Wahrscheinlich weiß jeder, wie man ein Oszilloskop benutzt. Es ist sehr einfach - Sie haken das "Krokodil" am Boden, der Spitze der Sonde - am gewünschten Messpunkt ein, stellen die Skala entlang der vertikalen und horizontalen Achse ein und führen an dieser Stelle einen temporären Spannungsscan durch. Ja, dies ist möglich, aber nur, wenn Sie eine Reihe von Faktoren berücksichtigen, die in diesem Artikel behandelt werden. Und wenn Sie dies nicht berücksichtigen, besteht die Möglichkeit, dass das auf dem Oszilloskopbildschirm empfangene Bild ein nutzloses Bild ist. Und je niedriger die Kosten, desto wahrscheinlicher ist es.
Ich muss gleich sagen, dass der Artikel die Steuerschnittstelle und die Fähigkeiten eines typischen elektronischen Oszilloskops nicht behandelt - dies ist relativ einfach und kann zum Beispiel
hier gefunden werden . Ich schreibe nur über das, was nicht so leicht zu finden,
aber leicht zu verlieren ist , besonders auf Russisch. Wenn Sie lesen, benötigen Sie Kenntnisse über die Grundprinzipien der Theorie der Signalleitungen, die Sie beispielsweise in
einer meiner früheren Veröffentlichungen lesen können.
Ich denke, das übliche Szenario für die Verwendung des Oszilloskops im Entwicklungszyklus einer Leiterplatte ist wie folgt: Wenn die Platine nicht funktioniert (Kurzschluss, Überhitzung der Mikroschaltung, Überblendung des Mikrocontrollers, Übergabe der Steuerbefehle usw.), suchen wir nach dem Problem, indem wir die Oszilloskopsonde und aufnehmen Wenn es funktioniert, ist es gut (Abb. 1).
Wenn der Produktentwickler kein Funkamateur ist, der alle diese Funktionen selbst ausführt, kann sich die Anzahl der Iterationen sogar bis zum bedingten „Erfolg“, der in der Funktionsweise des Produkts besteht, erhöhen. Daher ist es im Falle einer Funktionstrennung wie bei der Entwicklung innerhalb der Organisation für den Entwickler ratsam, die ersten Produktmuster nicht zu sammeln und zu debuggen und dann zumindest im Werk anwesend zu sein, um die technologische Wirksamkeit der Entwicklung zu analysieren.
Nach meiner Erfahrung ist bei den ersten Produktmustern die Blockmontage, beginnend mit dem Leistungssubsystem, mit der Steuerung der elektrischen Parameter der Subsysteme viel effizienter (Abb. 2).
Mit diesem Ansatz wird der Umfang der Fehlerbehebung eingeschränkt, da er nur in einer neu zusammengebauten Einheit auftreten kann oder wenn diese Einheit mit bereits verifizierten interagiert. Die Steuerung der elektrischen Parameter stellt sicher, dass das Produkt nicht nur richtig funktioniert, sondern dass alle oder die wichtigsten elektrischen Signale dem erwarteten Verhalten entsprechen. In diesem Fall ist der „Erfolg“ bereits gründlicher und wir können mit den erforderlichen externen Einflüssen zum vollständigen Testzyklus übergehen.
Kommen wir zurück zur Verwendung von Oszilloskopen. Bei der Beschreibung ihres Platzes bei der Entwicklung von Leiterplatten wurde implizit ein wichtiges Messprinzip (und insbesondere Messungen mit einem Oszilloskop) formuliert, über das Eric Bogatin in seinen Vorlesungen häufig spricht.
Bis zum Zeitpunkt der Messung ist es notwendig, eine Vorstellung von dem erwarteten Ergebnis zu haben. Im Falle eines Zusammentreffens von Erwartungen und Realität können wir über das richtige Modell des Prozesses sprechen, im Falle einer signifikanten Diskrepanz - entweder die Notwendigkeit, die erwarteten Parameter (die durch direkte analytische Berechnungen, Simulationsergebnisse oder basierend auf Erfahrungen erhalten wurden) zu überprüfen, oder eine falsche Messung oder eine falsche Funktionsweise des Produkts .
Im Zusammenhang mit dem Thema der Veröffentlichung lohnt es sich, auf die Möglichkeit einer falschen Messung zu achten. Bei Messungen mit einem Oszilloskop wenden wir wie nie zuvor den „Beobachter-Effekt“ der Quantenphysik an, wenn die Anwesenheit eines Beobachters den beobachteten Prozess beeinflusst. Auf dem Bildschirm des Oszilloskops können Sie beobachten, dass es nichts mit der Realität zu tun hat. Wir finden heraus, wie wir dies verhindern können.
