Tout le monde sait probablement comment utiliser un oscilloscope. Il est très facile - vous accrochez le "crocodile" au sol, la pointe de la sonde - au point de mesure souhaité, ajustez l'échelle le long des axes vertical et horizontal et obtenez un balayage de tension temporaire à ce point. Oui, cela peut être fait, mais uniquement si vous tenez compte d'un certain nombre de facteurs, qui seront abordés dans cet article. Et si vous ne tenez pas compte, il y a une chance que l'image reçue sur l'écran de l'oscilloscope soit une image inutile. Et plus son coût est faible, plus il est probable.
Je dois dire tout de suite que l'article ne traite pas de l'interface de contrôle et des capacités d'un oscilloscope électronique typique - cela est relativement simple et peut être trouvé, par exemple,
ici . J'écris uniquement sur ce qui n'est pas si facile à trouver,
mais facile à perdre , surtout en russe. Lors de la lecture, vous aurez besoin de connaître les principes de base de la théorie des lignes de signal, par exemple, vous pouvez lire dans l'
une de mes publications précédentes.
Je pense que le scénario courant d'utilisation de l'oscilloscope dans le cycle de développement d'une carte de circuit imprimé est le suivant: si la carte ne fonctionne pas (court-circuit, le microcircuit surchauffe, le microcontrôleur ne clignote pas, les commandes de contrôle ne passent pas, etc.), nous commençons à chercher le problème en ramassant la sonde de l'oscilloscope et si cela fonctionne, alors c'est bien (Fig. 1).
De plus, si le développeur du produit n'est pas un radio-amateur qui remplit lui-même toutes ces fonctions, le nombre d'itérations même au «succès» conditionnel, qui consiste en le fonctionnement du produit, peut augmenter. Par conséquent, dans le cas de la séparation des fonctions, comme dans le cas du développement au sein de l'organisation, il est conseillé au développeur, sinon de collecter et de déboguer les premiers échantillons de produits, alors au moins d'être présent en usine afin d'analyser l'efficacité technologique du développement.
D'après mon expérience, pour les premiers échantillons de produits, l'assemblage des blocs, en commençant par le sous-système de puissance, avec le contrôle des paramètres électriques des sous-systèmes est beaucoup plus efficace (Fig. 2).
Avec cette approche, la portée du dépannage est réduite, car elle ne peut se produire que dans une unité nouvellement assemblée ou lorsque cette unité interagit avec des unités déjà vérifiées. Le contrôle des paramètres électriques garantit que le produit ne fonctionne pas seulement correctement, mais que tous ou les principaux signaux électriques correspondent au comportement attendu. Dans ce cas, le «succès» est déjà plus approfondi, et nous pouvons procéder au cycle complet de tests avec les influences externes requises.
Revenons à l'utilisation des oscilloscopes. Lors de la description de leur place dans le développement des cartes de circuits imprimés, un principe important des mesures (et des mesures utilisant un oscilloscope en particulier) a été implicitement formulé, dont Eric Bogatin parle souvent dans ses conférences.
Jusqu'au moment de la mesure, il est nécessaire d'avoir une idée de son résultat attendu. En cas de coïncidence des attentes et de la réalité, nous pouvons parler du modèle correct du processus, en cas de divergence significative - soit la nécessité de revérifier les paramètres attendus (obtenus à l'aide de calculs analytiques directs, de résultats de simulation ou sur la base de l'expérience), soit d'une mesure incorrecte, soit d'un fonctionnement incorrect du produit .
Dans le contexte du sujet de la publication, il convient de prêter attention à l'option d'une mesure incorrecte. Dans les mesures utilisant un oscilloscope, comme jamais auparavant, nous appliquons «l'effet d'observateur» de la physique quantique, lorsque la présence d'un observateur affecte le processus observé. Sur l'écran de l'oscilloscope, vous pouvez observer tel qu'il n'aura rien à voir avec la réalité. Nous trouvons comment éviter cela.
Commençons par la formulation du résultat final idéal: observez sur l'écran de l'oscilloscope un balayage temporaire de la tension à un point spécifique de la ligne de signal à un moment donné sans introduire de distorsions. Qu'il y ait un oscilloscope à grande vitesse idéal avec une bande passante infinie, fournissant une conversion analogique-numérique avec le niveau de résolution requis. Ensuite, pour résoudre le problème, un signal doit être transmis d'un point de la carte de circuit imprimé à l'entrée coaxiale de l'oscilloscope, ce qui remplit les conditions suivantes:
- Fournit un contact mécanique stable avec une résistance de contact nulle aux points de contact. Il y en a deux, tous deux équivalents: l'un fournit un chemin pour le courant continu, l'autre pour le courant de retour.
