Mungkin semua orang tahu cara menggunakan osiloskop. Sangat mudah - Anda mengaitkan "buaya" ke tanah, ujung probe - ke titik pengukuran yang diinginkan, sesuaikan skala di sepanjang sumbu vertikal dan horizontal dan dapatkan pemindaian tegangan sementara pada titik ini. Ya, ini bisa dilakukan, tetapi hanya jika Anda memperhitungkan sejumlah faktor, yang akan dibahas dalam artikel ini. Dan jika Anda tidak memperhitungkannya, maka ada kemungkinan gambar yang diterima di layar osiloskop adalah gambar yang tidak berguna. Dan semakin rendah biayanya, semakin besar kemungkinannya.
Saya harus segera mengatakan bahwa artikel tersebut tidak membahas antarmuka kontrol dan kemampuan osiloskop elektronik yang khas - ini relatif sederhana dan dapat ditemukan, misalnya, di
sini . Saya hanya menulis tentang apa yang tidak begitu mudah ditemukan,
tetapi mudah hilang , terutama dalam bahasa Rusia. Saat membaca, Anda akan memerlukan pengetahuan tentang prinsip-prinsip dasar teori garis sinyal, misalnya, Anda dapat membaca di
salah satu publikasi saya sebelumnya.
Saya pikir skenario umum untuk menggunakan osiloskop dalam siklus pengembangan papan sirkuit tercetak adalah sebagai berikut: jika papan tidak berfungsi (korsleting, sirkuit mikro terlalu panas, mikrokontroler tidak berkedip, perintah kontrol tidak lulus, dll.), Kita mulai mencari masalah dengan mengambil probe osiloskop dan jika berfungsi, maka itu baik (Gbr. 1).
Selain itu, jika pengembang produk bukan seorang amatir radio yang melakukan sendiri semua fungsi ini, maka jumlah iterasi bahkan hingga "keberhasilan" bersyarat, yang terdiri dari fungsi produk, dapat meningkat. Oleh karena itu, dalam hal pemisahan fungsi, seperti dalam kasus pengembangan dalam organisasi, disarankan untuk pengembang, jika tidak mengumpulkan dan men-debug sampel produk pertama, maka setidaknya hadir di pabrik untuk menganalisis efektivitas teknologi pengembangan.
Dalam pengalaman saya, untuk sampel produk pertama, perakitan blok, dimulai dengan subsistem daya, dengan kontrol parameter listrik dari subsistem jauh lebih efisien (Gbr. 2).
Dengan pendekatan ini, ruang lingkup pemecahan masalah dipersempit, karena hanya dapat terjadi di unit yang baru dirakit atau ketika unit ini berinteraksi dengan yang sudah diverifikasi. Kontrol parameter listrik memastikan bahwa produk tidak hanya berfungsi dengan benar, tetapi bahwa semua atau sinyal listrik utama sesuai dengan perilaku yang diharapkan. Dalam hal ini, "kesuksesan" sudah lebih menyeluruh, dan kita dapat melanjutkan ke siklus penuh tes dengan pengaruh eksternal yang diperlukan.
Mari kita kembali menggunakan osiloskop. Ketika menggambarkan tempat mereka dalam pengembangan papan sirkuit cetak, prinsip penting pengukuran (dan pengukuran menggunakan osiloskop khususnya) dirumuskan secara implisit, yang sering dibicarakan oleh Eric Bogatin dalam kuliahnya.
Sampai saat pengukuran, perlu untuk mengetahui hasil yang diharapkan. Dalam hal kebetulan dari harapan dan kenyataan, kita dapat berbicara tentang model proses yang benar, dalam kasus perbedaan yang signifikan - baik kebutuhan untuk memeriksa ulang parameter yang diharapkan (diperoleh dengan menggunakan perhitungan analitik langsung, hasil simulasi atau berdasarkan pengalaman), atau pengukuran yang salah, atau kesalahan fungsi produk .
Dalam konteks topik publikasi, perlu memperhatikan opsi pengukuran yang salah. Dalam pengukuran menggunakan osiloskop, seperti yang belum pernah terjadi sebelumnya, kami menerapkan "efek pengamat" dari fisika kuantum, ketika kehadiran pengamat memengaruhi proses yang diamati. Pada layar osiloskop, Anda dapat mengamati sedemikian rupa sehingga tidak ada hubungannya dengan kenyataan. Kami mencari cara untuk mencegah hal ini.
