Для чего необходимо знать ачх осциллографа

Текущее время: Сб мар 16, 2024 03:53:31

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Запрошенной темы не существует.

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group
Русская поддержка phpBB
Extended by Karma MOD © 2007—2012 m157y
Extended by Topic Tags MOD © 2012 m157y

Работоспособность сайта проверена в браузерах:
IE8.0, Opera 9.0, Netscape Navigator 7.0, Mozilla Firefox 5.0
Адаптирован для работы при разрешениях экрана от 1280х1024 и выше.
При меньших разрешениях возможно появление горизонтальной прокрутки.
По всем вопросам обращайтесь к Коту: kot@radiokot.ru
©2005-2024

Что нужно знать о высокочастотных осциллографических пробниках Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Хинтце Лон

Начинающий инженер может подумать: «Пробник, он и есть пробник — какая, в конце концов, разница? Это просто подключение к исследуемой системе». А вот инженер, умудренный опытом, скорее всего, подумает так: «От пробника зависит все. Осциллограф за $100 000 и усилитель пробника за $10 000 можно полностью испортить 40-долларовым наконечником пробника». Приведенные в статье советы и рекомендации помогут специалистам правильно работать с высокочастотными пробниками.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Что нужно знать о высокочастотных осциллографических пробниках»

Лон ХИНТЦ^п HINTZE)

Что нужно знать

о высокочастотных осциллографических пробниках

Давайте сразу расставим точки над «і»: если вы используете многогигагерцовый осциллограф для отладки, проверки или измерения параметров высокоскоростных электронных схем, вы должны уделять пристальное внимание характеристикам систем пробников. Если вы этого не сделаете, то можете обнаружить, правда, когда уже будет поздно, что измерительная система да-

вала недостоверные результаты, и вы решали проблемы, которых на самом деле нет, или не замечали проблем, которые существуют. Такие нежелательные и непредусмотренные «погрешности измерения» могут на недели или даже на месяцы задержать сдачу проекта, плюс принести вам много бессонных ночей. Выбирая систему пробников, необходимо учитывать многие факторы.

К основным параметрам осциллографических пробников можно отнести следующие:

1. Максимальная полоса пропускания усилителя пробника. Ясно, что у вас должен быть пробник с полосой пропускания, достаточной для захвата интересующих вас сигналов. Учтите, что некоторые пробники имеют нормированную или гарантированную полосу пропускания, тогда как для других указывается только типичная или негарантированная полоса пропускания. Большие преимущества дает система подключения, предлагающая разные системы пробников с различным соотношением цены и технических характеристик, что позволяет оптимально выбрать измерительную систему в соответствии с возможностями вашего бюджета.

2. Уровень собственных шумов усилителя пробника. Иногда инженеры пренебрегают шумом или недооценивают его важность. Как и в любом усилителе, здесь существует компромисс между полосой пропускания и шумом. Для достижения необходимой полосы пропускания в некоторых измерительных системах приходится достаточно высоко поднимать уровень шумов пробников. Приведенные в технических характеристиках «типичные» значения могут сбить вас с толку. Впрочем, вы и сами можете оценить уровень собственных шумов пробника, подключив его к осциллографу без сигнала. Оцените уровень шумов пробника при той чувствительности осциллографа, которую вы собираетесь использовать. Можно «заморозить» картинку на дисплее и померить шум с помощью курсоров или лучше использовать для этого среднеквадратическое значение на вертикаль-

ной гистограмме (это измерение точнее и не зависит от скорости обновления экрана и т. п.). Пробники с большим уровнем шумов исказят результаты всех измерений, поэтому старайтесь их не применять.

3. Типы сменных наконечников пробников, которые можно использовать с данной системой пробников. Вы должны иметь возможность надежного подключения пробника к исследуемому сигналу. Современные системы пробников могут предлагать до шести разных типов сменных наконечников: дифференциальный пробник, несимметричный пробник, дифференциальный припаиваемый пробник, несимметричный припаиваемый пробник, дифференциальное гнездо и дифференциальный адаптер SMA. Каждый тип сменного наконечника оптимален в определенных ситуациях. Например, дифференциальный пробник можно использовать для измерения любых сигналов, но несимметричные наконечники меньше по размерам, чем их дифференциальные «собратья», и могут проникать в труднодоступные места. Явное преимущество дает система подключения, поддерживающая широкий диапазон моделей применения (рис. 1).

