reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© AM Technologies Technologie | 29 listopada 2016

Praktyczne aspekty wyboru i u偶ytkowania sond oscyloskopowych

Rozwa偶aj膮c zakup oprzyrz膮dowania do pomiar贸w oscyloskopowych cz臋sto zastanawiamy si臋 nad wyborem sond pomiarowych dopiero na samym ko艅cu.
U偶ytkownicy zazwyczaj najpierw wybieraj膮 oscyloskop bior膮c pod uwag臋 jego pasmo, szybko艣膰 pr贸bkowania i liczb臋 kana艂贸w, a dopiero p贸藕niej zastanawiaj膮 si臋 nad sprz臋偶eniem sygna艂u mierzonego. Wyb贸r sondy odpowiedniej do konkretnej aplikacji oraz sposobu jej wykorzystania to niezb臋dne kroki pozwalaj膮ce zapewni膰 niezawodne pomiary oscyloskopowe. W artykule om贸wimy kilka wa偶nych zagadnie艅, kt贸re nale偶y rozwa偶y膰 przed wyborem sondy oraz przedstawimy kilka porad pozwalaj膮cych poprawi膰 jako艣膰 sprz臋偶enia sygna艂贸w pomiarowych. Sonda pasywna czy aktywna Kupuj膮c oscyloskop niskiej lub 艣redniej klasy zazwyczaj dostajemy w komplecie po jednej sondzie pasywnej o wysokiej impedancji na ka偶dy kana艂 pomiarowy. W por贸wnaniu z sondami aktywnymi sondy pasywne s膮 ta艅sze i bardziej niezawodne. Zapewniaj膮 szeroki zakres dynamiczny i pasmo przekraczaj膮ce 500 MHz przy pod艂膮czeniu do wysokoimpedancyjnego (1 M惟) wej艣cia oscyloskopu. Rozwa偶aj膮c dylemat czy lepiej zastosowa膰 sond臋 aktywn膮 czy pasywn膮 najlepiej przyj膮膰, 偶e sondy pasywne s膮 projektowane jako narz臋dzia uniwersalne przeznaczone do szerokiej gamy pomiar贸w. W przypadku prowadzenia pomiar贸w sygna艂贸w o kr贸tkich czasach narastania i opadania zawsze rekomendowane jest u偶ycie sondy aktywnej o dostatecznie szerokim pa艣mie. R贸wnie偶 do pomiaru sygna艂贸w r贸偶nicowych i pr膮dowych najlepiej nadaje si臋 sonda aktywna r贸偶nicowa lub pr膮dowa. Zastosowanie sondy specjalizowanej lub aktywnej pozwala uzyska膰 lepsze rezultaty tylko w konkretnych warunkach pracy przy jej w艂a艣ciwym zastosowaniu. Sonda asymetryczna, r贸偶nicowa czy multimode Oscyloskopy mierz膮 napi臋cie w odniesieniu do masy. Napi臋cie mierzone przez oscyloskop ze standardow膮 sond膮 asymetryczn膮 odzwierciedla r贸偶nic臋 potencja艂贸w elektrycznych mi臋dzy punktem pomiarowym i mas膮. Je艣li interesuje nas r贸偶nica potencja艂贸w pomi臋dzy r贸偶nymi elementami badanego obwodu uk艂adu, z kt贸rych jeden lub wi臋cej nie s膮 pod艂膮czone do masy, wykonujemy pomiar za pomoc膮 sondy r贸偶nicowej. Wzmacniacz znajduj膮cy si臋 w tego typu sondzie wzmacnia tylko r贸偶nic臋 potencja艂贸w mi臋dzy dwoma punktami pomiarowymi, bez napi臋膰 podawanych r贸wnocze艣nie na oba. Sondy