- La ligne de signal formée ne doit pas charger le circuit de signal mesuré, c'est-à-dire qu'elle doit avoir une impédance infinie.
- La ligne de signal formée ne doit pas introduire de distorsions dans le signal mesuré, c'est-à-dire qu'elle doit avoir une fonction de transfert plate dans une bande de fréquence infinie et une caractéristique de phase linéaire.
- La ligne de signal formée ne doit pas introduire ses propres interférences dans le signal mesuré et doit également être idéalement protégée des interférences externes.
Bien sûr, dans des cas généraux, ces conditions ne sont pas réalisables, cependant, la formulation du résultat final idéal est utile pour analyser le problème. En particulier, il permet de comprendre qu'un véritable système de mesure a des limites qui restreignent la portée des mesures fiables.
Dans la fig. La figure 3 montre le circuit équivalent du circuit de mesure utilisant le type de sonde le plus courant «1X / 10X», qui dans la plupart des cas est inclus avec l'ensemble standard de l'oscilloscope.
La résistance CC de la sonde en position «10X» est d'environ 9 MΩ - il s'agit d'une résistance connectée en série qui forme un diviseur de tension de 1:10 avec une résistance d'oscilloscope d'entrée de 1 MΩ. D'où le nom de la sonde «10X», qui dans ce mode
réduit le signal mesuré de 10 fois (mais il n'y a pas de micros et de bruit introduit par le système). En position de commutateur «1X», cette résistance est court-circuitée et la résistance de la sonde est la résistance du câble coaxial de la sonde. Je recommande de mesurer cette résistance - de la pointe de la sonde à la broche centrale du connecteur BNC - et de m'assurer qu'elle n'est pas «nulle», comme un câble coaxial ordinaire de 50 ohms, mais plusieurs centaines d'ohms. Si vous coupez le câble (Fig.4), vous pouvez voir un mince conducteur nichrome entouré d'un matériau isolant en mousse avec une faible constante diélectrique εr ~ 1. Il s'agit d'une ligne avec perte, c'est-à-dire Le câble est conçu pour atténuer les réflexions haute fréquence dues aux incohérences dans la ligne du signal de mesure.
Le condensateur trimmer C
EQ1 est conçu pour compenser en mode «10X» les pôles du filtre passe-bas (Fig. 5) avec une fréquence de coupure de l'ordre de 1,5 kHz seulement! Il devrait maintenant être clair pourquoi cette compensation est nécessaire. Le condensateur du potentiomètre est parfois situé non pas dans la poignée de la sonde, mais à l'extrémité, au connecteur - puis C
EQ1 d'une valeur nominale fixe de ~ 15 pF, et le réglage est effectué par le condensateur C
EQ2 . L'inductance L
P est l'inductance de la boucle de courant de retour.
Sur la base de ce qui précède, vous pouvez obtenir un modèle de travail du circuit de mesure de l'oscilloscope pour les positions de l'interrupteur "10X" et "1X". Les valeurs numériques des paramètres doivent être extraites de la documentation des sondes et oscilloscopes correspondants. Dans ce cas, très probablement, les paramètres des différents fabricants ne devraient pas différer de manière significative pour une bande passante donnée. En présenté sur fig. Les modèles 6 et 7 LTSpice utilisaient des données sur un oscilloscope TDS2024B et une sonde P2200.
Il est important de comprendre que ces modèles sont simplifiés et ne prennent pas en compte tous les paramètres parasites, ils ne donnent donc pas de valeurs exactes de la bande passante. Cependant, ils donnent une idée qualitative de l'influence de certains paramètres lors de la mesure. Par exemple, les premiers résultats auxquels vous devez faire attention sont:
1. La bande passante de la sonde en mode 1X est plus d'un ordre de grandeur plus petite qu'en mode 10X et s'élève à environ 6 ... 8 MHz. Cela correspond à la durée minimale du front de signal mesurable t
R = 0,35 /
SONDE BW ~ 45 ... 55 ns. L'avantage du mode «1X» est le rapport signal / bruit augmenté de 20 dB, car au même niveau d'interférence dans le système de mesure, le signal à l'entrée de l'oscilloscope est 10 fois plus important.