4. Полоса пропускания каждого типа сменного наконечника. Этот ключевой параметр инженеры зачастую упускают, что может привести к серьезным ошибкам. Полоса пропускания системы, состоящей из 6-ГГц осциллографа, 4-ГГц усилителя пробника и 2-ГГц сменного наконечника будет всего 2 ГГц. Всегда тщательно контролируйте полосу пропускания сменных наконечников и подключающих приспособлений. Применяйте только те системы подключения, для которых четко указаны полосы пропускания сменных наконечни-

ков и принадлежностей. В противном случае вы просто не будете знать, что меряете с помощью этого пробника.

5. Равномерность амплитудно-частотной характеристики сменного наконечника. Хотя эту характеристику значительно труднее оценить, усилия не будут потрачены впустую. Информация производителей по этому вопросу колеблется от подробных графиков и менее подробных диаграмм, больше напоминающих карикатуры, до полного отсутствия какой-либо информации. Для самостоятельной оценки АЧХ можно использовать специальное приспособление, для того чтобы подать на осциллограф сигнал высокочастотного генератора и одновременно снимать этот сигнал пробником с открытой линии. Предполагая, что осциллограф имеет достаточно плоскую АЧХ, вы можете заметить различия между прямой подачей сиг-

нала и подачей того же сигнала через пробник (рис. 2). Различия АЧХ между разными системами подключения и разными сменными наконечниками могут быть, в некоторых случаях, весьма существенными. Системы цифровой обработки сигнала современных осциллографов могут корректировать амплитудную и фазовую характеристику сменного наконечника, однако не все осциллографы обладают такой возможностью. Откровенно говоря, некоторые типы сменных наконечников имеют столь неравномерную АЧХ (при отсутствии цифровой коррекции), что их лучше вообще не использовать для измерения высокоскоростных сигналов, даже при наличии других, облегчающих работу усовершенствований (рис. 3).

6. Наличие экранированных линий подключения пробника. Трудно поверить, но некоторые серийно выпускаемые сменные наконечники не экранированы и подвергаются воздействию электромагнитных помех (EMI). Если неэкраниро-ванный наконечник случайно окажется рядом с источником EMI, эти помехи отразятся на результатах измерения, и вы будете решать проблемы, которых на самом деле нет.

7. Надежность сменных наконечников. Обычно сменные наконечники — самые маленькие и поэтому наиболее хрупкие детали системы подключения. Ни одну прецизионную систему подключения нельзя назвать в полном смысле «прочной», но специальная механическая конструкция сменных наконечников позволяет им выдерживать определенной силы удары, изгибы, падения и определенное число циклов подключения/отключения. Тщательно обследуйте сменные наконечники и определите механически их слабые точки. Если можно, узнайте у других пользователей о стойкости различных компонентов. Если «нежные» гибкие проводники вызывают кратковре-

High BW 00D (широкополосный)

_ Short (припаиваемый)

Med Soldern-in (припаиваемый)

_ Long Soldern-in (припаиваемый)

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Частота, ГГц

Рис. 3. Амплитудно-частотные характеристики различных сменных наконечников

менные прерывания или искажения сигналов при ударе или изгибе, они могут доставить вам много неприятностей, особенно при использовании на платах с плотным расположением элементов. Лучше применять в таких ситуациях сменные наконечники на основе печатных плат с длинными и гибкими кабелями, которые смягчают механические напряжения. Выпускаются также сменные наконечники с контактными щупами, которые ломаются при малейшем падении, так что будьте осторожны.

Рассмотренные основные параметры, как правило, важны для каждого пользователя и могут оказать существенное влияние на результаты измерений. В отличие от этого, приведенные далее параметры могут проявляться лишь в некоторых особых ситуациях или оказывают не столь существенное влияние на результаты измерений. Тем не менее, их тоже нужно учитывать:

1. Совместимость всех сменных наконечников с одним усилителем пробника. Если окажется, что для одного сменного наконечника (такого как дифференциальный адаптер SMA) нужен иной усилитель пробника, не такой, как для всех остальных наконечников, это может стать неприятным сюрпризом и, вероятно, потребует новых затрат. В такой ситуации можно оказаться и в том случае, если новое поколение сменных наконечников окажется несовместимым с предыдущим. Обязательно проверьте, с каким усилителем работает каждый наконечник.