Beginnen wir mit der Formulierung des idealen Endergebnisses: Beobachten Sie auf dem Oszilloskopbildschirm einen temporären Scan der Spannung an einem bestimmten Punkt der Signalleitung zu einem bestimmten Zeitpunkt, ohne Verzerrungen einzuführen. Es soll ein ideales Hochgeschwindigkeitsoszilloskop mit unendlicher Bandbreite geben, das eine Analog-Digital-Wandlung mit der erforderlichen Auflösung ermöglicht. Um das Problem zu lösen, muss dann ein Signal von einem Punkt auf der Leiterplatte zum koaxialen Eingang des Oszilloskops übertragen werden, das die folgenden Bedingungen erfüllt:
- Bietet stabilen mechanischen Kontakt ohne Kontaktwiderstand an den Kontaktpunkten. Es gibt zwei davon, beide gleichwertig: Einer liefert einen Pfad für Gleichstrom, der andere für Rückstrom.
- Die gebildete Signalleitung sollte den gemessenen Signalstromkreis nicht belasten, dh sie muss eine unendliche Impedanz haben.
- Die gebildete Signalleitung sollte keine Verzerrungen in das gemessene Signal einbringen, dh sie sollte eine flache Übertragungsfunktion in einem unendlichen Frequenzband und eine lineare Phasenkennlinie haben.
- Die gebildete Signalleitung sollte keine eigene Interferenz in das gemessene Signal einbringen und sollte auch ideal vor externen Interferenzen geschützt sein.
Im Allgemeinen sind diese Bedingungen natürlich nicht realisierbar, jedoch ist die Formulierung des idealen Endergebnisses bei der Analyse des Problems nützlich. Insbesondere wird das Verständnis vermittelt, dass ein reales Messsystem Einschränkungen aufweist, die den Umfang zuverlässiger Messungen einschränken.
In Abb. Abbildung 3 zeigt das Ersatzschaltbild des Messkreises unter Verwendung des gebräuchlichsten Sondentyps „1X / 10X“, der in den meisten Fällen im Standardsatz des Oszilloskops enthalten ist.
Der Gleichstromwiderstand der Sonde in der Position „10X“ beträgt ca. 9 MΩ - dies ist ein in Reihe geschalteter Widerstand, der einen Spannungsteiler von 1:10 mit einer Eingangsimpedanz des Oszilloskops von 1 MΩ bildet. Daher der Name der Sonde „10X“, die in diesem Modus
das gemessene Signal um das Zehnfache
reduziert (es werden jedoch keine Tonabnehmer und Rauschen vom System eingeführt). In der Schalterstellung „1X“ ist dieser Widerstand kurzgeschlossen und der Sondenwiderstand ist der Widerstand des Sondenkoaxialkabels. Ich empfehle, diesen Widerstand zu messen - von der Spitze der Sonde bis zum zentralen Stift des BNC-Steckers - und sicherzustellen, dass er nicht wie bei einem normalen 50-Ohm-Koaxialkabel „Null“ ist, sondern mehrere hundert Ohm beträgt. Wenn Sie das Kabel abschneiden (Abb. 4), sehen Sie einen dünnen Nichromleiter, der von einem geschäumten Isoliermaterial mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante εr ~ 1 umgeben ist. Dies ist eine verlustbehaftete Linie, d. H. Das Kabel ist so ausgelegt, dass hochfrequente Reflexionen aufgrund von Inkonsistenzen in der Messsignalleitung gedämpft werden.
Der Trimmerkondensator C
EQ1 ist so ausgelegt, dass er im 10X-Modus die Tiefpassfilterpole (Abb. 5) mit einer Grenzfrequenz in der Größenordnung von nur 1,5 kHz kompensiert! Es sollte nun klar sein, warum diese Entschädigung notwendig ist. Der Trimmerkondensator befindet sich manchmal nicht im Griff der Sonde, sondern am anderen Ende am Stecker - dann C
EQ1 mit einem festen Nennwert von ~ 15 pF, und die Abstimmung erfolgt durch den Kondensator C
EQ2 . Die Induktivität L
P ist die Induktivität der Rückstromschleife.
Basierend auf dem Vorstehenden können Sie ein Arbeitsmodell des Messkreises des Oszilloskops für die Positionen der Schalter "10X" und "1X" erhalten. Die numerischen Werte der Parameter sollten der Dokumentation der entsprechenden Sonden und Oszilloskope entnommen werden. In diesem Fall sollten sich die Parameter verschiedener Hersteller für eine bestimmte Bandbreite höchstwahrscheinlich nicht wesentlich unterscheiden. In Abb. Die LTSpice-Modelle 6 und 7 verwendeten Daten auf einem TDS2024B-Oszilloskop und einer P2200-Sonde.
Es ist wichtig zu verstehen, dass diese Modelle vereinfacht sind und nicht alle Störparameter berücksichtigen, daher geben sie keine genauen Werte der Bandbreite an. Sie geben jedoch eine qualitative Vorstellung vom Einfluss bestimmter Parameter während der Messung. Die ersten Ergebnisse, auf die Sie achten sollten, sind beispielsweise:
1. Das Sondendurchlassband im 1X-Modus ist mehr als eine Größenordnung kleiner als im 10X-Modus und beträgt etwa 6 ... 8 MHz. Dies entspricht der minimalen messbaren Signalflankendauer t
R = 0,35 / BW
PROBE ~ 45 ... 55 ns. Der Vorteil des „1X“ -Modus ist das um 20 dB erhöhte Signal-Rausch-Verhältnis, da bei gleicher Interferenz im Messsystem das Signal am Eingang des Oszilloskops zehnmal größer ist.
