Тема багаторазово освітлена і стара як світ

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

Результати вимірювання сигналу можуть бути настільки точними, наскільки точні інструменти тестування і вимірювання, що використовуються. У міру збільшення тактової частоти та швидкості фронту сучасних електронних схем зондування стає найважливішою частиною вимірювальної системи – компонентом, який безпосередньо контактує із вашою схемою. У цій статті розглядаються міркування щодо застосування пробників напруги для програм налагодження вбудованих систем та цифрових проектів.

Підключення пробника до схеми може вплинути на роботу схеми, а осцилограф може відображати та вимірювати тільки сигнал, який пробник подає на вхід осцилографа. Таким чином, вкрай важливо, щоб пробник мінімально впливав на досліджувану схему і підтримував адекватну точність сигналу для бажаних вимірювань.

Якщо пробник не підтримує точність сигналу, якщо він будь-яким чином змінює сигнал або змінює спосіб роботи схеми, осцилограф бачить спотворену версію фактичного сигналу. Результатом можуть бути неправильні або вводять в оману вимірювання. По суті, пробник є першою ланкою в ланцюжку вимірів осцилографа. Сила вимірювального ланцюга залежить як від пробника, і від осцилографа. Послабте цю першу ланку невідповідним пробником або поганими методами зондування, і весь ланцюг буде ослаблений.

Ідеальний пробник повинен мати наступні ключові характеристики:

• Простота та зручність підключення
• Абсолютна точність сигналу
• Нульове завантаження джерела сигналу
• Повна завадостійкість

Підключення до фізичної контрольної точки має бути можливим з легкістю та зручністю. Для мініатюрних схем, таких як технологія поверхневого монтажу високої щільності (SMT), простота та зручність підключення забезпечуються за рахунок використання надмініатюрних головок пробника та його різних адаптерів наконечників, розроблених для пристроїв SMT.

Абсолютна точність сигналу

Ідеальний пробник повинен передавати будь-який сигнал від наконечника до входу осцилографа з абсолютною точністю сигналу. Іншими словами, сигнал, як він виникає на цьому наконечнику, має бути точно продубльований на вході осцилографа. Для абсолютної точності схема пробника від наконечника до входу осцилографа повинна мати нульове згасання, нескінченну смугу пропускання та лінійну фазу на всіх частотах. Насправді такі ідеальні вимоги недосяжні. На щастя, для реальних сигналів в сучасних системах, що вбудовуються, немає необхідності в пробнику з нескінченною смугою пропускання. Паралельні інтерфейси між чіпами, популярні послідовні комунікаційні шини, такі як I2C або SPI, сигнали перемикання живлення, виходи сенсорів тощо, як правило, можна адекватно переглядати за допомогою осцилографа + смуги пропускання пробника до 1 ГГц.

Вимірювання високошвидкісних сигналів, таких як PCIe, SATA, HDMI і т. д., це інше питання, і він виходить за рамки цієї статті.

Проте, у межах заданої лінії пропускання роботи абсолютна точність сигналу — це ідеал, якого слід прагнути.

Завантаження джерела нульового сигналу

Схему за контрольною точкою можна як джерело сигналу чи моделювати як такий. Будь-який зовнішній пристрій, наприклад, пробник, підключений до контрольної точки, виглядатиме як додаткове навантаження на джерело сигналу за контрольною точкою, яка споживає струм сигналу зі схеми (джерела сигналу). Це навантаження змінює роботу схеми контрольної точки і, таким чином, змінює сигнал, видимий у цій контрольній точці.

Ідеальний пробник викликає нульове навантаження джерела сигналу. Іншими словами, він не споживає жодного струму сигналу із джерела сигналу. Це означає, що для нульового споживання струму, пробник повинен мати нескінченний опір, по суті представляючи розімкнутий ланцюг до контрольної точки.

Насправді пробник з нульовим навантаженням джерела сигналу визначення може бути отриманий. Це пов'язано з тим, що пробник повинен споживати деяку кількість струму сигналу, щоб створити напругу сигналу на вході осцилографа. Отже, під час використання пробника слід очікувати деяке навантаження джерела сигналу. Однак метою завжди має бути мінімізація величини навантаження шляхом вибору найбільш відповідного пробника.

Повна завадостійкість

Компактні люмінесцентні лампи (CFL), двигуни вентиляторів, імпульсні джерела живлення (SMPS) та драйвери підсвічування дисплея є прикладами багатьох джерел електричного шуму в нашому середовищі. Ці джерела можуть наводити свій шум на довколишні електричні кабелі та схеми, внаслідок чого шум додається до сигналів. Через сприйнятливість до шуму простий шматок дроту не є ідеальним вибором для пробника осцилографа.