2. Динамический диапазон сменного наконечника. Динамический диапазон разных систем подключения может существенно отличаться. Некоторые системы подключения позволяют расширить динамический диапазон за счет коммутируемого аттенюатора (повышающего затухание), но за это приходится расплачиваться повышением уровня шумов. Вы должны знать, что существует ком-

промисс между динамическим диапазоном и шумом, который определяется конструктивными особенностями пробника (см. п. 2 в главе «Основные параметры»). Если вам нужен динамический диапазон более чем 1,25 В в размахе, то нужно уделить пристальное внимание этому вопросу.

3. Максимальный диапазон смещения при измерении несимметричных сигналов. Если вы хотите измерить высокочастотный шум системы питания, то кроме динамического диапазона пробника следует учитывать величину постоянного напряжения. Некоторые системы подключения поддерживают такие измерения за счет смещения пробника, которое позволяет совместить центральную линию динамического диапазона пробника с соответствующим уровнем постоянного напряжения (до 16 В).

4. Зависимость входного сопротивления пробника от частоты при использовании данного сменного наконечника. Диаграмма зависимости сопротивления пробника от частоты позволяет оценить нагрузку на исследуемую систему на разных частотах — от постоянного тока до верхней границы полосы пропускания пробника. Это еще одна область, в которой информация производителя может простираться от подробной до отрывочной или даже полностью отсутствовать. Хорошая диаграмма сопротивления дает очень полезную информацию, например, входное сопротивление на постоянном токе, частоту, на которой начинается спад из-за паразитной емкости, сопротивление пробника на максимальной частоте и т. п. Качество предоставленной производителем информации дает представление о том, какое внимание он уделил этому вопросу.

5. Наличие электростатической защиты или ее рейтинга. Было бы крайне неприятно повредить дорогостоящую систему подключения при недопустимой дозе статического электричества. Если такая ситуация может возникнуть, убедитесь в наличии электростатической защиты и проверьте рейтинг защиты вашего пробника. Возможно, вы будете удивлены, но чаще всего такая защита отсутствует.

6. Наличие удлинительного кабеля для испытательных камер. Этот параметр понятен без пояснений. Такая возможность либо нужна, либо нет, и система подключения либо поддерживает ее, либо нет.

7. Расходы на долговременную эксплуатацию сменных наконечников. Для решения этой проблемы существует два основных подхода — одноразовые и ремонтопригодные наконечники. Одноразовые сменные наконечники стоят примерно $40 за штуку и выдерживают определенное число циклов подключения, после чего их надо выбрасывать. Преимущество такого подхода в невысокой начальной цене, что позволяет использовать большое число пробников одновременно при сравнительно небольших затратах. Ремонтопригодные наконечники стоят $400 за штуку, и их можно ремонтировать до сотни раз. В этом случае расходы на долговременную эксплуатацию получаются ниже, и к тому же вы получаете более надежное соединение.

8. Удобство применения разных сменных наконечников. Этот фактор очень важен, но в достаточной степени субъективен, поэтому лучше всего оценивать его на основе практического опыта. Тем не менее, существуют некоторые ключевые атрибуты, которые можно быстро оценить. Пробники легче держать, и они обладают более тонкими наконечниками, что улучшает видимость точки подключения. Необходимо, чтобы наконечник пробника можно было легко отрегулировать, а также он должен иметь широкий угол применения, чтобы в любом случае оставаться на контрольной точке. Припаиваемые сменные наконечники должны быть длинными и подключаться под разными углами. Будьте осторожны с системами, предлагающими один или другой из этих вариантов, поскольку АЧХ этих головок могут сильно отличаться.