2. Durch Erhöhen der Induktivität der Rückstromschleife wird das Durchlassband verringert. Aus diesem Grund wird empfohlen, bei der Messung von Hochfrequenzsignalen zur Sicherstellung des Rückstroms kein „Krokodil“ mit einer Induktivität von ~ 200 nH, sondern eine spezielle Sondenspitze zu verwenden, die die Induktivität um eine Größenordnung reduziert (Abb. 8).
3. Der Einfluss des Abstimmkondensators im 10X-Modus auf die Übertragungsfunktion steigt ab Frequenzen von 200 ... 300 Hz auf ein Maximum bei Frequenzen von 2 ... 3 kHz. Aus diesem Grund verwenden Oszilloskope als Kalibrierungssignal normalerweise ein Signal mit einer Taktfrequenz von 1 kHz, dessen Fronten während der Abstimmung verzerrt werden (Abb. 9). Es ist eine gute Angewohnheit, Anpassungen sowohl beim Wechseln der Sonde oder des Oszilloskopkanals als auch regelmäßig vor dem Vornehmen von Messungen vorzunehmen.
Zusätzlich zu den elektrischen Eigenschaften der Sonde und der Eingangsschaltung des Oszilloskops im Modell in Abb. In 3 umfassen die Parameter die folgenden Größen: die Spannung der Signalquelle - ihr Spektrum, der Ausgangswiderstand der Quelle R
S , die Impedanz der Signalleitung Z
0 , die Lastimpedanz Z
LOAD - es ist die Impedanz unter Berücksichtigung der kapazitiven Komponente. Diese und andere Parameter sind in Tabelle 1 dargestellt, sie bestimmen die Zuverlässigkeit der Messergebnisse. Das Hauptkriterium ist, dass der untersuchte Teil des Spektralbandes des Signals im Durchlassbereich des Sonden + Oszilloskopsystems enthalten sein sollte, während die Signalamplitude akzeptable Werte nicht überschreiten sollte (dies ist besonders wichtig, wenn die Eingangsimpedanz des Oszilloskops 50 Ohm beträgt). Der Rest: Die Signalerfassung und Messung der Parameter ist eine technische Angelegenheit.
Der letzte Punkt, auf den ich eingehen möchte, ist die Bandbreite des Sonden + Oszilloskopsystems. Hier sollte das Missverständnis vermieden werden, dass bei Verwendung eines Oszilloskops und einer Sonde mit einer Bandbreite von 150 MHz die Bandbreite des Messsystems 150 MHz beträgt (dies ist nur mit Softwarekompensation möglich). Darüber hinaus bedeutet die Tatsache, dass 150 MHz auf die Sonde „geschrieben“ sind, nicht immer, dass es sich um echte 150 MHz handelt. Daher empfehle ich die Verwendung des sinusförmigen Signalgenerators, um das Durchlassband experimentell zu untersuchen. Die Frequenz, bei der die Signalamplitude von dem Wert bei niedrigen Frequenzen auf 0,707 abfällt, ist der gewünschte Wert. In diesem Fall ist darauf zu achten, ob die Übertragungsfunktion lokale Maxima enthält. Ich habe dies mit Hilfe des G4-107-Generators für mehrere Messsysteme gemacht, während ich die Verbindung mit der "Feder" verwendet habe (Abb. 10). Die Kompensation wurde vor jeder Messung durchgeführt und musste immer Anpassungen vornehmen, wenn auch kleine. Die Messungen wurden auch ohne Sonde unter Verwendung eines kurzen 50-Ohm-Koaxial-BNC-Kabels durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Überraschte PP510-Sonde mit der beanspruchten Bandbreite von 100 MHz.
Zusammenfassend möchte ich sagen, dass Sie bei Messungen mit einem Oszilloskop vorsichtig sein und die Korrelation zwischen erwarteten und erhaltenen Ergebnissen als Referenz verwenden sollten. Für den höheren Frequenzbereich sind passive Sonden vom Typ „1X / 10X“ nicht zum Messen von Signalen geeignet, deren Bandbreite 500 MHz überschreitet. Verwenden Sie dazu eine direkte Koaxialverbindung am 50-Ohm-Eingang des Oszilloskops oder der aktiven Sonden, um die Induktivität der Verbindung weiter zu minimieren (auch durch Verwendung von Lötverbindungen, Platzierung von Miniatur-Koaxialsteckern auf der Platine usw.). Das Thema ist sehr weit gefasst - es gibt isolierte Oszilloskope, isolierte Sonden, Differential- und Spezialsonden, aber all dies ist eine separate Konversation, die über den Rahmen dieses Artikels hinausgeht.
Dieses Material wurde noch nirgendwo veröffentlicht, ich warte auf Feedback. Danach wird der Artikel, möglicherweise in etwas detaillierterer Form, zusammen mit Material zur Hochspannungsisolierung in einer aktualisierten Version als Anhang in die Vollversion des Buches aufgenommen. Genaue Messungen, Leute!