Ідеальний пробник осцилографа повністю несприйнятливий до всіх джерел шуму. В результаті сигнал, який подається на осцилограф, не має більше шуму, ніж той, який з'явився на сигналі контрольної точки.

На практиці використання екранування дозволяє пробникам досягати високого рівня стійкості до перешкод для більшості поширених рівнів сигналу. Однак шум все ще може бути проблемою для певних сигналів низького рівня. Зокрема, синфазний шум може бути проблемою для диференціальних вимірювань.

Реалії пробників

Декілька реалій заважають практичним пробникам досягти ідеалу. Щоб зрозуміти, як це може вплинути на вимірювання осцилографа, нам потрібно глибше вивчити реалії цих пристроїв. По-перше, важливо усвідомити, що пробник, навіть якщо це просто шматок дроту, потенційно є дуже складним ланцюгом.

Для сигналів постійного струму (частота 0 Гц) пробник має вигляд простої пари провідників з деяким послідовним опором і кінцевим опором. Однак для сигналів змінного струму картина різко змінюється із збільшенням частоти сигналу. Картина змінюється для сигналів змінного струму, тому що будь-який шмат проводу має розподілену індуктивність (L), а будь-яка пара проводів має розподілену ємність (C). Розподілена індуктивність реагує на сигнали змінного струму, дедалі більше перешкоджаючи перебігу змінного струму зі збільшенням частоти сигналу. Розподілена ємність реагує на сигнали змінного струму, зменшуючи імпеданс для протікання змінного струму зі збільшенням частоти сигналу. Взаємодія цих реактивних елементів (L і C), а також резистивних елементів (R) створює загальний імпеданс пробника, який змінюється з частотою сигналу. Завдяки гарному дизайну пробника елементи R, L та C можуть керуватися для забезпечення бажаних ступенів точності сигналу, загасання та навантаження джерела у вказаних діапазонах частот. Навіть за хорошого дизайну пробники обмежені природою своєї схеми. Важливо знати про ці обмеження та їх ефекти при виборі та використанні пробників.

Обмеження по смузі пропускання та часу наростання

Смуга пропускання - це діапазон частот, для якого призначений осцилограф або пробник. Наприклад, пробник або осцилограф 100 МГц призначені щодо вимірювань у межах специфікації на всіх частотах до 100 МГц. Небажані або непередбачувані результати вимірювання можуть виникати на частотах сигналу вище зазначеної смуги пропускання.

Як правило, для точних вимірювань амплітуди смуга пропускання осцилографа + пробника повинна бути в п'ять разів більша за частоту вимірюваного сигналу. Це «правило п'ятикратного перевищення» забезпечує достатню смугу пропускання високочастотних компонентів несинусоїдальних сигналів, таких як прямокутні хвилі.

Аналогічно, осцилограф повинен мати достатньо часу наростання для вимірюваних сигналів. Час наростання осцилографа або пробника визначається як час наростання, яке було б виміряно, якби було застосовано ідеальний імпульс з миттєвим наростанням. Для розумної точності вимірювання характеристик часу наростання або спаду імпульсу параметр часу наростання пробника і осцилографа разом повинен бути в три-п'ять разів швидше, ніж час вимірюваного імпульсу.

У випадках, коли час наростання не вказано, ви можете вивести час наростання (Tr) зі специфікації смуги пропускання за допомогою наступного співвідношення: Tr = k/смуга пропускання, де k дорівнює 0,35 для осцилографів зі смугою пропускання до 1 ГГц та 0, 4 або вище для осцилографів більше 1 ГГц.

Кожен осцилограф має певні межі смуги пропускання та часу наростання. Аналогічно, кожен пробник має свій власний набір обмежень смуги пропускання і часу наростання. І коли пробник підключено до осцилографа, ви отримуєте новий набір характеристик смуги пропускання цієї дуалістичної системи та її часу наростання.

На жаль, зв'язок між смугою пропускання системи та смугами пропускання окремого осцилографа та пробника не є простим. Те саме стосується і часу наростання. Щоб впоратися з цим, виробники якісних осцилографів вказують смугу пропускання або час наростання для пробника наконечника тільки коли осцилограф використовується з певними моделями пробників. Це важливо, оскільки осцилограф і пробник, підкреслимо це разом утворюють вимірювальну систему, і саме смуга пропускання і час наростання цієї системи визначають її вимірювальні можливості. Якщо ви використовуєте пробник, який не входить до списку пробників для тієї чи іншої моделі осцилографа, ви ризикуєте отримати непередбачувані результати вимірювань.