При выполнении точных высокоскоростных осциллографических

измерений не обойтись без пробников, обеспечивающих идеальное

качество сигнала. Приведенные советы помогут вам выбрать наилучшую систему подключения для конкретной задачи. ■

Оптимальная амплитудно – частотная характеристика осциллографа

Оборудование для производства и ремонта радиоэлектроники

Традиционно принято считать, что оптимальной для осциллографа амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) в полосе пропускания нижних частот является характеристика, близкая к гауссовой. Аргументом в пользу этого служит то обстоятельство, что при такой характеристике происходит быстрое протекание процесса установления сигнала и обеспечивается самое малое при данной полосе пропускания время нарастания. При этом предполагается, что эти характеристики (быстрое установление сигнала и малое время нарастания) означают наиболее точное воспроизведение формы входного сигнала. В данной статье рассматривается это предположение и дается сравнение погрешностей, свойственных нескольким типам АЧХ, которые обычно имеют современные осциллографы с высокими характеристиками.
В качестве примера рассматривается осциллограф с полосой пропускания
6 ГГц, хотя это обсуждение применимо к осциллографу с любой полосой пропускания. Рассматриваются три типа АЧХ, которым соответствуют переходные характеристики (ПХ), приведенные на рисунке 1.
1. Близкая к гауссовой (красная кривая ПХ, время нарастания tr = 58 пс)
2. Максимально плоская (характеристика Баттерворта высокого порядка) (синяя кривая ПХ, tr = 82 пс)
3. Максимально плоская с коррекцией нелинейности (линеаризацией) фазовой характеристики (малиновая кривая, tr = 71 пс) (см. приложение «Что такое линейная фазовая характеристика и почему это имеет важное значение»).

На рисунке 1 приведены переходные характеристики, соответствующие этим трем типам амплитудно – частотных характеристик осциллографа.

АЧХ

Рисунок 1 – Переходные характеристики, соответствующие АЧХ близкой к гауссовой (1), максимально плоской (2) и максимально плоской с коррекцией фазовой характеристики (3).
На рисунке 2 приведены гауссова и максимально плоская высокого порядка частотные характеристики осциллографа. Максимально плоская АЧХ с коррекцией нелинейности фазовой характеристики идентична (по модулю) максимально плоской АЧХ осциллографа.

Гауссова и максимально плоская АЧХ осциллографа

Рисунок 2 – Гауссова и максимально плоская АЧХ осциллографа

Фазо-частотные характеристики (ФЧХ) для трех рассматриваемых типов АЧХ показаны на рисунке 3. Линейная составляющая изменения фазы исключена из каждой ФЧХ, поскольку она определяет только время задержки сигнала.

Фазо-частотные характеристики

Рисунок 3 – Фазо-частотные характеристики, соответствующие гауссовой, максимально плоской и максимально плоской с коррекцией ФЧХ частотным характеристикам

И снова традиционные представления могут указывать на то, что АЧХ близкая к гауссовой является наилучшим вариантом, поскольку она обеспечивает наибольшую скорость нарастания переходной характеристики. Однако поскольку АЧХ близкая к гауссовой обычно трудно реализуется на практике, в большинстве осциллографов используется АЧХ близкая к максимально плоской, переходная характеристика которой не имеет выброса до фронта, а только выброс за фронтом (т. к. нет коррекции фазовой характеристики).

Оставляя на время традиционные представления, можно проанализировать точность измерения параметров сигналов с различными временами нарастания (длительностями фронтов). На рисунке 4 приведены переходные характеристики, представляющие реакцию на входной сигнал в виде перепада напряжения, соответствующие полосам пропускания 3 и 5 ГГц. Если с помощью таких сигналов исследовать три рассматриваемых типа АЧХ, можно оценить точность измерения для каждой из них.

Рисунок 4 – Переходные характеристики (реакция на входной сигнал в виде перепада напряжения), соответствующие полосам частот входного сигнала 3 и 5 ГГц

Прежде всего следует посмотреть, как влияют три рассматриваемых типа АЧХ на входной сигнал с полосой частот, равной 1/2 полосы пропускания осциллографа. Обычно такое соотношение полос близко к предельному значению, при котором можно рассчитывать на точное воспроизведение входного сигнала. На рисунке 5 показан результат воздействия перепада напряжения с временем нарастания 115 пс (полоса частот 3 ГГц) на тракты с тремя различными типами АЧХ. Рисунок 5 позволяет вычислить относительную погрешность времени нарастания (длительности фронта) для каждого типа АЧХ:

Тип АЧХ	Время нарастания входного сигнала tr, пс	Измеренное время нарастания tr, пс	Погрешность, %
Гауссова	115	128	— 11,3
Максимально плоская	115	122	— 6,1
Максимально плоская с коррекцией ФЧХ	115	117	— 1,7

