Praktyczne aspekty wyboru i użytkowania sond oscyloskopowych

Użytkownicy zazwyczaj najpierw wybierają oscyloskop biorąc pod uwagę jego pasmo, szybkość próbkowania i liczbę kanałów, a dopiero później zastanawiają się nad sprzężeniem sygnału mierzonego. Wybór sondy odpowiedniej do konkretnej aplikacji oraz sposobu jej wykorzystania to niezbędne kroki pozwalające zapewnić niezawodne pomiary oscyloskopowe. W artykule omówimy kilka ważnych zagadnień, które należy rozważyć przed wyborem sondy oraz przedstawimy kilka porad pozwalających poprawić jakość sprzężenia sygnałów pomiarowych. Sonda pasywna czy aktywna Kupując oscyloskop niskiej lub średniej klasy zazwyczaj dostajemy w komplecie po jednej sondzie pasywnej o wysokiej impedancji na każdy kanał pomiarowy. W porównaniu z sondami aktywnymi sondy pasywne są tańsze i bardziej niezawodne. Zapewniają szeroki zakres dynamiczny i pasmo przekraczające 500 MHz przy podłączeniu do wysokoimpedancyjnego (1 MΩ) wejścia oscyloskopu. Rozważając dylemat czy lepiej zastosować sondę aktywną czy pasywną najlepiej przyjąć, że sondy pasywne są projektowane jako narzędzia uniwersalne przeznaczone do szerokiej gamy pomiarów. W przypadku prowadzenia pomiarów sygnałów o krótkich czasach narastania i opadania zawsze rekomendowane jest użycie sondy aktywnej o dostatecznie szerokim paśmie. Również do pomiaru sygnałów różnicowych i prądowych najlepiej nadaje się sonda aktywna różnicowa lub prądowa. Zastosowanie sondy specjalizowanej lub aktywnej pozwala uzyskać lepsze rezultaty tylko w konkretnych warunkach pracy przy jej właściwym zastosowaniu. Sonda asymetryczna, różnicowa czy multimode Oscyloskopy mierzą napięcie w odniesieniu do masy. Napięcie mierzone przez oscyloskop ze standardową sondą asymetryczną odzwierciedla różnicę potencjałów elektrycznych między punktem pomiarowym i masą. Jeśli interesuje nas różnica potencjałów pomiędzy różnymi elementami badanego obwodu układu, z których jeden lub więcej nie są podłączone do masy, wykonujemy pomiar za pomocą sondy różnicowej. Wzmacniacz znajdujący się w tego typu sondzie wzmacnia tylko różnicę potencjałów między dwoma punktami pomiarowymi, bez napięć podawanych równocześnie na oba. Sondy różnicowe są stosowane przez użytkowników oscyloskopów szerokopasmowych, jednak nie pozwalają łatwo mierzyć napięć asymetrycznych. W przypadku szybkich linii transmisyjnych istnieje często potrzeba posiadania sond oscyloskopowych umożliwiających pomiar napięć asymetrycznych i składowych sumacyjnych sygnałów różnicowych. Najnowsze sondy multi-mode, np. serii InfiniiMode z oferty firmy Keysight oferują kilka trybów pracy pozwalających na pomiar napięć asymetrycznych oraz składowych różnicowych i sumacyjnych w tym samym połączeniu (Rys. 1). Rys. 1. Różnicowe sondy oscyloskopowe InfiniiMode firmy Keysight udostępniają kilka trybów pracy pozwalających na pomiar napięć asymetrycznych oraz składowych różnicowych i sumacyjnych w tym samym połączeniu Szerokość pasma Szerokości pasma oscyloskopu i sondy są definiowane częstotliwościami przy których amplituda sygnału zmniejsza się o 3 dB. Większość oscyloskopów i sond o paśmie 1 GHz i mniejszym zazwyczaj charakteryzuje się odpowiedzią Gaussa, której odpowiada łagodne zbocze opadające, rozpoczynające się przy około 1/3 wartości częstotliwości 3-decybelowej. Oscyloskopy o paśmie powyżej 1 GHz zazwyczaj charakteryzują się odpowiedzią typu brickwall z maksymalnie płaską charakterystyką częstotliwościową i stromym zboczem w pobliżu punktu –3 dB. Dla przykładu, jeśli do sondy zostanie doprowadzony sygnał sinusoidalny o napięciu 1 VP-P i częstotliwości równej szerokości pasma sondy, napięcie na jej wyjściu wyniesie około 0,7 VP-P. Błąd pomiaru amplitudy sygnału sinusoidalnego w punkcie –3 dB wyniesie więc około 30%. Generalną zasadą jest wybór sondy (lub oscyloskopu) o paśmie szerszym przynajmniej 3x – 5x od największej częstotliwości występującej w badanym obwodzie. Dlatego też należy określić najszybsze