А тепер згадаємо ще один найважливіший компонент вимірів, без яких осцилографи – ніщо. Частина 8

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

Завершена Вимірювальна Система

Пробники

Навіть найсучасніший прилад може бути настільки точним, наскільки точні дані, що вводяться в нього. У цьому контексті пробник функціонує разом із осцилографом як частина вимірювальної системи. Прецизійні виміри починаються з самого кінчика пробника. Правильні пробники, синхронізовані з осцилографом і пристроєм, що тестується (DUT), не тільки дозволяють подавати сигнал на осцилограф «чисто», але також посилюють і зберігають цей сигнал для максимальної його цілісності і, як кінцевий результат, досягнення точності вимірювань.

Пробники фактично стають частиною ланцюга, на якому здійснюються вимірювання, створюючи резистивне, ємнісне та індуктивне навантаження, яке неминуче впливає на результати тестів.

Для отримання найбільш точних результатів необхідно вибрати пробник із мінімальним навантаженням. Ідеальне з'єднання пробника з осцилографом мінімізує це навантаження і дозволить задіяти всю міць, функції та можливості вашого осцилографа.

Ще один найважливіший момент, який слід враховувати при підключенні до пристрою, що тестується, - це форм-фактор пробника. Пробники малого форм-фактора забезпечують більш легкий доступ до сучасних щільно упакованих схем (див. рис.40).

Нижче наводиться опис типів пробників. Рекомендується звернутися до підручника Tektronix «Абетка пробників» для отримання детальної інформації про цей важливий компонент загальної вимірювальної системи.

Пасивні пробники

При вимірах стандартних рівнів сигналу і напруги пасивні пробники забезпечують простоту використання і широкий діапазон вимірювальних можливостей за найдоступнішою ціною. Поєднання пасивного пробника напруги з пробником струму забезпечить ідеальне рішення для вимірювання потужностей сигналів.

Більшість пасивних пробників мають встановлений коефіцієнт загасання, як то 10X, 100X і т. д. За стандартними позначеннями, коефіцієнти загасання, наприклад, для пробника з 10-кратним згасанням, цифра 10 ставиться до фактора X. Навпаки, коефіцієнти збільшення, такі як ті а 10, позначаються через встановлену попереду символіку X (Х10).

Щоб забезпечити точне відновлення сигналу, що тестується, спробуйте вибрати пробник, який при поєднанні з осцилографом перевищує його (сигналу) частотну смугу в 5 разів.

Пробник із загасанням 10X (читається як «в десять разів») 10-кратно знижує навантаження на ланцюг, що тестується в порівнянні з пробником 1X і є відмінним пасивним пробником загального призначення. Навантаження схеми пробника стає більш помітним щодо джерел сигналів з вищою частотою і/або вищим імпедансом, тому обов'язково проаналізуйте ці взаємодії між сигналом і навантаженням пробника перед вибором цього самого пробника. Пробник із загасанням у 10 разів (10X) підвищує точність ваших вимірювань, але також знижує амплітуду сигналу на вході осцилографа у 10 разів.

Через ослаблення сигналу пробник із загасанням 10X ускладнює перегляд сигналів з міжпиковими значеннями менше 10 мілівольт. Пробник 1X нагадує пробник з атенюатором 10X, але у ньому відсутня схема ослаблення. Без цієї схеми в схему, що тестується, вноситься велика кількість перешкод.

Використовуйте пробник з атенюатором 10X як пробник загального призначення, але залиште пробник 1X доступним для вимірювання повільних сигналів з низькою амплітудою. Деякі пробники мають зручну функцію перемикання між 1X та 10X ослабленням на кінці пробника. Якщо ваш пробник має цю функцію, переконайтеся, що ви використовуєте правильне налаштування, перш ніж проводити вимірювання.

Багато осцилографів здатні визначати, чи ви використовуєте пробник 1X або 10X і відповідним чином коригувати показання на екрані. Однак з деякими осцилографами потрібно, щоб ви встановили тип використовуваного пробника або зчитували з релевантної позначки на 1X або 10X щодо показників вольт/справ.

Пробник із загасанням 10X працює через балансування своїх електричних властивостей з електричними властивостями осцилографа. Перед використанням пробника 10X вам необхідно налаштувати цей баланс щодо конкретного осцилографа. Це регулювання відоме як компенсація пробника і докладніше описано в розділі «Робота з осцилографом» цього посібника.

Пасивні пробники є відмінними рішеннями, що стосується пробників загального призначення. Однак такі пробники не можуть точно вимірювати сигнали з дуже коротким часом наростання фронту, при цьому здатні надмірно навантажувати чутливі схеми.

Неухильне збільшення тактової частоти сигналу та швидкості наростання фронту вимагають більш високошвидкісних пробників з меншим впливом власного навантаження. Високошвидкісні активні та диференціальні пробники забезпечують ідеальні рішення при вимірюваннях високошвидкісних та/або диференціальних сигналів.