r贸偶nicowe s膮 stosowane przez u偶ytkownik贸w oscyloskop贸w szerokopasmowych, jednak nie pozwalaj膮 艂atwo mierzy膰 napi臋膰 asymetrycznych. W przypadku szybkich linii transmisyjnych istnieje cz臋sto potrzeba posiadania sond oscyloskopowych umo偶liwiaj膮cych pomiar napi臋膰 asymetrycznych i sk艂adowych sumacyjnych sygna艂贸w r贸偶nicowych. Najnowsze sondy multi-mode, np. serii InfiniiMode z oferty firmy Keysight oferuj膮 kilka tryb贸w pracy pozwalaj膮cych na pomiar napi臋膰 asymetrycznych oraz sk艂adowych r贸偶nicowych i sumacyjnych w tym samym po艂膮czeniu (Rys. 1). Rys. 1. R贸偶nicowe sondy oscyloskopowe InfiniiMode firmy Keysight udost臋pniaj膮 kilka tryb贸w pracy pozwalaj膮cych na pomiar napi臋膰 asymetrycznych oraz sk艂adowych r贸偶nicowych i sumacyjnych w tym samym po艂膮czeniu Szeroko艣膰 pasma Szeroko艣ci pasma oscyloskopu i sondy s膮 definiowane cz臋stotliwo艣ciami przy kt贸rych amplituda sygna艂u zmniejsza si臋 o 3 dB. Wi臋kszo艣膰 oscyloskop贸w i sond o pa艣mie 1 GHz i mniejszym zazwyczaj charakteryzuje si臋 odpowiedzi膮 Gaussa, kt贸rej odpowiada 艂agodne zbocze opadaj膮ce, rozpoczynaj膮ce si臋 przy oko艂o 1/3 warto艣ci cz臋stotliwo艣ci 3-decybelowej. Oscyloskopy o pa艣mie powy偶ej 1 GHz zazwyczaj charakteryzuj膮 si臋 odpowiedzi膮 typu brickwall z maksymalnie p艂ask膮 charakterystyk膮 cz臋stotliwo艣ciow膮 i stromym zboczem w pobli偶u punktu 鈥3 dB. Dla przyk艂adu, je艣li do sondy zostanie doprowadzony sygna艂 sinusoidalny o napi臋ciu 1 VP-P i cz臋stotliwo艣ci r贸wnej szeroko艣ci pasma sondy, napi臋cie na jej wyj艣ciu wyniesie oko艂o 0,7 VP-P. B艂膮d pomiaru amplitudy sygna艂u sinusoidalnego w punkcie 鈥3 dB wyniesie wi臋c oko艂o 30%. Generaln膮 zasad膮 jest wyb贸r sondy (lub oscyloskopu) o pa艣mie szerszym przynajmniej 3x 鈥 5x od najwi臋kszej cz臋stotliwo艣ci wyst臋puj膮cej w badanym obwodzie. Dlatego te偶 nale偶y okre艣li膰 najszybsze zbocze narastaj膮ce lub opadaj膮ce wyst臋puj膮ce w badanym obwodzie, a nast臋pnie obliczy膰 na jego podstawie wymagan膮 szeroko艣膰 pasma. W przypadku analizy sygna艂贸w przesy艂anych w okre艣lonym standardzie komunikacyjnym cz臋sto czasy narastania/opadania mo偶na wzi膮膰 z jego specyfikacji. Po okre艣leniu najszybszego zbocza narastaj膮cego/opadaj膮cego szeroko艣膰 pasma mo偶na okre艣li膰 z nast臋puj膮cych wzor贸w: pasmo Gaussa x tR=0,35, pasmo brickwall x tR=0,4, dla zboczy o czasie trwania definiowanym mi臋dzy punktami 10% i 90% amplitudy. Poniewa偶 akcesoria do sond zazwyczaj maj膮 du偶y wp艂yw na ca艂kowit膮 szeroko艣膰 pasma, r贸wnie偶 je nale偶y bra膰 pod uwag臋 przy optymalizacji pasma sondy. Obci膮偶enie