Mari kita mulai dengan perumusan hasil akhir yang ideal: amati pada layar osiloskop pemindaian sementara tegangan pada titik tertentu dari garis sinyal pada titik waktu tertentu tanpa menimbulkan distorsi. Biarkan ada osiloskop berkecepatan tinggi yang ideal dengan bandwidth tak terbatas, memberikan konversi analog-ke-digital dengan tingkat resolusi yang diperlukan. Kemudian, untuk menyelesaikan masalah, sinyal harus ditransmisikan dari titik pada papan sirkuit cetak ke input koaksial osiloskop, yang memenuhi kondisi berikut:
- Memberikan kontak mekanis yang stabil dengan resistansi kontak nol di titik kontak. Ada dua dari mereka, keduanya setara: satu menyediakan jalur untuk arus searah, yang lain untuk arus balik.
- Garis sinyal yang terbentuk tidak boleh memuat rangkaian sinyal yang diukur, yaitu, harus memiliki impedansi tak terbatas.
- Garis sinyal yang terbentuk tidak boleh memasukkan distorsi ke dalam sinyal yang diukur, yaitu, ia harus memiliki fungsi transfer datar dalam pita frekuensi tak terbatas dan karakteristik fase linier.
- Garis sinyal yang terbentuk tidak boleh memasukkan interferensinya sendiri ke dalam sinyal yang diukur, dan juga harus secara ideal dilindungi dari interferensi eksternal.
Tentu saja, dalam kasus umum, kondisi ini tidak layak, namun, perumusan hasil akhir yang ideal berguna dalam menganalisis masalah. Secara khusus, ini memberikan pemahaman bahwa sistem pengukuran nyata memiliki keterbatasan yang mempersempit ruang lingkup pengukuran yang andal.
Dalam gbr. Gambar 3 menunjukkan rangkaian ekivalen dari rangkaian pengukur menggunakan jenis probe paling umum “1X / 10X”, yang dalam kebanyakan kasus disertakan dengan set standar osiloskop.
Resistansi DC probe pada posisi "10X" adalah sekitar 9 MΩ - ini adalah resistor yang terhubung seri yang membentuk pembagi tegangan 1:10 dengan resistansi osiloskop input 1 MΩ. Oleh karena itu nama probe "10X", yang dalam mode ini
mengurangi sinyal yang diukur sebanyak 10 kali (tetapi tidak ada pickup dan noise yang diperkenalkan oleh sistem). Dalam posisi sakelar “1X”, resistor ini disingkat dan resistansi probe adalah resistansi kabel koaksial probe. Saya merekomendasikan mengukur hambatan ini - dari ujung probe ke pin pusat konektor BNC - dan pastikan itu bukan "nol", seperti kabel koaksial 50-ohm biasa, tetapi beberapa ratus ohm. Jika Anda memotong kabel (Gbr. 4), Anda dapat melihat konduktor nikrom tipis yang dikelilingi oleh bahan insulasi berbusa dengan konstanta dielektrik rendah εr ~ 1. Ini adalah garis lossy, mis. Kabel dirancang untuk menipiskan refleksi frekuensi tinggi karena ketidakkonsistenan dalam garis sinyal pengukuran.
Kapasitor pemangkas C
EQ1 dirancang untuk mengkompensasi dalam mode "10X" tiang filter low-pass (Gbr. 5) dengan frekuensi cutoff dari urutan hanya 1,5 kHz! Sekarang harus jelas mengapa kompensasi ini diperlukan. Kapasitor pemangkas kadang-kadang terletak tidak di gagang probe, tetapi di ujung, di konektor - lalu C
EQ1 dengan nilai nominal tetap ~ 15 pF, dan penyetelan dilakukan oleh kapasitor C
EQ2 . Induktansi LP adalah induktansi dari loop arus balik.
Berdasarkan uraian di atas, Anda bisa mendapatkan model kerja dari rangkaian pengukuran osiloskop untuk posisi saklar "10X" dan "1X". Nilai numerik dari parameter harus diambil dari dokumentasi untuk probe dan osiloskop yang sesuai. Dalam hal ini, kemungkinan besar, parameter dari berbagai pabrikan seharusnya tidak berbeda secara signifikan untuk bandwidth yang diberikan. Dalam disajikan pada gambar. 6 dan 7 model LTSpice menggunakan data pada osiloskop TDS2024B dan probe P2200.
Penting untuk dipahami bahwa model-model ini disederhanakan dan tidak memperhitungkan semua parameter palsu, oleh karena itu mereka tidak memberikan nilai bandwidth yang tepat. Namun, mereka memberikan ide kualitatif tentang pengaruh parameter tertentu selama pengukuran. Misalnya, hasil pertama yang harus Anda perhatikan adalah:
1. Passband probe dalam mode 1X lebih dari urutan besarnya lebih kecil dari pada mode 10X dan jumlahnya sekitar 6 ... 8 MHz. Ini sesuai dengan durasi tepi sinyal minimum yang dapat diukur t
R = 0,35 / BW
PROBE ~ 45 ... 55 ns. Keuntungan dari mode “1X” adalah rasio signal-to-noise meningkat sebesar 20 dB, karena pada tingkat interferensi yang sama dalam sistem pengukuran, sinyal pada input osiloskop adalah 10 kali lebih besar.