Поширені типи пробників (сенсорів) напруги:

Пасивні пробники є найпоширенішим типом пробників загального призначення. Розроблені для забезпечення довговічності та економічності пасивні пробники напруги забезпечують смугу пропускання близько 500 МГц, широкий динамічний діапазон і великий вхідний опір паралельно з ємнісним навантаженням 10–15 пФ.

Найновіші пасивні пробники напруги з високою пропускною здатністю забезпечують смугу пропускання до 1 ГГц з ємнісним навантаженням менше 4 пФ. Надзвичайно низьке ємнісне навантаження знижує несприятливий вплив на схеми і більш терпиме до більш довгих заземлюючих проводів. А завдяки широкій смузі пропускання пробника ви можете бачити високочастотні компоненти у сигналі, що має вирішальне значення для високошвидкісних додатків.

Активні однотактні (FET) пробники забезпечують широку смугу захоплення сигналу і гарантують зниження навантаження на пристрій, що тестується. Активний пробник є найкращим вибором, коли ваш додаток включає високоімпедансні, високочастотні елементи схеми, які вимагають мінімального навантаження. Можливість усунення постійного струму дозволяє використовувати повний динамічний діапазон пробника при вимірюванні сигналів змінного струму в присутності напруг зміщення постійного струму.

Диференціальні пробники дозволяють осцилографу відображати додаткову (диференціальну) пару сигналів з використанням одного каналу. У той час, як узгоджена пара односторонніх пробників може використовуватися для виконання диференціального вимірювання, справжній диференціальний пробник зазвичай забезпечує більш високу продуктивність, забезпечуючи високий CMRR, широкий частотний діапазон і мінімальний часовий зсув між входами. 

Високовольтні пробники використовуються для безпечного та точного захоплення інформації про сигнал у реальному часі із систем з «підвищеною» або «плаваючою» напругою. Високовольтні односторонні пробники дозволяють користувачам виконувати вимірювання високої напруги з прив'язкою до землі, тоді як високовольтні диференціальні пробники вимірюють сигнали, які прив'язуються один до одного, а не землі.

Вибір правильного пробника

Через широкий спектр додатків та потреб у вимірах за допомогою осцилографа на ринку також представлений широкий вибір осцилографічних пробників. Це може заплутати процес вибору пробника.

Щоб звузити процес вибору, завжди дотримуйтесь рекомендацій виробника осцилографа щодо пробників. Это важно, поскольку різні осцилографи розраховані на різну смугу пропускання, час наростання, чутливість та вхідний опір. Для повного використання можливостей вимірювання осцилографа потрібен порбник, який відповідає конструктивним особливостям осцилографа.

Крім того, процес вибору пробника повинен включати розгляд ваших потреб у вимірах. Що ви намагаєтеся виміряти? Напруження? Струм? Потужність ВЧ? Оптичний сигнал?

Вибравши порбник, що відповідає вашому типу сигналу, ви зможете швидше отримати прямі результати вимірів. Також враховуйте амплітуди вимірюваних сигналів. Чи є вони в динамічному діапазоні вашого осцилографа? Якщо ні, вам потрібно вибрати пробник, який може регулювати динамічний діапазон. Як правило, це відбувається за рахунок ослаблення за допомогою пробника 10X або вище.

Переконайтеся, що смуга пропускання або час наростання на кінчику пробника перевищує частоту сигналу або час наростання, які ви плануєте виміряти. Завжди пам'ятайте, що несинусоїдні сигнали мають важливі частотні компоненти або гармоніки, які значно перевищують основну частоту сигналу. Наприклад, щоб повністю увімкнути 5-ю гармоніку прямокутної хвилі 100 МГц, вам потрібна вимірювальна система зі смугою пропускання 500 МГц на кінчику пробника. Аналогічно, час наростання вашої осцилографічної системи має бути в три-п'ять разів швидше, ніж час наростання сигналу, який ви плануєте виміряти.

І завжди враховуйте можливе навантаження сигналу пробником. Шукайте пробники з високим опором та низькою ємністю. Пробник 10 МОм з ємністю 10 пФ або менш досить хороший для багатьох додатків, але для високошвидкісних цифрових схем вам може знадобитися перейти на нижчу ємність наконечника, що пропонується активними пробниками.

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