sondy Gdy pod艂膮czamy sond臋 oscyloskopow膮 do obwodu badanego, staje si臋 ona jego cz臋艣ci膮, wp艂ywaj膮c na parametry i spos贸b funkcjonowania. Wprowadza dodatkow膮 rezystancj臋, pojemno艣膰 i indukcyjno艣膰. Najwi臋cej k艂opot贸w sprawia tu dodatkowa pojemno艣膰, maj膮ca negatywny wp艂yw na szeroko艣膰 pasma, szybko艣膰 narastania/opadania zboczy i czas op贸藕nienia. Obci膮偶enie pojemno艣ciowe cz臋sto wp艂ywa te偶 na kszta艂t mierzonego przebiegu. Na poni偶szym rysunku przedstawiono schemat zast臋pczy obwodu badanego i uproszczony model elektryczny pod艂膮czonej do niego sondy. W idealnym przypadku Vin (napi臋cie na wej艣ciu sondy) powinno by膰 r贸wne Vsource (napi臋ciu na obwodzie przed pod艂膮czeniem do niego sondy). W rzeczywisto艣ci, po pod艂膮czeniu sondy do obwodu badanego jej impedancja wraz z impedancj膮 tego obwodu wp艂ywaj膮 na napi臋cie na wej艣ciu sondy, tworz膮c dzielnik napi臋ciowy. Jak wida膰 z rysunku 2, rezystancja sondy dla sk艂adowej sta艂ej jest sk艂adnikiem determinuj膮cym charakterystyk臋 obci膮偶enia, natomiast jej pojemno艣膰 jest bez znaczenia, gdy偶 reaktancja pojemno艣ciowa (Xc) jest niesko艅czona. Jednak wraz ze wzrostem cz臋stotliwo艣ci reaktancja pojemno艣ciowa maleje i staje si臋 g艂贸wnym 藕r贸d艂em obci膮偶enia, pobieraj膮c coraz wi臋ksz膮 energi臋 z badanego obwodu. Rys. 2. Po pod艂膮czeniu sondy do obwodu badanego, jej impedancja wraz z impedancj膮 tego obwodu wp艂ywaj膮 na napi臋cie na wej艣ciu sondy W nowoczesnych sondach szerokopasmowych stosuje si臋 cyfrowe techniki korekcji realizowane przez uk艂ad DSP, maj膮ce zapewni膰 p艂aski przebieg charakterystyki cz臋stotliwo艣ciowej. Niemniej jednak charakterystyki obci膮偶enia sondy s膮 zdeterminowane fizycznie i wci膮偶 wp艂ywaj膮 na prac臋 obwodu badanego. Wi臋kszo艣膰 producent贸w podaje rezystancj臋 i pojemno艣膰 wej艣ciow膮 sondy, okre艣laj膮ce jej charakterystyki obci膮偶enia. Filtr korekcyjny sondy oscyloskopowej mo偶e poprawi膰 jej charakterystyk臋 cz臋stotliwo艣ciow膮 powoduj膮c, 偶e wykres na ekranie b臋dzie p艂aski, jednak nawet z t膮 korekcj膮 sonda wci膮偶 stanowi obci膮偶enie obwodu badanego wp艂ywaj膮c na jego parametry. Nie da si臋 obej艣膰 praw fizyki. Szum sondy Wielu u偶ytkownik贸w zastanawia si臋 nad wp艂ywem szumu w艂asnego sondy i oscyloskopu na wyniki pomiar贸w. Istnieje wiele czynnik贸w wp艂ywaj膮cych na wsp贸艂czynnik szum贸w pomiaru. Jednym z najwa偶niejszych jest stosunek sygna艂/szum. Typowo, im mniejszy wsp贸艂czynnik t艂umienia sondy tym wi臋kszy stosunek sygna艂/szum i mniejsze szumy wprowadzane przez sond臋, lecz r贸wnocze艣nie tym mniejsza rezystancja wej艣ciowa, w臋偶szy zakres dynamiczny i w臋偶szy zakres sk艂adowej sumacyjnej. 