zbocze narastające lub opadające występujące w badanym obwodzie, a następnie obliczyć na jego podstawie wymaganą szerokość pasma. W przypadku analizy sygnałów przesyłanych w określonym standardzie komunikacyjnym często czasy narastania/opadania można wziąć z jego specyfikacji. Po określeniu najszybszego zbocza narastającego/opadającego szerokość pasma można określić z następujących wzorów: pasmo Gaussa x tR=0,35, pasmo brickwall x tR=0,4, dla zboczy o czasie trwania definiowanym między punktami 10% i 90% amplitudy. Ponieważ akcesoria do sond zazwyczaj mają duży wpływ na całkowitą szerokość pasma, również je należy brać pod uwagę przy optymalizacji pasma sondy. Obciążenie sondy Gdy podłączamy sondę oscyloskopową do obwodu badanego, staje się ona jego częścią, wpływając na parametry i sposób funkcjonowania. Wprowadza dodatkową rezystancję, pojemność i indukcyjność. Najwięcej kłopotów sprawia tu dodatkowa pojemność, mająca negatywny wpływ na szerokość pasma, szybkość narastania/opadania zboczy i czas opóźnienia. Obciążenie pojemnościowe często wpływa też na kształt mierzonego przebiegu. Na poniższym rysunku przedstawiono schemat zastępczy obwodu badanego i uproszczony model elektryczny podłączonej do niego sondy. W idealnym przypadku Vin (napięcie na wejściu sondy) powinno być równe Vsource (napięciu na obwodzie przed podłączeniem do niego sondy). W rzeczywistości, po podłączeniu sondy do obwodu badanego jej impedancja wraz z impedancją tego obwodu wpływają na napięcie na wejściu sondy, tworząc dzielnik napięciowy. Jak widać z rysunku 2, rezystancja sondy dla składowej stałej jest składnikiem determinującym charakterystykę obciążenia, natomiast jej pojemność jest bez znaczenia, gdyż reaktancja pojemnościowa (Xc) jest nieskończona. Jednak wraz ze wzrostem częstotliwości reaktancja pojemnościowa maleje i staje się głównym źródłem obciążenia, pobierając coraz większą energię z badanego obwodu. Rys. 2. Po podłączeniu sondy do obwodu badanego, jej impedancja wraz z impedancją tego obwodu wpływają na napięcie na wejściu sondy W nowoczesnych sondach szerokopasmowych stosuje się cyfrowe techniki korekcji realizowane przez układ DSP, mające zapewnić płaski przebieg charakterystyki częstotliwościowej. Niemniej jednak charakterystyki obciążenia sondy są zdeterminowane fizycznie i wciąż wpływają na pracę obwodu badanego. Większość producentów podaje rezystancję i pojemność wejściową sondy, określające jej charakterystyki obciążenia. Filtr korekcyjny sondy oscyloskopowej może poprawić jej charakterystykę częstotliwościową powodując, że wykres na ekranie będzie płaski, jednak nawet z tą korekcją sonda wciąż stanowi obciążenie obwodu badanego wpływając na jego parametry. Nie da się obejść praw fizyki. Szum sondy Wielu użytkowników zastanawia się nad wpływem szumu własnego sondy i oscyloskopu na wyniki pomiarów. Istnieje wiele czynników wpływających na współczynnik szumów pomiaru. Jednym z najważniejszych jest stosunek sygnał/szum. Typowo, im mniejszy współczynnik tłumienia sondy tym większy stosunek sygnał/szum i mniejsze szumy wprowadzane przez sondę, lecz równocześnie tym mniejsza rezystancja wejściowa, węższy zakres dynamiczny i węższy zakres składowej sumacyjnej. Łatwym sposobem oceny szumu wprowadzanego przez sondę jest sprawdzenie jej współczynnika tłumienia i napięcia szumu, podawanych w karcie katalogowej lub podręczniku użytkownika. Zazwyczaj producenci sond oscyloskopowych specyfikują ich parametry szumowe podając wartość ein (equivalent input noise). Niektórzy podają napięcie “mV rms” ekwiwalentnego szumu wejściowego, a inni widmową gęstość szumu “nV/sqrt(Hz)”. Wartości te można wzajemnie przeliczać znając pasmo sondy, zgodnie z zależnością: widmowa gęstość szumu=ein/sqrt(szerokość pasma). Obie określają charakterystykę szumów w odniesieniu do wejścia sondy, która może jednak odbiegać od tego, co widać na ekranie oscyloskopu. Dobrą praktyką jest charakteryzowanie szumu odniesienia wprowadzanego przez