Probablemente todos sepan cómo usar un osciloscopio. Es muy fácil: engancha el "cocodrilo" al suelo, la punta de la sonda, al punto de medición deseado, ajusta la escala a lo largo de los ejes vertical y horizontal y obtén un escaneo temporal de voltaje en este punto. Sí, esto se puede hacer, pero solo si tiene en cuenta una serie de factores, que se discutirán en este artículo. Y si no tiene en cuenta, existe la posibilidad de que la imagen recibida en la pantalla del osciloscopio sea una imagen inútil. Y cuanto menor sea su costo, más probable es.
Debo decir de inmediato que el artículo no trata sobre la interfaz de control y las capacidades de un osciloscopio electrónico típico; esto es relativamente simple y se puede encontrar, por ejemplo,
aquí . Escribo solo sobre lo que no es tan fácil de encontrar,
pero sí fácil de perder , especialmente en ruso. Al leer, necesitará conocer los principios básicos de la teoría de las líneas de señal, por ejemplo, puede leer en
una de mis publicaciones anteriores.
Creo que el escenario común para usar el osciloscopio en el ciclo de desarrollo de una placa de circuito impreso es el siguiente: si la placa no funciona (cortocircuito, el microcircuito se sobrecalienta, el microcontrolador no parpadea, los comandos de control no pasan, etc.), comenzamos a buscar el problema levantando la sonda del osciloscopio y si funciona, entonces es bueno (Fig. 1).
Además, si el desarrollador del producto no es un radioaficionado que realiza todas estas funciones él mismo, el número de iteraciones, incluso para el "éxito" condicional, que consiste en el funcionamiento del producto, puede aumentar. Por lo tanto, en el caso de la separación de funciones, como en el caso del desarrollo dentro de la organización, es aconsejable que el desarrollador, si no recolecte y depure las primeras muestras del producto, al menos esté presente en la fábrica para analizar el desarrollo tecnológico.
En mi experiencia, para las primeras muestras de productos, el ensamblaje de bloques, comenzando con el subsistema de potencia, con el control de los parámetros eléctricos de los subsistemas es mucho más eficiente (Fig. 2).
Con este enfoque, el alcance de la resolución de problemas se reduce, ya que solo puede ocurrir en una unidad recién ensamblada o cuando esta unidad interactúa con unidades ya verificadas. El control de los parámetros eléctricos garantiza que el producto no solo funcione correctamente, sino que todas o las señales eléctricas principales se correspondan con el comportamiento esperado. En este caso, el "éxito" ya es más exhaustivo, y podemos proceder al ciclo completo de pruebas con las influencias externas requeridas.
Volvamos al uso de osciloscopios. Al describir su lugar en el desarrollo de placas de circuito impreso, se formuló implícitamente un principio importante de mediciones (y mediciones con un osciloscopio en particular), del que Eric Bogatin habla a menudo en sus conferencias.
Hasta el momento de la medición es necesario tener una idea de su resultado esperado. En caso de coincidencia de expectativas y realidad, podemos hablar sobre el modelo correcto del proceso, en caso de discrepancia significativa, ya sea la necesidad de verificar los parámetros esperados (obtenidos mediante cálculos analíticos directos, resultados de simulación o basados en la experiencia), o medición incorrecta o funcionamiento incorrecto del producto. .
En el contexto del tema de publicación, vale la pena prestar atención a la opción de medición incorrecta. En las mediciones que utilizan un osciloscopio, como nunca antes, aplicamos el "efecto observador" de la física cuántica, cuando la presencia de un observador afecta el proceso observado. En la pantalla del osciloscopio, puede observar de manera que no tenga nada que ver con la realidad. Descubrimos cómo prevenir esto.
Comencemos con la formulación del resultado final ideal: observe en la pantalla del osciloscopio una exploración temporal del voltaje en un punto específico de la línea de señal en un punto dado en el tiempo sin introducir distorsiones. Deje que haya un osciloscopio de alta velocidad ideal con un ancho de banda infinito, que proporcione conversión de analógico a digital con el nivel de resolución requerido. Luego, para resolver el problema, se debe transmitir una señal desde un punto de la placa de circuito impreso a la entrada coaxial del osciloscopio, que cumple las siguientes condiciones:
- Proporciona un contacto mecánico estable con resistencia de contacto cero en los puntos de contacto. Hay dos de ellos, ambos equivalentes: uno proporciona una ruta para la corriente continua, el otro para la corriente de retorno.
