Осцилографи та аналізатори спектру як приклад продуктивної "співпраці"

Магазин Gtest(R) пропонує широку номенклатуру осцилографів на сторінці сайту в самому кінці цього Розділу, а також рекомендовані прилади та статті для самоосвіти

Посібник з ефективного вибору датчиків для вимірювання цілісності параметрів потужності за наявності малих шумів 

Щоб зрозуміти, як досягти найбільш точних вимірювань з низьким рівнем шуму, ми порівняємо шумові характеристики кількох пробників, використовуючи осцилограф серії Rohde & Schwarz (R&S) MXO 5.

Пробники Picotest P2105A і P2104A при використанні з пробником шини живлення Rohde & Schwarz ZPR20 забезпечують кращу комбінацію для вимірювань з низьким рівнем шуму при комбінації з MXO 5. Ці несиметричні пробники-браузери з опором 50 Ом осцилографа до пристрою, що тестується (DUT).

При реєстрації сигналу та виконанні малошумливих вимірювань ми традиційно враховуємо лише характеристики осцилографа, включаючи смугу пропускання та динамічний діапазон. Легко забути про важливість вивчення сигнального ланцюга між осцилографом і пристроєм, що тестується. Осцилограф з широкою смугою пропускання не є корисним, якщо ваш варіант з підключенням пробника не має динамічного діапазону або досить низьких шумових характеристик, необхідних для сучасних вимірювань цілісності параметрів електроживлення.

Оскільки вимоги до відповідності напрузі стандартам стають дедалі жорсткішими, розуміння шумового впливу вашого рішення по виюору пробників має вирішальне значення проведення якісних вимірів пульсацій напруги. Це важливо в точці завантаження або будь-де вашої системи при оцінці продуктивності або перевірці відповідності специфікаціям.

У Signal Edge Solutions ми дуже серйозно ставимося до вимірювань цілісності параметрів електроживлення. Отже, ми хотіли вивчити вплив шуму під час вимірювання, використовуючи різні пробники браузера, підключені до осцилографа серії MXO 5 компанії Rohde & Schwarz. Цей осцилограф має безліч інноваційних функцій та можливостей, а також опцію смуги пропускання 2 ГГц.

Наша тестова конфігурація

На рис. 1 показана плата з функціями генерування оцінок TPS7H4003 від Texas Instruments, яка буде служити пристроєм, що тестується в наших експериментах. TPS7H4003 - радіаційно-стійкий понижувальний перетворювач, розрахований на вихідну напругу 1 В. Усі вимірювання будуть виконуватися з використанням входу 5 В та навантаження 2 А.

Мал. 1. Модуль оцінки EVM Texas Instruments TPS7H4003. Зображення використано з роздільної здатності TI.

На малюнку 2 зображено нашу вимірювальну установку з використанням моделі осцилографа MX058. У ході наших експериментів змінювався лише зондуючий розчин. Для осцилографа MXO58 налаштована смуга пропускання 350 МГц, а кінцеве навантаження пробника налаштовується відповідним чином для кожного аналізованого пробника.

Малюнок 2. Схема вимірювання пульсацій напруги, у якій замінюється лише датчик.

Ми порівняли два пробники R&S і два аналогічні рішення від Picotest:

1. Пробник R&S RT-ZP11 10X

2. Пробник шини живлення R&S ZPR20 1X

3. Датчик Picotest P2104A-1X

4. Датчик Picotest P2105A-1X

Як показано на малюнку 3, ми також провели додатковий експеримент, використовуючи припаяний коаксіальний кабель, підключений до плати разом з пробником шини живлення R&S ZPR20. Усі датчики розміщуються в одній і тій самій точці вимірювання - незадіяному ділянці установки конденсатора (C23).

Малюнок 3. П'ять різних конфігурацій зондів нашого експерименту.

Тестування пробника R&S RT-ZP11 10X

На малюнку 4 зображено характеристику напруги на виході TPS7H4003 для пробника RT-ZP11. Зеленим прямокутником виділено курсорні вимірювання, які фіксують розмах напруги сигналу.