Переходные характеристики

Рисунок 5 – Переходные характеристики для трех различных типов АЧХ при воздействии перепада напряжения с временем нарастания 115 пс (эквивалентная полоса частот 3 ГГц)

Проведенный анализ отчетливо показывает, что максимально плоская АЧХ с коррекцией фазовой характеристики обеспечивает наиболее точное измерение времени нарастания входного сигнала. Однако это значение необязательно является надежной оценкой качества осциллографа. Если АЧХ осциллографа имеет неравномерность в виде максимума на некоторой частоте, для некоторых видов сигнала точность измерения времени нарастания может быть выше, но в общем случае, когда важна погрешность измерения мгновенных значений напряжения, точность будет хуже. Для анализа качественных показателей различных типов АЧХ более подходит способ построения графика погрешности мгновенного значения напряжения в зависимости от времени. График строится путем вычитания временной формы измеренного сигнала из априорно известного входного сигнала; это позволяет определить зависимость погрешности мгновенного значения напряжения от времени. Временной сдвиг между этими двумя сигналами произвольно регулируется так, чтобы обеспечить приблизительно равные положительные и отрицательные значения погрешности (см. рисунок 6).

Погрешность мгновенного значения

Рисунок 6 – Погрешность мгновенного значения напряжения в зависимости от времени для трех различных типов АЧХ при воздействии перепада напряжения с временем нарастания 115 пс (эквивалентная полоса частот 3 ГГц)

Из рисунка 6 видно, что наибольшую погрешность, около 5 %, дает максимально плоская АЧХ, а наименьшую, около 1,7 %, максимально плоская АЧХ с коррекцией фазовой характеристики. Гауссова АЧХ занимает промежуточное положение и дает погрешность около
2,7 %. Это еще раз показывает, что наилучшей АЧХ является максимально плоская с коррекцией фазовой характеристики. Теперь предполагается, что нужно измерить параметры более высокоскоростного сигнала с полосой частот 5 ГГц и временем нарастания 70 пс. Известно, что для точного измерения такого сигнала необходим осциллограф с полосой пропускания 10 ГГц; но такие осциллографы, работающие в реальном времени, в настоящее время на рынке отсутствуют. Итак, анализ погрешности выполняется для трех рассматриваемых типов АЧХ при времени нарастания входного сигнала 70 пс (эквивалентная полоса частот 5 ГГц).
На рисунке 7 показан результат для трех различных типов АЧХ, когда на вход подается перепад напряжения с временем нарастания 70 пс. Рисунок 7 позволяет вычислить относительную погрешность времени нарастания для каждого типа АЧХ.

Переходные характеристики

Рисунок 7 – Переходные характеристики для трех различных типов АЧХ с полосой пропускания 6 ГГц при воздействии перепада напряжения с временем нарастания 70 пс (эквивалентная полоса частот 5 ГГц)

Как и раньше, можно построить для этого случая график погрешности мгновенного значения напряжения в зависимости от времени (см. рисунок 8)

Погрешность мгновенного значения

Рисунок 8 – Погрешность мгновенного значения напряжения в зависимости от времени для трех различных типов АЧХ при воздействии перепада напряжения с временем нарастания 70 пс (эквивалентная полоса частот 5 ГГц)
Этот анализ является хорошей иллюстрацией возможностей служившего моделью осциллографа с полосой пропускания 6 ГГц в части точности воспроизведения входного сигнала (погрешность менее 20 %). Гауссова и максимально плоская АЧХ с коррекцией фазовой характеристики дают очень сходные результаты, тогда как максимально плоская АЧХ без коррекции фазы заметно хуже.