- La línea de señal formada no debe cargar el circuito de señal medido, es decir, debe tener una impedancia infinita.
- La línea de señal formada no debe introducir distorsiones en la señal medida, es decir, debe tener una función de transferencia plana en una banda de frecuencia infinita y una característica de fase lineal.
- La línea de señal formada no debe introducir su propia interferencia en la señal medida, y también debe estar idealmente protegida de interferencia externa.
Por supuesto, en casos generales, estas condiciones no son factibles, sin embargo, la formulación del resultado final ideal es útil para analizar el problema. En particular, proporciona una comprensión de que un sistema de medición real tiene limitaciones que limitan el alcance de las mediciones confiables.
En la fig. La Figura 3 muestra el circuito equivalente del circuito de medición utilizando el tipo más común de sonda "1X / 10X", que en la mayoría de los casos se incluye con el conjunto estándar del osciloscopio.
La resistencia de CC de la sonda en la posición “10X” es de aproximadamente 9 MΩ: esta es una resistencia conectada en serie que forma un divisor de voltaje de 1:10 con una resistencia de osciloscopio de entrada de 1 MΩ. De ahí el nombre de la sonda "10X", que en este modo
reduce la señal medida en 10 veces (pero no hay captaciones ni ruido introducido por el sistema). En la posición del interruptor "1X", esta resistencia está en cortocircuito y la resistencia de la sonda es la resistencia del cable coaxial de la sonda. Recomiendo medir esta resistencia, desde la punta de la sonda hasta el pin central del conector BNC, y asegúrese de que no sea "cero", como un cable coaxial normal de 50 ohmios, sino de varios cientos de ohmios. Si corta el cable (Fig.4), puede ver un conductor de nicromo delgado rodeado de un material aislante espumado con una constante dieléctrica baja εr ~ 1. Esta es una línea con pérdida, es decir. El cable está diseñado para atenuar las reflexiones de alta frecuencia debido a inconsistencias en la línea de señal de medición.
El condensador de trimmer C
EQ1 está diseñado para compensar en el modo "10X" los polos de filtro de paso bajo (Fig. 5) con una frecuencia de corte del orden de solo 1.5 kHz. Ahora debería quedar claro por qué esta compensación es necesaria. El condensador de recorte a veces se encuentra no en el mango de la sonda, sino en el extremo más alejado, en el conector, luego C
EQ1 de un valor nominal fijo de ~ 15 pF, y el condensador C
EQ2 realiza la sintonización . La inductancia L
P es la inductancia del bucle de corriente de retorno.
Basado en lo anterior, puede obtener un modelo funcional del circuito de medición del osciloscopio para las posiciones de los interruptores "10X" y "1X". Los valores numéricos de los parámetros deben tomarse de la documentación de las sondas y osciloscopios correspondientes. En este caso, muy probablemente, los parámetros de varios fabricantes no deberían diferir significativamente para un ancho de banda dado. En presentado en la fig. 6 y 7 modelos LTSpice utilizaron datos en un osciloscopio TDS2024B y una sonda P2200.
Es importante comprender que estos modelos están simplificados y no tienen en cuenta todos los parámetros espurios, por lo tanto, no dan valores exactos del ancho de banda. Sin embargo, dan una idea cualitativa de la influencia de ciertos parámetros durante la medición. Por ejemplo, los primeros resultados a los que debe prestar atención son:
1. La banda de paso de la sonda en el modo 1X es más de un orden de magnitud menor que en el modo 10X y asciende a aproximadamente 6 ... 8 MHz. Esto corresponde a la duración mínima medible del borde de la señal t
R = 0.35 / BW
PROBE ~ 45 ... 55 ns. La ventaja del modo "1X" es que la relación señal / ruido aumentó en 20 dB, ya que al mismo nivel de interferencia en el sistema de medición, la señal en la entrada del osciloscopio es 10 veces mayor.