Мал. 4. Вимірювання пульсацій напруги за допомогою пробника R&S RT-ZP11.

Примітка про пробники з 10-кратним послабленням

Важливо, що високий імпеданс зонда (10 МОм) RT-ZP11 суттєво обмежує динамічний діапазон вимірювальної установки. Як показано на малюнку 4, вертикальний діапазон встановлений на абсолютний максимальний діапазон, доступний MXO58. Це пов'язано з тим, що RT-ZP11 являє собою датчик з 10-кратним збільшенням, який послаблює цікавий для нас сигнал в 10 разів.

Це означає, що наш SNR також ділиться на 10.

Чому це важливо? При проведенні вимірювань за допомогою осцилографа дуже важливо використовувати весь динамічний діапазон осцилографа для досягнення точних вимірів. Це досягається шляхом забезпечення того, щоб сигнал на екрані займав щонайменше 3/4 вертикального діапазону. Іншими словами, ми максимізуємо сигнал, що вловлюється на екрані, що гарантує максимальну оптимізацію динамічного діапазону осцилографа.

Це означає, що за допомогою пробника 10X ми щойно обмежили динамічний діапазон нашої вимірювальної установки. Коротше кажучи, пробник 10X ніколи не слід використовувати для вимірювання слабких сигналів. Ці пробники призначені для захисту входів осцилографа від набагато вищої напруги. Однак інженери, як і раніше, використовують датчики 10X для вимірювання малих сигналів, при неминуче обмежується точність вимірювань.

Це означає, що через імпеданс пробника RT-ZP11 10 МОм відношення сигнал/шум обмежено, що обмежує максимальний рівень сигналу до рівня MXO 5 і не дозволяє вимірюванням повною мірою задіяти переваги динамічного діапазону осцилографа.

Тестування пробника шини живлення R&S ZPR20 1X

На рис. 5 показані результати того ж виміру з використанням пробника ZPR20 1X. Розмах пульсацій шуму зменшено з 19,50 до 12,43 мВ. 

Мал. 5. Вимірювання пульсацій напруги за допомогою пробника шини живлення R&S ZPR20.

Тестування зонда Picotest P2104A-1X

Повторення нашого тесту з використанням пробника Picotest P2014A-1X дозволило отримати форму вихідного сигналу, показану на малюнку 6. Це забезпечує ще нижчий розмах пульсацій напруги, що становить лише 10,40 мВ.

Малюнок 6. Вимірювання пульсацій напруги за допомогою пробника Picotest P2104A.

Тестування зонда Picotest P2105A-1X

Picotest P2105A – єдиний браузерний пробник із ще меншою індуктивністю та навантаженням на пробник, ніж модель P2104A. Однак Picotest P2105A доступний лише з ослабленням 1X. Тому, коли ваша напруга перевищує 5 В (середньоквадратичне значення), P2015A необхідно комбінувати з блоком живлення постійного струму Picotest Port Saver, наприклад P2131A, для захисту входів осцилографа MXO 5. Зонд Picotest 32 мВ, як показано на малюнку 7.

Малюнок 7. Вимірювання пульсацій напруги за допомогою пробника Picotest P2105A. 

Після початкового аналізу варіант із датчиком Picotest P21045-1X забезпечує рішення для вимірювання з найнижчим рівнем шуму за допомогою пробників MXO 5. 

Тестування за допомогою пробника Picotest P2104A-1X та пробника R&S RPZ20.

Як додаткова область досліджень ми хотіли об'єднати пробник P2104A-1X з пробником шини живлення R&S RPZ20, щоб оцінити результати цього вимірювального рішення. Ця вимірювальна установка представлена малюнку 8.

Мал. 8. Тестова установка з використанням R&S ZPR20 із пробником Picotest P2104A.

Ця комбінація датчиків дала трохи кращі результати, ніж один P2104A: 10,08 мВ проти 10,40 мВ, як показано на малюнку 9. Ми могли б спробувати аналогічну установку, що поєднує P2105A з ZPR20, але на момент завершення роботи вони ще недоступні. 