Заключение

Традиционно считается, что для наилучшей точности измерения осциллограф должен иметь гауссову амплитудно – частотную характеристику, но на самом деле это не совсем так. Действительно, гауссова характеристика хороша для осциллографа. Однако максимально плоская АЧХ с коррекцией фазовой характеристики дает значительно лучшие результаты с точки зрения точности представления входного сигнала. Осциллограф компании Agilent 54855A Infiniium имеет максимально плоскую АЧХ с коррекцией фазовой характеристики. Значительно худшим вариантом частотной характеристики для осциллографа является максимально плоская АЧХ без коррекции фазы (которой соответствует переходная характеристика, не имеющая выброса до фронта, а только выброс за фронтом). Эта характеристика дает большую погрешность, чем гауссова или максимально плоская с коррекцией фазы, и даже при более широкой полосе пропускания качество измерений не улучшается.
Один спорный вопрос заключается в том, что многие специалисты считают, что переходная характеристика, имеющая выброс до фронта и за фронтом, как раз не является нормальной. Это мнение основано лишь на том, что это не та характеристика, к которой традиционно привыкли. Но реальность состоит в том, что осциллограф с таким типом АЧХ безусловно обеспечивает самую высокую возможную точность. Кроме того, крутой срез максимально плоской АЧХ позволяет осциллографам, работающим в реальном времени, иметь полосу пропускания, приближающуюся к полосе Найквиста с частотой среза равной 1/2 частоты дискретизации без проблемы устранения эффекта наложения.
Одно дополнительное замечание: при оценке частотной характеристики осциллографа пользователю необходимо оценить зависимость погрешности мгновенного значения напряжения от времени, а также точность измерения времени нарастания. Если рассматривать только точность времени нарастания, то АЧХ, имеющая подъем на некоторой частоте, может оказаться лучше с точки зрения точности измерения времени нарастания, но наиболее вероятно будет создавать значительно большую погрешность мгновенного значения напряжения в зависимости от времени, которая в конечном счете наиболее важна для оценки точности осциллографа. Особенно это относится ко многим стандартам высокоскоростных систем последовательной передачи данных, для испытания которых используются современные осциллографы.

Приложение. Что такое линейная фазовая характеристика и почему она имеет важное значение

Теория преобразования Фурье утверждает, что любой периодический сигнал во временной области представляет собой сумму гармонических составляющих основной частоты и высших гармоник с определенными амплитудными и фазовыми соотношениями. Это означает, что для точного, без искажений, воспроизведения входного сигнала осциллограф должен иметь возможность измерять амплитуды и фазы этих гармонических составляющих.

В качестве примера можно рассмотреть сигнал передачи данных со скоростью 2,5 Гбит/с, длительностями фронта и среза по уровням 10 – 90 % около 90 пс. Такой сигнал имеет частоту основной гармоники 1,25 ГГц и эквивалентную полосу частот около 4 ГГц. Тестовый сигнал состоит из основной гармоники с частотой 1,25 ГГц и всех нечетных гармоник. Для данного примера в рассмотрение включены третья (3,75 ГГц) и пятая (6,25 ГГц) гармоники, поскольку они могут быть корректно измерены осциллографом с полосой пропускания 6 ГГц.

На рисунке 1 показаны составляющая основной частоты и ее гармоники, которые составляют сигнал данных. Следует заметить, что составляющая основной частоты и ее гармоники находятся в фазе.

Составляющая основной частоты

Рисунок 1 – Составляющая основной частоты 1,25 ГГц и гармоники сигнала данных

На рисунке 2 показан результат суммирования этих трех гармонических составляющих. Амплитудные и фазовые соотношения между основной составляющей и ее гармониками определяют форму сигнала данных. Если осциллограф воспроизводит эти амплитудные и фазовые соотношения без искажений, то сигнал на его экране будет иметь вид, показанный на рисунке 2. Это может выполнить осциллограф, имеющий плоскую АЧХ и линейную фазовую характеристику; переходная характеристика такого осциллографа имеет симметричные выбросы до фронта и за фронтом.

Результат суммирования трех гармонических составляющих

Рисунок 2 – Результат суммирования трех гармонических составляющих, показанных на рисунке 1

Однако если осциллограф имеет фазовую характеристику типичную для плоской АЧХ с довольно большой крутизной среза, то фаза пятой гармоники может увеличиться на 80 градусов. Переходная характеристика такого осциллографа не имеет выброса до фронта, а только выброс за фронтом. На рисунке 3 показана составляющая основной частоты и ее гармоники, причем начальная фаза пятой гармоники увеличена на 80 градусов.

Составляющая основной частоты

Рисунок 3 – Составляющая основной частоты 1,25 ГГц и гармоники сигнала данных, где пятая гармоника имеет запаздывание по фазе на 80 градусов

Следует заметить, что на рисунке 3 пятая гармоника сдвинута вправо. При суммировании этих гармонических составляющих, формирующих сигнал данных, можно видеть заметное искажение его формы. Это видно из рисунка 4.