2. Meningkatkan induktansi dari loop arus balik akan mengurangi passband. Itulah sebabnya ketika mengukur sinyal frekuensi tinggi untuk memastikan arus balik, disarankan untuk tidak menggunakan "buaya" dengan induktansi ~ 200 nH, tetapi tip probe khusus, yang mengurangi induktansi dengan urutan besarnya (Gbr. 8).
3. Pengaruh kapasitor tala dalam mode "10X" pada fungsi transfer meningkat, mulai dari frekuensi 200 ... 300 Hz, hingga maksimum pada frekuensi 2 ... 3 kHz. Itulah sebabnya, sebagai sinyal kalibrasi, osiloskop biasanya menggunakan sinyal dengan frekuensi clock 1 kHz, yang bagian depannya terdistorsi selama penyetelan (Gbr. 9). Kebiasaan yang baik adalah membuat penyesuaian baik saat mengganti probe atau saluran osiloskop, atau secara berkala sebelum melakukan pengukuran.
Selain karakteristik listrik dari probe dan rangkaian input dari osiloskop dalam model pada Gambar. 3, parameter meliputi jumlah berikut: tegangan sumber sinyal - spektrumnya, resistansi keluaran sumber RS, impedansi garis sinyal Z
0 , impedansi beban Z
LOAD - itu adalah impedansi, dengan mempertimbangkan komponen kapasitif. Parameter ini dan lainnya disajikan pada tabel 1, mereka menentukan keandalan hasil pengukuran. Kriteria utama adalah bahwa bagian yang dipelajari dari pita spektral sinyal harus dimasukkan dalam passband dari probe + sistem osiloskop, sedangkan amplitudo sinyal tidak boleh melebihi nilai yang dapat diterima (ini sangat penting ketika impedansi input dari osiloskop adalah 50 Ohm). Sisanya: penangkapan sinyal dan pengukuran parameternya adalah masalah teknis.
Poin terakhir yang ingin saya bahas adalah bandwidth dari sistem probe + osiloskop. Di sini ada baiknya menghindari kesalahpahaman bahwa jika Anda mengambil osiloskop dan probe dengan bandwidth 150 MHz, bandwidth sistem pengukuran akan 150 MHz (ini hanya mungkin dengan kompensasi perangkat lunak). Selain itu, fakta bahwa 150 MHz "ditulis" pada probe tidak selalu berarti bahwa ini adalah 150 MHz nyata. Karena itu, saya sarankan menggunakan generator sinyal sinusoidal untuk secara eksperimental menyelidiki passband. Frekuensi di mana amplitudo sinyal menurun ke 0,707 dari nilai pada frekuensi rendah, ini akan menjadi nilai yang diinginkan. Dalam hal ini, perlu memperhatikan apakah ada maksima lokal dalam fungsi transfer. Saya melakukan ini dengan bantuan generator G4-107 untuk beberapa sistem pengukuran, saat menggunakan koneksi dengan "pegas" (Gbr. 10). Kompensasi dilakukan sebelum setiap pengukuran, dan selalu harus melakukan penyesuaian, meskipun kecil. Pengukuran juga dilakukan tanpa probe menggunakan kabel BNC coaxial pendek 50 ohm. Hasilnya disajikan dalam tabel 2. Surplused PP510 probe dengan bandwidth yang diklaim 100 MHz.
Secara umum, untuk meringkas, saya ingin mengatakan bahwa Anda harus berhati-hati tentang pengukuran dengan osiloskop, dan menggunakan korelasi antara hasil yang diharapkan dan yang diperoleh sebagai referensi. Sedangkan untuk rentang frekuensi yang lebih tinggi, probe pasif dari tipe “1X / 10X” tidak berlaku untuk mengukur sinyal yang bandwidth-nya melebihi 500 MHz. Untuk melakukan ini, gunakan koneksi koaksial langsung pada input 50-ohm dari osiloskop atau probe aktif, lebih lanjut meminimalkan induktansi koneksi (termasuk melalui penggunaan koneksi yang disolder, penempatan konektor coaxial miniatur di papan, dll). Topiknya sangat luas - ada osiloskop terisolasi, probe terisolasi, probe diferensial dan khusus, tetapi semua ini adalah percakapan terpisah, di luar ruang lingkup artikel ini.
Materi ini belum pernah dipublikasikan sebelumnya, saya menunggu umpan balik. Setelah itu, artikel itu, mungkin dalam bentuk yang sedikit lebih rinci, bersama-sama dengan bahan pada isolasi tegangan tinggi, akan dimasukkan sebagai lampiran dalam versi lengkap buku ini dalam rilis yang diperbarui. Pengukuran yang akurat, semuanya!