого сигнала

Схему за контрольной точкой можно рассматривать как источник сигнала или моделировать как таковой. Любое внешнее устройство, например, пробник, подключенное к контрольной точке, будет выглядеть как дополнительная нагрузка на источник сигнала за контрольной точкой, которая потребляет ток сигнала из схемы (источника сигнала). Эта нагрузка изменяет работу схемы за контрольной точкой и, таким образом, изменяет сигнал, видимый в этой контрольной точке.

Идеальный пробник вызывает нулевую нагрузку источника сигнала. Другими словами, он не потребляет никакого тока сигнала из источника сигнала. Это означает, что для нулевого потребления тока, пробник должен иметь бесконечное сопротивление, по сути представляя разомкнутую цепь к контрольной точке.

На практике пробник с нулевой нагрузкой источника сигнала по определению не может быть получен. Это связано с тем, что пробник должен потреблять некоторое небольшое количество тока сигнала, чтобы создать напряжение сигнала на входе осциллографа. Следовательно, при использовании пробника следует ожидать некоторую нагрузку источника сигнала. Однако целью всегда должно быть минимизация величины нагрузки путем выбора наиболее подходящего пробника.

Полная помехоустойчивость

Компактные люминесцентные лампы (CFL), двигатели вентиляторов, импульсные источники питания (SMPS) и драйверы подсветки дисплея являются примерами множества источников электрического шума в нашей среде. Эти источники могут наводить свой шум на близлежащие электрические кабели и схемы, в результате чего шум добавляется к сигналам. Из-за восприимчивости к наведенному шуму простой кусок провода не является идеальным выбором для пробника осциллографа.

Идеальный пробник осциллографа полностью невосприимчив ко всем источникам шума. В результате сигнал, подаваемый на осциллограф, не имеет больше шума, чем тот, который появился на сигнале в контрольной точке.

На практике использование экранирования позволяет пробникам достигать высокого уровня помехоустойчивости для большинства распространенных уровней сигнала. Однако шум все ещё может быть проблемой для определенных сигналов низкого уровня. В частности, синфазный шум может представлять проблему для дифференциальных измерений.

Реалии пробников

Несколько реалий мешают практическим пробникам достичь идеала. Чтобы понять, как это может повлиять на измерения вашего осциллографа, нам нужно глубже изучить реалии этих устройств. Во-первых, важно осознать, что пробник, даже если это просто кусок провода, потенциально является очень сложной цепью.

Для сигналов постоянного тока (частота 0 Гц) пробник выглядит как простая пара проводников с некоторым последовательным сопротивлением и оконечным сопротивлением. Однако для сигналов переменного тока картина резко меняется с увеличением частоты сигнала. Картина меняется для сигналов переменного тока, потому что любой кусок провода имеет распределенную индуктивность (L), а любая пара проводов имеет распределенную ёмкость (C). Распределенная индуктивность реагирует на сигналы переменного тока, все больше препятствуя протеканию переменного тока по мере увеличения частоты сигнала. Распределенная ёмкость реагирует на сигналы переменного тока, уменьшая импеданс для протекания переменного тока по мере увеличения частоты сигнала. Взаимодействие этих реактивных элементов (L и C), а также резистивных элементов (R), создает общий импеданс пробника, который изменяется с частотой сигнала. Благодаря хорошему дизайну пробника элементы R, L и C могут управляться для обеспечения желаемых степеней точности сигнала, затухания и нагрузки источника в указанных диапазонах частот. Даже при хорошем дизайне пробники ограничены природой своей схемы. Важно знать об этих ограничениях и их эффектах при выборе и использовании пробников.

Ограничения по полосе пропускания и времени нарастания

Полоса пропускания — это диапазон частот, для которого предназначен осциллограф или пробник. Например, пробник или осциллограф 100 МГц предназначены для проведения измерений в пределах спецификации на всех частотах до 100 МГц. Нежелательные или непредсказуемые результаты измерений могут возникать на частотах сигнала выше указанной полосы пропускания.

Как правило, для точных измерений амплитуды полоса пропускания осциллографа + пробника должна быть в пять раз больше частоты измеряемого сигнала. Это «правило пятикратного превышения» обеспечивает достаточную полосу пропускания для высокочастотных компонентов несинусоидальных сигналов, таких как прямоугольные волны.

Аналогично, осциллограф должен иметь достаточное время нарастания для измеряемых сигналов. Время нарастания осциллографа или пробника определяется как время нарастания, которое было бы измерено, если бы был применен идеальный импульс с мгновенным нарастанием. Для разумной точности измерения характеристик времени нарастания или спада импульса, параметр времени нарастания пробника и осциллографа вместе должен быть в три-пять раз быстрее, чем время измеряемого импульса.

В случаях, когда время нарастания не указано, вы можете вывести время нарастания (Tr) из спецификации полосы пропускания с помощью следующего соотношения: Tr = k/полоса пропускания, где k равно 0,35 для осциллографов с полосой пропускания до 1 ГГц и 0,4 или выше для осциллографов более 1 ГГц.