Результат суммирования гармонических составляющих

Рисунок 4 – Результат суммирования гармонических составляющих, показанных на рисунке 3

Пользователи высокоскоростных видеосистем знают, что линейность фазовой характеристики не менее важна для сохранения формы сигнала во временной области, чем равномерность АЧХ. Этот параметр частотной характеристики осциллографа, на который часто не обращают должного внимания, может привести к значительным погрешностям в измерениях, в то время как пользователи требуют все более высокой точности.

Майк МакТиг (Mike McTigue),
Agilent Technologies
mctigue@agilent.com

astena@astena.ru
390047, г. Рязань, Куйбышевское шоссе, д. 25, стр. 17

Любое использование материалов, их подборки, дизайна, элементов дизайна допускается только с согласия правообладателя. Вся информация на сайте носит справочный характер и не является публичной офертой

Измерения АЧХ (ЛАФЧХ или диаграмм Боде) контура управления электропитанием

Для обеспечения устойчивой работы стабилизаторов напряжения и импульсных источников питания необходимо измерять характеристики контура управления. Регулятор напряжения с оптимальным уровнем компенсации позволяет стабилизировать выходное напряжение и снижает влияние изменений нагрузки и колебаний напряжения питания. Качество этого контура управления определяет стабильность и динамическую характеристику всего преобразователя постоянного тока.

Решение компании Rohde & Schwarz

Опция анализа частотных характеристик (ЛАФЧХ или диаграмм Боде) R&S®RTx-K36 позволяет быстро и легко выполнять анализ низкочастотных АЧХ на осциллографе. Таким образом определяется АЧХ множества электронных устройств, в частности пассивных фильтров и контуров усиления. Для импульсных источников питания измеряются АЧХ контура управления и коэффициент подавления нестабильности питания. Опция анализа частотных характеристик (ЛАФЧХ или диаграмм Боде) R&S®RTx-K36 использует генератор сигналов, встроенный в осциллограф, для генерации сигналов входного воздействия в диапазоне от 10 Гц до 25 МГц . Измерение входного и выходного сигналов ИУ на каждой тестовой частоте, а также коэффициента усиления в логарифмическом масштабе и фазы в линейном масштабе по графикам осциллографа.

Опция анализа частотных характеристик (ЛАФЧХ или диаграмм Боде) R&S®RTx-K36 дает возможность быстро определять запас по коэффициенту усиления и запас по фазе для импульсных источников питания и линейных регуляторов. Эти измерения помогают определять стабильность контура управления.

Опция анализа частотных характеристик (ЛАФЧХ или диаграмм Боде) R&S®RTx-K36 обеспечивает отображение характеристики системы при изменениях условий работы, например напряжения питания или тока нагрузки.

Выбор надлежащей точки подачи сигнала

Измерительная установка

Контуры управления электропитанием сравнивают опорное напряжение (V_ref) и напряжение обратной связи (V_feedback) и обеспечивают отрицательную обратную связь для стабилизации выходного напряжения.

Для проверки характеристики контура управления требуется подача сигнала ошибки в определенном диапазоне частот в канал обратной связи контура управления. Для подачи сигнала ошибки в контур обратной связи должен быть вставлен небольшой резистор. Резистор для подачи сигнала показан на рисунке на следующей странице; его сопротивление — 5 Ом , небольшое по сравнению с последовательно включенными сопротивлениями R1 и R2. Некоторые пользователи выбирают подключение этого резистора малого сопротивления (R_injection) на постоянной основе для подачи тестового сигнала. Вольтодобавочный трансформатор, такой как Picotest’s J2100A, отделяет сигнал искажения переменного тока и исключает любое смещение по постоянному току.

Точка подачи сигнала и зондирование

Для измерения коэффициента усиления в контуре обратной связи по напряжению его необходимо разорвать в соответствующей точке. В этой точке подается сигнал искажения. Сигнал искажения будет распространяться по контуру системы. В зависимости от коэффициента усиления в контуре подаваемый сигнал искажения будет усиливаться или ослабляться и сдвигаться по фазе. В опции R&S®RTx-K36 генератор осциллографа генерирует сигнал искажения. Осциллограф измеряет передаточную функцию контура.