艁atwym sposobem oceny szumu wprowadzanego przez sond臋 jest sprawdzenie jej wsp贸艂czynnika t艂umienia i napi臋cia szumu, podawanych w karcie katalogowej lub podr臋czniku u偶ytkownika. Zazwyczaj producenci sond oscyloskopowych specyfikuj膮 ich parametry szumowe podaj膮c warto艣膰 ein (equivalent input noise). Niekt贸rzy podaj膮 napi臋cie 鈥渕V rms鈥 ekwiwalentnego szumu wej艣ciowego, a inni widmow膮 g臋sto艣膰 szumu 鈥渘V/sqrt(Hz)鈥. Warto艣ci te mo偶na wzajemnie przelicza膰 znaj膮c pasmo sondy, zgodnie z zale偶no艣ci膮: widmowa g臋sto艣膰 szumu=ein/sqrt(szeroko艣膰 pasma). Obie okre艣laj膮 charakterystyk臋 szum贸w w odniesieniu do wej艣cia sondy, kt贸ra mo偶e jednak odbiega膰 od tego, co wida膰 na ekranie oscyloskopu. Dobr膮 praktyk膮 jest charakteryzowanie szumu odniesienia wprowadzanego przez system pomiarowy sk艂adaj膮cy si臋 z sondy i oscyloskopu w celu weryfikacji, czy posiadane narz臋dzia s膮 odpowiednie dla danego zadania. Nale偶y w tym celu ustawi膰 takie parametry (V/div, podstawa czasu), przy jakich b臋dzie wykonywany pomiar, pod艂膮czy膰 wszystkie u偶ywane akcesoria, zewrze膰 wej艣cie i zmierzy膰 szum odniesienia (Rys. 3). Je艣li jest on wi臋kszy od wymaganej warto艣ci pod艂ogi szumowej dla danego zadania, mo偶e warto poszuka膰 innego rozwi膮zania pomiarowego spe艂niaj膮cego przyj臋te za艂o偶enia. Rys. 3. Dobr膮 praktyk膮 jest charakteryzowanie szumu odniesienia generowanego przez system pomiarowy sk艂adaj膮cy si臋 z sondy i oscyloskopu Akcesoria do sond pomiarowych System pomiarowy jest tylko tak dobry, jak jego najs艂absze ogniwo. Pasmo oscyloskopu i sondy jest parametrem kluczowym, lecz w sk艂ad systemu wchodzi wi臋cej element贸w. W rzeczywisto艣ci oscyloskop cz臋sto nie jest najs艂abszym elementem. System pomiarowy zawiera r贸wnie偶 sondy, kable, z艂膮cza i podstawki pomiarowe. Ka偶dy z tych element贸w mo偶e niekiedy bardziej zaw臋偶a膰 pasmo ni偶 sam oscyloskop. Kable i z艂膮cza cechuj膮 si臋 zazwyczaj bardzo ma艂ymi stratami, natomiast sondy pomiarowe i ich akcesoria ju偶 niekoniecznie. Je艣li zobaczysz szerokopasmow膮 sond臋 oscyloskopow膮, kt贸rej elektrody wej艣ciowe s膮 zauwa偶alnie d艂u偶sze od elektrod w innych typach sond, mo偶esz j膮 podejrzewa膰 o kiepsk膮 odpowied藕 cz臋stotliwo艣ciow膮 i degradacj臋 sygna艂u. Generalnie im d艂u偶sze elektrody na ko艅c贸wce sondy, tym bardziej ograniczaj膮 one pasmo, zwi臋kszaj膮 obci膮偶enie obwodu badanego, zniekszta艂caj膮 charakterystyk臋 cz臋stotliwo艣ciow膮 i czyni膮 j膮 mniej