system pomiarowy składający się z sondy i oscyloskopu w celu weryfikacji, czy posiadane narzędzia są odpowiednie dla danego zadania. Należy w tym celu ustawić takie parametry (V/div, podstawa czasu), przy jakich będzie wykonywany pomiar, podłączyć wszystkie używane akcesoria, zewrzeć wejście i zmierzyć szum odniesienia (Rys. 3). Jeśli jest on większy od wymaganej wartości podłogi szumowej dla danego zadania, może warto poszukać innego rozwiązania pomiarowego spełniającego przyjęte założenia. Rys. 3. Dobrą praktyką jest charakteryzowanie szumu odniesienia generowanego przez system pomiarowy składający się z sondy i oscyloskopu Akcesoria do sond pomiarowych System pomiarowy jest tylko tak dobry, jak jego najsłabsze ogniwo. Pasmo oscyloskopu i sondy jest parametrem kluczowym, lecz w skład systemu wchodzi więcej elementów. W rzeczywistości oscyloskop często nie jest najsłabszym elementem. System pomiarowy zawiera również sondy, kable, złącza i podstawki pomiarowe. Każdy z tych elementów może niekiedy bardziej zawężać pasmo niż sam oscyloskop. Kable i złącza cechują się zazwyczaj bardzo małymi stratami, natomiast sondy pomiarowe i ich akcesoria już niekoniecznie. Jeśli zobaczysz szerokopasmową sondę oscyloskopową, której elektrody wejściowe są zauważalnie dłuższe od elektrod w innych typach sond, możesz ją podejrzewać o kiepską odpowiedź częstotliwościową i degradację sygnału. Generalnie im dłuższe elektrody na końcówce sondy, tym bardziej ograniczają one pasmo, zwiększają obciążenie obwodu badanego, zniekształcają charakterystykę częstotliwościową i czynią ją mniej przewidywalną. Przy częstotliwościach powyżej 1 GHz efekt wprowadzany przez końcówkę sondy wpływa w coraz większym stopniu na parametry całego systemu pomiarowego. Należy stosować sondę z jak najkrótszymi elektrodami wejściowymi na końcówce, a w przypadku sond asymetrycznych należy zmniejszyć do minimum indukcyjność połączenia z masą stosując możliwie krótki kabel o dużej średnicy. Korekcja charakterystyki częstotliwościowej sondy W szerokopasmowych sondach aktywnych często stosuje się korekcję charakterystyki częstotliwościowej. Często stosuje się korekcję DC umożliwiającą regulowanie wzmocnienia i offsetu sondy w szerokiej gamie sond aktywnych i pasywnych. W miarę, jak częstotliwości pracy oscyloskopów sięgają już wielu GHz, korekcja DC jest niewystarczająca. Korekcja AC obejmuje metody pozwalające kształtować charakterystykę częstotliwościową sondy tak, aby była ona jak najbardziej zbliżona do charakterystyki sondy idealnej, a więc płaska w zakresie do częstotliwości, przy której wzmocnienie zmniejsza się o 3 dB. Podczas projektowania sond i ich akcesoriów oraz oscyloskopów producent wykonuje precyzyjne pomiary parametrów macierzy rozproszenia poszczególnych komponentów, uśrednia ich charakterystyki i tworzy filtr korekcyjny. Taka forma korekcji pozwala znacznie zwiększyć dokładność pomiaru bez jakichkolwiek niewygód dla użytkownika oscyloskopu. Jednak należy pamiętać o jednej rzeczy. Metody korekcji działają właściwie tylko dla standardowej konfiguracji sondy i końcówki, oferowanej przez producenta. Niektórzy użytkownicy oscyloskopów konstruują własne końcówki testowe lub używają oryginalnych w sposób nieprzewidziany przez producenta. Może to drastycznie zmienić zachowanie sondy i uniemożliwić właściwe skorygowanie jej charakterystyki przy pomocy rozwiązań fabrycznych. Rys. 4. Zaawansowana metoda korekcji AC pozwala uzyskać płaską charakterystykę częstotliwościową sondy w jej całym paśmie pracy Dzięki ciągłemu postępowi technologicznemu dostępne obecnie na rynku systemy sond oferują znakomite parametry oraz występują w dużej liczbie wariantów. Jeśli sama sonda nie jest w stanie zapewnić dobrej integralności sygnału z obwodu badanego, wówczas cały kosztowny sprzęt pomiarowy umieszczony za nią niewiele już pomoże. Autorem artykułu jest © Jae-yong Chang, Keysight Technologies, Inc. Artykuł uzyskany dzięki przedsiębiorstwu AM Technologies