Каждый осциллограф имеет определенные пределы полосы пропускания и времени нарастания. Аналогично, каждый пробник также имеет свой собственный набор ограничений полосы пропускания и времени нарастания. И когда пробник подключен к осциллографу, вы получаете новый набор характеристик полосы пропускания этой дуалистической системы и её времени нарастания.

К сожалению, связь между полосой пропускания системы и полосами пропускания отдельного осциллографа и пробника не является простой. То же самое относится и к времени нарастания. Чтобы справиться с этим, производители качественных осциллографов указывают полосу пропускания или время нарастания для наконечника пробника только когда осциллограф используется с определенными моделями пробников. Это важно, поскольку осциллограф и пробник, подчеркнём это, вместе образуют измерительную систему, и именно полоса пропускания и время нарастания этой системы определяют ее измерительные возможности. Если вы используете пробник, который не входит в рекомендуемый список пробников для той или иной модели осциллографа, вы рискуете получить непредсказуемые результаты измерений.

Распространенные типы пробников (сенсоров) напряжения:

Пассивные пробники являются наиболее распространенным типом пробников общего назначения. Разработанные для обеспечения долговечности и экономичности, пассивные пробники напряжения обеспечивают полосу пропускания около 500 МГц, широкий динамический диапазон и большое входное сопротивление параллельно с емкостной нагрузкой 10–15 пФ.

Новейшие пассивные пробники напряжения с высокой пропускной способностью обеспечивают полосу пропускания до 1 ГГц с емкостной нагрузкой менее 4 пФ. Чрезвычайно низкая ёмкостная нагрузка снижает неблагоприятное воздействие на схемы и более терпима к более длинным заземляющим проводам. А благодаря широкой полосе пропускания пробника вы можете видеть высокочастотные компоненты в вашем сигнале, что имеет решающее значение для высокоскоростных приложений.

Активные однотактные (FET) пробники обеспечивают широкую полосу захвата сигнала и гарантируют снижение нагрузки на тестируемое устройство. Активный пробник является лучшим выбором, когда ваше приложение включает в себя высоко импедансные, высокочастотные элементы схемы, которые требуют минимальной нагрузки. Возможность смещения постоянного тока позволяет использовать полный динамический диапазон пробника при измерении сигналов переменного тока в присутствии напряжений смещения постоянного тока. 

Дифференциальные пробники позволяют осциллографу отображать дополнительную (дифференциальную) пару сигналов с использованием одного канала. В то время как согласованная пара односторонних пробников может использоваться для выполнения дифференциального измерения, настоящий дифференциальный пробник обычно обеспечивает более высокую производительность, обеспечивая высокий CMRR, широкий частотный диапазон и минимальный временной сдвиг между входами. 

Высоковольтные пробники используются для безопасного и точного захвата информации о сигнале в реальном времени из систем с «повышенным» или «плавающим» напряжением. Высоковольтные односторонние пробники позволяют пользователям выполнять измерения высокого напряжения с привязкой к земле, в то время как высоковольтные дифференциальные пробники измеряют сигналы, которые привязываются друг к другу, а не к земле. 

Выбор правильного пробника

Из-за широкого спектра приложений и потребностей в измерениях с помощью осциллографа на рынке также представлен широкий выбор осциллографических пробников. Это может запутать процесс выбора требуемого пробника.

Чтобы сузить процесс выбора, всегда следуйте рекомендациям производителя осциллографа относительно пробников. Это важно, поскольку разные осциллографы рассчитаны на разную полосу пропускания, время нарастания, чувствительность и входное сопротивление. Для полного использования возможностей измерения осциллографа требуется порбник, который соответствует конструктивным особенностям осциллографа.

Кроме того, процесс выбора пробника должен включать рассмотрение ваших потребностей в измерениях. Что вы пытаетесь измерить? Напряжения? Ток? Мощность ВЧ? Оптический сигнал?

Выбрав порбник, соответствующий вашему типу сигнала, вы сможете быстрее получить прямые результаты измерений. Также учитывайте амплитуды измеряемых сигналов. Находятся ли они в динамическом диапазоне вашего осциллографа? Если нет, вам нужно будет выбрать пробник, который может регулировать динамический диапазон. Как правило, это происходит за счет ослабления с помощью пробника 10X или выше.

Убедитесь, что полоса пропускания или время нарастания на кончике пробника превышает частоты сигнала или время нарастания, которые вы планируете измерить. Всегда помните, что несинусоидальные сигналы имеют важные частотные компоненты или гармоники, которые значительно превышают основную частоту сигнала. Например, чтобы полностью включить 5-ю гармонику прямоугольной волны 100 МГц, вам нужна измерительная система с полосой пропускания 500 МГц на кончике пробника. Аналогично, время нарастания вашей осциллографической системы должно быть в три-пять раз быстрее, чем время нарастания сигнала, которое вы планируете измерить.

И всегда учитывайте возможную нагрузку сигнала пробником. Ищите пробники с высоким сопротивлением и низкой ёмкостью. Пробник 10 МОм с ёмкостью 10 пФ или менее достаточно хорош для многих приложений, но для высокоскоростных цифровых схем вам может потребоваться перейти на более низкую ёмкость наконечника, предлагаемую активными пробниками.