przewidywaln膮. Przy cz臋stotliwo艣ciach powy偶ej 1 GHz efekt wprowadzany przez ko艅c贸wk臋 sondy wp艂ywa w coraz wi臋kszym stopniu na parametry ca艂ego systemu pomiarowego. Nale偶y stosowa膰 sond臋 z jak najkr贸tszymi elektrodami wej艣ciowymi na ko艅c贸wce, a w przypadku sond asymetrycznych nale偶y zmniejszy膰 do minimum indukcyjno艣膰 po艂膮czenia z mas膮 stosuj膮c mo偶liwie kr贸tki kabel o du偶ej 艣rednicy. Korekcja charakterystyki cz臋stotliwo艣ciowej sondy W szerokopasmowych sondach aktywnych cz臋sto stosuje si臋 korekcj臋 charakterystyki cz臋stotliwo艣ciowej. Cz臋sto stosuje si臋 korekcj臋 DC umo偶liwiaj膮c膮 regulowanie wzmocnienia i offsetu sondy w szerokiej gamie sond aktywnych i pasywnych. W miar臋, jak cz臋stotliwo艣ci pracy oscyloskop贸w si臋gaj膮 ju偶 wielu GHz, korekcja DC jest niewystarczaj膮ca. Korekcja AC obejmuje metody pozwalaj膮ce kszta艂towa膰 charakterystyk臋 cz臋stotliwo艣ciow膮 sondy tak, aby by艂a ona jak najbardziej zbli偶ona do charakterystyki sondy idealnej, a wi臋c p艂aska w zakresie do cz臋stotliwo艣ci, przy kt贸rej wzmocnienie zmniejsza si臋 o 3 dB. Podczas projektowania sond i ich akcesori贸w oraz oscyloskop贸w producent wykonuje precyzyjne pomiary parametr贸w macierzy rozproszenia poszczeg贸lnych komponent贸w, u艣rednia ich charakterystyki i tworzy filtr korekcyjny. Taka forma korekcji pozwala znacznie zwi臋kszy膰 dok艂adno艣膰 pomiaru bez jakichkolwiek niewyg贸d dla u偶ytkownika oscyloskopu. Jednak nale偶y pami臋ta膰 o jednej rzeczy. Metody korekcji dzia艂aj膮 w艂a艣ciwie tylko dla standardowej konfiguracji sondy i ko艅c贸wki, oferowanej przez producenta. Niekt贸rzy u偶ytkownicy oscyloskop贸w konstruuj膮 w艂asne ko艅c贸wki testowe lub u偶ywaj膮 oryginalnych w spos贸b nieprzewidziany przez producenta. Mo偶e to drastycznie zmieni膰 zachowanie sondy i uniemo偶liwi膰 w艂a艣ciwe skorygowanie jej charakterystyki przy pomocy rozwi膮za艅 fabrycznych. Rys. 4. Zaawansowana metoda korekcji AC pozwala uzyska膰 p艂ask膮 charakterystyk臋 cz臋stotliwo艣ciow膮 sondy w jej ca艂ym pa艣mie pracy Dzi臋ki ci膮g艂emu post臋powi technologicznemu dost臋pne obecnie na rynku systemy sond oferuj膮 znakomite parametry oraz wyst臋puj膮 w du偶ej liczbie wariant贸w. Je艣li sama sonda nie jest w stanie zapewni膰 dobrej integralno艣ci sygna艂u z obwodu badanego, w贸wczas ca艂y kosztowny sprz臋t pomiarowy umieszczony za ni膮 niewiele ju偶 pomo偶e. Autorem artyku艂u jest 漏 Jae-yong Chang, Keysight Technologies, Inc. Artyku艂 uzyskany dzi臋ki przedsi臋biorstwu AM Technologies
reklama
reklama
Za艂aduj wi臋cej news贸w
February 21 2019 14:28 V12.2.5-2