Активні та Диференціальні Пробники

Збільшення швидкості передачі сигналів та використання сімейств логічних схем з низькою напругою ускладнюють отримання точних результатів вимірювань. Точність сигналу та завантаження пристрою є критичними проблемами. Універсальне рішення для вимірювань на цих високих швидкостях включає алгоритми та підходи, що відповідають можливостям високопродуктивних осцилографів (див. Рис. 42).

В активних та диференціальних пробниках використовуються спеціально розроблені інтегральні схеми для збереження сигналу під час доступу до осцилографа та його передачі, тим самим забезпечуючи цілісність сигналу. Для вимірювання сигналів зі швидким часом наростання фронту високошвидкісний активний або диференціальний пробник забезпечать більш точні результати.

Пробники TriMode – являють собою відносно новий тип, який забезпечує ту перевагу, що можна використовувати одну установку та отримувати три типи вимірювань без регулювання з'єднань наконечників пробника. Пробник TriMode може виконувати диференціальні, несиметричні та синфазні вимірювання за допомогою однієї і тієї ж конфігурації пробника.

Аксесуари до пробників

Багато сучасних осцилографів мають спеціальні автоматизовані функції, вбудовані в його вхідні роз'єми і роз'єми у відповідь у пробників. У разі наявності у пробників інтелектуальних інтерфейсів, у процесі їх підключення, осцилограф повідомляється про коефіцієнт ослаблення, який (коефіцієнт), у свою чергу, масштабує сітку дисплея осцилографа так, щоб ослаблення коригувало результуючі показання. Деякі інтерфейси пробників також розпізнають тип пробника – пасивний, активний чи струмовий. Інтерфейс може діяти як джерело постійного струму для пробників. Активні пробники мають власний підсилювач та буферну схему, яка потребує живлення постійного струму.

Також застосовуються заземлюючий провід та наконечники пробника для поліпшення цілісності сигналу при вимірюванні їх високошвидкісних аналогів. Адаптери заземлюючих проводів забезпечують гнучку відстань між наконечником пробника і з'єднаннями заземлювального проводу з ІУ, зберігаючи при цьому дуже короткі довжини проводів від наконечника пробника до ІУ.

Для отримання додаткової інформації про приладдя пробників див. Посібник з Tektronix «Абетка пробників».

Умови та рекомендації щодо оцінки продуктивності приладу

Як згадувалося раніше, осцилограф аналогічний камері, що фіксує зображення сигналів, які ми можемо спостерігати та інтерпретувати. Швидкість затвора, умови освітлення, діафрагма та рейтинг плівки ASA – все це впливає на здатність камери робити чітке та точне зображення.
Як і у випадку з базовими системами осцилографа, його продуктивність істотно впливає на здатність забезпечувати необхідну цілісність сигналу.
Навчання нових навичок часто передбачає поповнення свого словникового запасу. Ця ідея правильна на навчання тому, як користуватися осцилографом. У цьому розділі наведено деякі корисні терміни, пов'язані з вимірюваннями та характеристиками приладу. Терміни використовуються для опису критеріїв, необхідних для вибору правильного осцилографа під конкретні програми. Розуміння термінів допоможе оцінити та порівняти ваш осцилограф з іншими моделями.

Смуга пропуску

Смуга пропускання визначає фундаментальну здатність осцилографа вимірювати сигнал. У міру збільшення частоти сигналу здатність приладу точно відображати сигнал зменшується. У цій специфікації вказаний частотний діапазон, який може точно виміряти осцилограф.

Смуга пропускання осцилографа визначається як частота, на якій синусоїдальний вхідний сигнал послаблюється до 70,7% істинної амплітуди сигналу, відомої як точка -3 дБ, термін, що базується на логарифмічній шкалі (див. рис. 46).

Без відповідної лінії пропускання ваш осцилограф не зможе розпізнавати високочастотні зміни. Амплітуда буде спотворена. Краї зникнуть. Деталі будуть втрачені. Без адекватної смуги пропускання всі функції та «навороти» вашого осцилографа нічого не означають.

Смуга пропускання ≥ Найвища частота x 5
Компонент сигналу

Щоб визначити смугу пропускання осцилографа, необхідну для точного визначення амплітуди сигналу в конкретній програмі, застосовуйте «Правило 5 разів». Осцилограф, вибраний за допомогою «Правила 5 разів», дасть вам помилку у вимірах менше +/- 2%, що зазвичай достатньо для сучасних програм. Однак у міру збільшення швидкості сигналу це практичне правило може виявитися дещо застарілим. Тим не менш, завжди пам'ятайте, що більш висока смуга пропускання, з ймовірністю 100% забезпечить більш точне відтворення сигналу, що тестується (див. рис. 47).