2. L'augmentation de l'inductance de la boucle de courant de retour réduit la bande passante. C'est pourquoi lors de la mesure de signaux à haute fréquence pour assurer le courant de retour, il est recommandé d'utiliser non pas un «crocodile» avec une inductance de ~ 200 nH, mais une pointe de sonde spéciale, qui réduit l'inductance d'un ordre de grandeur (Fig. 8).
3. L'influence du condensateur d'accord en mode «10X» sur la fonction de transfert augmente, à partir de fréquences de 200 ... 300 Hz, jusqu'à un maximum à des fréquences de 2 ... 3 kHz. C'est pourquoi, en tant que signal d'étalonnage, les oscilloscopes utilisent généralement un signal avec une fréquence d'horloge de 1 kHz, dont les fronts sont déformés pendant l'accord (Fig. 9). Une bonne habitude consiste à effectuer des ajustements à la fois lors du changement de la sonde ou du canal de l'oscilloscope, et périodiquement avant de prendre des mesures.
En plus des caractéristiques électriques de la sonde et du circuit d'entrée de l'oscilloscope dans le modèle de la Fig. 3, les paramètres comprennent les quantités suivantes: la tension de la source de signal - son spectre, la résistance de sortie de la source R
S , l'impédance de la ligne de signal Z
0 , l'impédance de charge Z
LOAD - c'est l'impédance, en tenant compte de la composante capacitive. Ces paramètres et d'autres sont présentés dans le tableau 1, ils déterminent la fiabilité des résultats de mesure. Le critère principal est que la partie étudiée de la bande spectrale du signal doit être incluse dans la bande passante du système sonde + oscilloscope, tandis que l'amplitude du signal ne doit pas dépasser des valeurs acceptables (ceci est particulièrement important lorsque l'impédance d'entrée de l'oscilloscope est de 50 Ohms). Le reste: la capture du signal et la mesure de ses paramètres est une question technique.
Le dernier point sur lequel je veux m'attarder est la bande passante du système sonde + oscilloscope. Ici, il convient d'éviter l'idée fausse que si vous prenez un oscilloscope et une sonde avec une bande passante de 150 MHz, la bande passante du système de mesure sera de 150 MHz (cela n'est possible qu'avec une compensation logicielle). De plus, le fait que 150 MHz soit «écrit» sur la sonde ne signifie pas toujours qu'il s'agit bien de 150 MHz. Par conséquent, je recommande d'utiliser le générateur de signal sinusoïdal pour étudier expérimentalement la bande passante. La fréquence à laquelle l'amplitude du signal diminue à 0,707 par rapport à la valeur aux basses fréquences, ce sera la valeur souhaitée. Dans ce cas, il convient de vérifier s'il existe des maxima locaux dans la fonction de transfert. Je l'ai fait à l'aide du générateur G4-107 pour plusieurs systèmes de mesure, tout en utilisant la connexion avec le "ressort" (Fig. 10). La compensation a été effectuée avant chaque mesure, et a toujours dû faire des ajustements, même petits. Les mesures ont également été effectuées sans sonde à l'aide d'un câble BNC coaxial court de 50 ohms. Les résultats sont présentés dans le tableau 2. Sonde PP510 surprise avec la bande passante revendiquée de 100 MHz.
En général, pour résumer, je tiens à dire que vous devez faire attention aux mesures avec un oscilloscope et utiliser la corrélation entre les résultats attendus et obtenus comme référence. Comme pour la gamme de fréquences supérieure, les sondes passives de type «1X / 10X» ne sont pas applicables pour mesurer des signaux dont la bande passante dépasse 500 MHz. Pour ce faire, utilisez une connexion coaxiale directe à l'entrée 50 ohms de l'oscilloscope ou des sondes actives, minimisez davantage l'inductance de la connexion (y compris grâce à l'utilisation de connexions soudées, au placement de connecteurs coaxiaux miniatures sur la carte, etc.). Le sujet est très large - il existe des oscilloscopes isolés, des sondes isolées, des sondes différentielles et spécialisées, mais tout cela est une conversation distincte, au-delà de la portée de cet article.
Ce matériel n'a été publié nulle part auparavant, j'attends des commentaires. Après cela, l'article, peut-être sous une forme légèrement plus détaillée, ainsi que des documents sur l'isolation haute tension, seront inclus en annexe dans la version complète du livre dans une version mise à jour. Des mesures précises, les gens!