2. El aumento de la inductancia del bucle de corriente de retorno reduce la banda de paso. Es por eso que cuando se miden señales de alta frecuencia para garantizar la corriente de retorno, se recomienda no utilizar un "cocodrilo" con una inductancia de ~ 200 nH, sino una punta de sonda especial, que reduce la inductancia en un orden de magnitud (Fig. 8).
3. La influencia del condensador de sintonización en el modo "10X" en la función de transferencia aumenta, comenzando desde frecuencias de 200 ... 300 Hz, hasta un máximo en frecuencias de 2 ... 3 kHz. Es por eso que, como señal de calibración, los osciloscopios suelen usar una señal con una frecuencia de reloj de 1 kHz, cuyos frentes se distorsionan durante la sintonización (Fig. 9). Un buen hábito es hacer ajustes tanto al cambiar la sonda o el canal del osciloscopio, como periódicamente antes de tomar medidas.
Además de las características eléctricas de la sonda y el circuito de entrada del osciloscopio en el modelo de la Fig. 3, los parámetros incluyen las siguientes cantidades: el voltaje de la fuente de señal - su espectro, la resistencia de salida de la fuente R
S , la impedancia de la línea de señal Z
0 , la impedancia de carga Z
CARGA - es la impedancia, teniendo en cuenta el componente capacitivo. Estos y otros parámetros se presentan en la tabla 1, determinan la fiabilidad de los resultados de la medición. El criterio principal es que la parte estudiada de la banda espectral de la señal debe incluirse en la banda de paso del sistema de sonda + osciloscopio, mientras que la amplitud de la señal no debe exceder los valores aceptables (esto es especialmente importante cuando la impedancia de entrada del osciloscopio es de 50 ohmios). El resto: la captura de señal y la medición de sus parámetros es una cuestión técnica.
El último punto en el que quiero detenerme es el ancho de banda del sistema de sonda + osciloscopio. Aquí vale la pena evitar la idea errónea de que si toma un osciloscopio y una sonda con un ancho de banda de 150 MHz, el ancho de banda del sistema de medición será de 150 MHz (esto solo es posible con compensación de software). Además, el hecho de que 150 MHz esté "escrito" en la sonda no siempre significa que estos sean 150 MHz reales. Por lo tanto, recomiendo usar el generador de señal sinusoidal para investigar experimentalmente la banda de paso. La frecuencia a la que la amplitud de la señal disminuye a 0,707 desde el valor a bajas frecuencias, este será el valor deseado. En este caso, vale la pena prestar atención a si hay máximos locales en la función de transferencia. Lo hice con la ayuda del generador G4-107 para varios sistemas de medición, mientras usaba la conexión con el "resorte" (Fig. 10). La compensación se realizó antes de cada medición, y siempre tuvo que hacer ajustes, aunque pequeños. Las mediciones también se realizaron sin una sonda utilizando un cable BNC coaxial corto de 50 ohmios. Los resultados se presentan en la tabla 2. Sonda PP510 sorprendida con el ancho de banda reclamado de 100 MHz.
En general, para resumir, quiero decir que debe tener cuidado con las mediciones con un osciloscopio y utilizar la correlación entre los resultados esperados y obtenidos como referencia. En cuanto al rango de frecuencia más alto, las sondas pasivas del tipo "1X / 10X" no son aplicables para medir señales cuyo ancho de banda excede los 500 MHz. Para hacer esto, use una conexión coaxial directa en la entrada de 50 ohmios del osciloscopio o las sondas activas, minimice aún más la inductancia de la conexión (incluso mediante el uso de conexiones soldadas, la colocación de conectores coaxiales en miniatura en la placa, etc.). El tema es muy amplio: hay osciloscopios aislados, sondas aisladas, sondas diferenciales y especializadas, pero todo esto es una conversación separada, más allá del alcance de este artículo.
Este material no ha sido publicado en ninguna parte antes, estoy esperando comentarios. Después de eso, el artículo, posiblemente en una forma un poco más detallada, junto con material sobre aislamiento de alto voltaje, se incluirá como un apéndice en la versión completa del libro en una versión actualizada. ¡Mediciones precisas, gente!