Деякі осцилографи надають спосіб збільшення смуги пропускання з допомогою цифрової обробки сигналів (DSP). Фільтр довільної корекції DSP може використовуватися для покращення характеристики осцилографного каналу. Цей фільтр розширює смугу пропускання, вирівнює частотну характеристику каналу осцилографа, покращує лінійність фази та забезпечує краще узгодження між каналами. Це також зменшує час наростання та покращує перехідну характеристику у часовій області.

Час наростання фронту імпульсу

У цифровому світі критично важливі виміри часу зростання фронту імпульсу. Цей параметр найбільше точно характеризує продуктивність вашого приладу у випадках вимірювань цифрових сигналів, такі як імпульси та кроки. Осцилограф повинен бути здатним точно вимірювати цю характеристику, щоб якісно вловлювати деталі швидких переходів сигналів, що тестуються. У цифровому світі критично важливі виміри часу наростання. Цей параметр описує корисний частотний діапазон осцилографа. Щоб розрахувати здатність осцилографа тестувати час наростання фронту імпульсу стосовно конкретних сигналів, використовуйте наступне рівняння:

Х-ка осцилографа за часом наростання ≤ Найшвидший час наростання сигналу x 1÷5

Зверніть увагу, що ця основа для вибору осцилографа з х-кою тестування часу наростання аналогічна підставі для вибору смуги пропускання. Як і у випадку зі смугою пропускання, досягнення цього емпіричного правила не завжди можливе з урахуванням екстремальних швидкостей сучасних сигналів. Завжди пам'ятайте, що осцилограф, який має здатність тестувати сигнали з найменшим часом наростання, більш точно вловлюють критичні деталі швидких переходів цих сигналів.
У деяких програмах можна знати лише час наростання сигналу. Константа дозволяє зв'язати смугу пропускання та час наростання осцилографа за допомогою рівняння:

Смуга пропускання = K÷Rise Time

де К - значення від 0,35 до 0,45, залежно від форми кривої частотної характеристики осцилографа та часу наростання фронту імпульсу. Осцилографи зі смугою пропускання <1 ГГц зазвичай мають К = 0,35, тоді як у осцилографів зі смугою пропускання > 1 ГГц
К = від 0,40 до 0,45.

Деякі сімейства логічних аналізаторів генерують сигнали з дуже високим часом наростання значно вище, ніж їх аналоги, як це показано на рис. 49.

Частота дискретизації

Частота дискретизації – вказується у відліках за секунду (с/с) – означає, як часто цифровий осцилограф робить знімок або відлік сигналу, аналогічно кадрам на кінокамері. Чим швидше осцилограф робить вибірку (тобто чим вище частота дискретизації), тим вище роздільна здатність і деталізація відображуваної форми сигналу і тим менша ймовірність втрати важливої інформації або подій, як показано на рис. 50. Мінімальна частота дискретизації також може бути важливою, якщо вам необхідно дивитися на сигнали, що повільно змінюються, протягом більш тривалих періодів часу. Як правило, частота дискретизації, що відображається, змінюється разом зі змінами, внесеними в елемент керування горизонтальною шкалою, щоб підтримувати постійну кількість точок форми сигналу в відображуваного запису цього сигналу.

Для точного відновлення з використанням інтерполяції sin(x)/x ваш осцилограф повинен мати частоту дискретизації, щонайменше, у 2,5 рази перевищує найвищу частотну складову сигналу. При використанні лінійної інтерполяції частота дискретизації повинна бути принаймні в 10 разів більша, ніж найвища частотна складова сигналу.

Як ви розраховуєте потрібну частоту дискретизації? Цей метод залежить від типу вимірюваного сигналу і методу відновлення сигналу, використовуваного осцилографом.

Відповідно до теореми Найквіста, щоб точно відновити сигнал та уникнути накладання спектрів, сигнал має бути дискретизований щонайменше вдвічі. Ця теорема, однак, передбачає нескінченну довжину запису та безперервний сигнал. Оскільки жоден осцилограф не пропонує нескінченної довжини запису і, за визначенням, глітчі не є безперервними, вибірки з подвоєною швидкістю найвищої частотної складової зазвичай недостатньо швидкі, ніж високочастотна складова сигналу.

Насправді, точна реконструкція сигналу залежить як від частоти дискретизації, так і від методу інтерполяції, що використовується для заповнення проміжків між відліками. Деякі осцилографи дозволяють вибрати інтерполяцію sin (x) / x для вимірювання синусоїдальних сигналів, або лінійну інтерполяцію для прямокутних сигналів, імпульсів та інших типів сигналів.

Деякі системи вимірювання з частотою дискретизації до 20 Гвиб/с та смугою пропускання до 4 ГГц були оптимізовані для реєстрації дуже швидких, одноразових та перехідних подій за рахунок передискретизації до 5 разів, що перевищує ширину смуги пропускання.

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