Мал. 9. Вимірювання пульсацій напруги за допомогою R&S ZPR20 із пробником Picotext P2104A.

Тестування з використанням паяного коаксіального кабелю та R&S RPZ20

Незважаючи на те, що цей посібник присвячений пробникам серії MXO 5, ми все одно хочемо задіяти всі наші ресурси і провести останню оцінку, щоб вивчити шумові характеристики паяного коаксіального кабелю в поєднанні з пробником шини R&S ZPR20. Ця установка показана на малюнку 10 нижче, а збільшений вид паяного рішення COAX показаний на малюнку 3.

Напруга пульсації від піку до піку даної схеми становило 11,40 мВ (рис. 11). Хоча пайове рішення зазвичай забезпечує більш високу продуктивність, важливо пам'ятати, що воно не забезпечує повторюваності як браузерний пробник. Перевага використання пробних пробників з низькою індуктивністю, таких як P2104A або P2105A, полягає в тому, що вони забезпечують низьку повторюваність шуму при вимірюваннях.

Мал. 11. Вимірювання пульсацій напруги за допомогою пробника R&S ZPR20 з припаяним коаксіалом

Порівняння результатів випробувань зондів

Як показано в Таблиці 1, найкращим рішенням для зондування є пробник Picotest P2105A. P2105A забезпечив рішення із найнижчим рівнем шуму з усіх, що ми оцінювали на даний момент. Такий низький рівень шуму обумовлений вищим екрануванням кабелю Picotest PDN і дуже низьким навантаженням на датчик, що створюється пробником датчиком P2105A.

Таблица 1. Сводка результатов измерения пульсаций напряжения

Як було продемонстровано, рішення для зондування має високе значення для досягнення рішення для вимірювання з низьким рівнем шуму. Навіть відмінний пасивний пробник лінії передачі може перевершити висококласний активний пробник.

P2105A також можна комбінувати з ZPR20, щоб отримати ще краще рішення з низьким рівнем шуму, але це виходить за межі цієї статті.

При тестуванні важливо чітко розуміти свою мету

Коли ви тестуєте, ви хочете отримати найкращі результати. Як показали випробування, Picotest P2105A та P2104A-1X пропонують дуже точний та надійний метод вимірювання сигналів з низьким рівнем шуму. Наші результати показали, що цей пробник з браузером є навіть кращим рішенням з меншим рівнем шуму, ніж рішення з паяним коаксіальним кабелем, і, очевидно, його набагато простіше використовувати.

Датчики P2105A і P2104A у поєднанні з рішенням Rohde & Schwarz ZPR20 Power Rail забезпечують найкраще рішення для вимірювання з низьким рівнем шуму для MXO 5. Перевага використання ZPR20 з цими датчиками Picotest полягає в тому, що інженери тепер можуть скористатися перевагами високоточного вольтметра. , вбудованих в ZPR20. Крім того, ZPR20 має компенсацію зміщення +/-60 В. Поєднання цього з пробником на 50 Ом, таким як P2104A-1X або P2105A, забезпечує найвище співвідношення сигнал/шум (SNR) та динамічний діапазон.

Коротше кажучи, це також означає, що якщо на одному і тому ж пристрої, що тестується одночасно виконується більше одного вимірювання, існує контур заземлення, і до вашої вимірювальної установки слід додати коаксіальний трансформатор (J2102B).

Якщо у вас є питання про пробники для будь-якого осцилографа, зв'яжіться з нами на нашому веб-сайті або електронною поштою info@signaledgesolutions.com.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник Аналізаторів Спектру в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelne-pribory/analizatory-radiochastotnoho-spektra 

Магазин Gtest® - авторизований постачальник осцилографів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy 

Постачання зі складу та на замовлення GW Instek, RIGOL, SIGLENT, OWON, Tektronix, Iwatsu, LeCroy, HANTEK