Чтобы измеряемый коэффициент усиления в контуре был равен реальному значению, выберите соответствующую точку.

Найдите точку, в которой система ограничена одним единственным каналом, чтобы не было параллельных потоков сигналов.
Сопротивление в направлении обхода контура должно значительно превышать обратное сопротивление в этой точке. Обратное сопротивление равно выходному сопротивлению преобразователя, которое составляет очень небольшое значение в диапазоне нескольких мОм. Сопротивление в направлении обхода контура формируется компенсатором и делителем напряжения и находится в диапазоне нескольких кОм.

ЛАФЧХ или диаграмма Боде

Использование заземляющей пружины дает возможность подобрать наилучшее соотношение сигнал/шум для измерения коэффициента подавления нестабильности питания

Точность определения характеристики контура управления зависит от зондирования. Размах амплитуды V_in и V_out может быть очень небольшим на некоторых тестовых частотах. Эти значения могут скрадываться собственным шумом осциллографа и/или коммутационными помехами ИУ. Именно поэтому увеличение соотношения сигнал/шум в рамках измерения существенно улучшает динамический диапазон измерения АЧХ. Большинство осциллографов обычно поставляется с пассивными пробниками с коэффициентом деления 10:1 и повышенным уровнем шума. Использование малошумящих пассивных пробников с коэффициентом деления 1:1 снижает шум измерения и улучшает соотношение сигнал/шум. Для этого компания Rohde & Schwarz рекомендует использовать пассивные пробники R&S®RT-ZP1X с коэффициентом деления 1:1 и полосой пропускания 38 МГц .

Уменьшение длины заземляющего провода пробника минимизирует индуктивность контура заземления. Стандартный заземляющий провод пробника иногда может функционировать в качестве антенны и усиливать нежелательные коммутационные помехи. Установите штырь заземления рядом с точками контроля Vin и Vout. Для сокращения длины заземляющего провода используйте предоставляемую заземляющую пружину пробника R&S®RT-ZP1X. Это обеспечивает заземление с низким уровнем шума для измерения.

ЛАФЧХ или диаграмма Боде

Измерение стабильности преобразователя постоянного тока (синяя кривая: коэффициент усиления; оранжевая кривая: фаза; зеленая кривая: определение профиля амплитуды сигнала входного воздействия).

Настройка устройства

Подключите осциллограф к испытуемому контуру и запустите приложение:

Установите начальную и конечную частоты между 10 Гц и 25 МГц и определите уровень выходного сигнала генератора.
Задайте количество точек на декаду для улучшения и изменения разрешения собираемых данных. Осциллограф поддерживает до 500 точек на декаду.
Определите профиль амплитуды выходного сигнала генератора (вплоть до 16 ступеней) для подавления характеристик помех испытуемого контура.
Нажмите Run (Запуск) для начала измерения. Результаты измерения отображаются на графике зависимости коэффициента усиления / фазы от частоты. Установите маркеры на интересующую точку.

Таблица результатов измерений

Результаты измерений

Кривые на ЛАФЧХ или диаграммах Боде отображают передаточную функцию контура и помогают проверить стабильность системы. Один график отображает изменение амплитуды в рамках частотного диапазона в дБ, а второй график отображает зависимость фазовых характеристик (измеряемых в градусах) от частоты. Перетащите маркеры на нужные позиции прямо на отображаемой кривой. На графике отображаются координаты маркеров. Для определения частоты среза установите один маркер на 0 дБ, а второй — на фазовый сдвиг –180°. Теперь можно легко определить запас по фазе и запас по коэффициенту усиления.

Результаты можно просматривать в таблице. В таблице результатов измерений содержатся подробные данные о каждой измеренной точке (частота, коэффициент усиления и фазовый сдвиг). При использовании маркеров выделяется соответствующая строка таблицы результатов. Для отчетности снимки экрана и таблицы результатов можно быстро сохранять на USB-устройство.

Заключение

Осциллографы — основные измерительные инструменты, используемые в настоящее время разработчиками для испытаний и определения характеристик источников питания. Опция анализа частотных характеристик (ЛАФЧХ или диаграмм Боде) R&S®RTx-K36 обеспечивает наличие бюджетной альтернативы как низкочастотным анализаторам цепей, так и специализированным автономным анализаторам частот.

Для чего необходимо знать ачх осциллографа