Provavelmente todo mundo sabe como usar um osciloscópio. É muito fácil - você conecta o "crocodilo" ao chão, a ponta da sonda - no ponto de medição desejado, ajusta a escala ao longo dos eixos vertical e horizontal e faz uma varredura temporária de tensão nesse ponto. Sim, isso pode ser feito, mas apenas se você levar em consideração vários fatores, os quais serão discutidos neste artigo. E se você não levar em consideração, existe a chance de a imagem recebida na tela do osciloscópio ser uma imagem inútil. E quanto menor o custo, maior a probabilidade.
Devo dizer imediatamente que o artigo não discute a interface de controle e os recursos de um osciloscópio eletrônico típico - isso é relativamente simples e pode ser encontrado, por exemplo,
aqui . Escrevo apenas sobre o que não é tão fácil de encontrar,
mas fácil de perder , especialmente em russo. Ao ler, você precisará conhecer os princípios básicos da teoria das linhas de sinal; por exemplo, você pode ler em
uma das minhas publicações anteriores.
Acho que o cenário comum para o uso do osciloscópio no ciclo de desenvolvimento de uma placa de circuito impresso é o seguinte: se a placa não funcionar (curto-circuito, o microcircuito superaquece, o microcontrolador não pisca, os comandos de controle não passam, etc.), começamos a procurar o problema pegando a sonda do osciloscópio e se funcionar, é bom (fig. 1).
Além disso, se o desenvolvedor do produto não é um radioamador que executa todas essas funções, o número de iterações até o “sucesso” condicional, que consiste no funcionamento do produto, pode aumentar. Portanto, no caso de separação de funções, como no caso de desenvolvimento dentro da organização, é recomendável que o desenvolvedor, se não coletar e depurar as primeiras amostras de produtos, esteja presente na fábrica, pelo menos, para analisar a eficácia tecnológica do desenvolvimento.
Na minha experiência, para as primeiras amostras de produtos, a montagem do bloco, começando pelo subsistema de energia, com o controle dos parâmetros elétricos dos subsistemas é muito mais eficiente (Fig. 2).
Com essa abordagem, o escopo da solução de problemas é reduzido, pois pode ocorrer apenas em uma unidade montada recentemente ou quando essa unidade interage com as já verificadas. O controle dos parâmetros elétricos garante que o produto não funcione apenas corretamente, mas que todos ou os principais sinais elétricos correspondam ao comportamento esperado. Nesse caso, o “sucesso” já é mais completo e podemos prosseguir para o ciclo completo de testes com as influências externas necessárias.
Vamos voltar a usar os osciloscópios. Ao descrever seu lugar no desenvolvimento de placas de circuito impresso, um importante princípio de medições (e medições com um osciloscópio em particular) foi implicitamente formulado, sobre o qual Eric Bogatin frequentemente fala em suas palestras.
Até o momento da medição, é necessário ter uma idéia do resultado esperado. Em caso de coincidência de expectativas e realidade, podemos falar sobre o modelo correto do processo, em caso de discrepância significativa - a necessidade de verificar novamente os parâmetros esperados (obtidos usando cálculos analíticos diretos, resultados de simulação ou com base na experiência) ou medição incorreta ou funcionamento incorreto do produto .
No contexto do tópico da publicação, vale a pena prestar atenção à opção de medição incorreta. Nas medições usando um osciloscópio, como nunca antes, aplicamos o "efeito observador" da física quântica, quando a presença de um observador afeta o processo observado. Na tela do osciloscópio, você pode observar de forma que ele não tenha nada a ver com a realidade. Nós descobrimos como evitar isso.
Vamos começar com a formulação do resultado final ideal: observar na tela do osciloscópio uma varredura temporária da tensão em um ponto específico da linha de sinal em um determinado momento no tempo, sem introduzir distorções. Permita que haja um osciloscópio de alta velocidade ideal com uma largura de banda infinita, proporcionando conversão de analógico para digital com o nível de resolução necessário. Então, para resolver o problema, um sinal deve ser transmitido de um ponto na placa de circuito impresso para a entrada coaxial do osciloscópio, que satisfaça as seguintes condições:
- Fornece contato mecânico estável com resistência de contato zero nos pontos de contato. Existem dois deles, ambos equivalentes: um fornece um caminho para corrente contínua e o outro para corrente de retorno.
- A linha de sinal formada não deve carregar o circuito de sinal medido, ou seja, deve ter impedância infinita.
- A linha de sinal formada não deve introduzir distorções no sinal medido, ou seja, deve ter uma função de transferência plana em uma banda de frequência infinita e uma característica de fase linear.
- A linha de sinal formada não deve introduzir sua própria interferência no sinal medido e também deve ser idealmente protegida contra interferências externas.
Obviamente, em casos gerais, essas condições não são viáveis, no entanto, a formulação do resultado final ideal é útil na análise do problema. Em particular, ele fornece um entendimento de que um sistema de medição real tem limitações que restringem o escopo de medições confiáveis.
Na fig. A Figura 3 mostra o circuito equivalente do circuito de medição usando o tipo mais comum de sonda "1X / 10X", que na maioria dos casos está incluída no conjunto padrão do osciloscópio.
A resistência CC da sonda na posição "10X" é de cerca de 9 MΩ - este é um resistor conectado em série que forma um divisor de tensão de 1:10 com uma resistência de entrada de 1 MΩ no osciloscópio. Daí o nome da sonda "10X", que neste modo
reduz o sinal medido em 10 vezes (mas não há captadores e ruídos introduzidos pelo sistema). Na posição do interruptor "1X", esse resistor está em curto e a resistência da sonda é a resistência do cabo coaxial da sonda. Eu recomendo medir essa resistência - da ponta da sonda ao pino central do conector BNC - e verifique se ela não é "zero", como um cabo coaxial comum de 50 ohms, mas tem várias centenas de ohms. Se você cortar o cabo (Fig. 4), poderá ver um condutor nicrômico fino cercado por um material isolante de espuma com uma constante dielétrica baixa εr ~ 1. Essa é uma linha com perdas, ou seja, o cabo foi projetado para atenuar reflexões de alta frequência devido a inconsistências na linha de sinal de medição.
O capacitor do trimmer C
EQ1 foi projetado para compensar no modo “10X” os pólos do filtro passa-baixo (Fig. 5) com uma frequência de corte da ordem de apenas 1,5 kHz! Agora deve ficar claro por que essa compensação é necessária. Às vezes, o capacitor do trimmer não está localizado na alça da sonda, mas na extremidade oposta, no conector - então C
EQ1 de um valor nominal fixo de ~ 15 pF, e o ajuste é realizado pelo capacitor C
EQ2 . Indutância L
P é a indutância do circuito da corrente de retorno.
Com base no exposto, você pode obter um modelo de trabalho do circuito de medição do osciloscópio para as posições do comutador "10X" e "1X". Os valores numéricos dos parâmetros devem ser retirados da documentação para as sondas e osciloscópios correspondentes. Nesse caso, provavelmente, os parâmetros de vários fabricantes não devem diferir significativamente para uma determinada largura de banda. Apresentado na fig. Os modelos 6 e 7 do LTSpice usaram dados em um osciloscópio TDS2024B e uma sonda P2200.
É importante entender que esses modelos são simplificados e não levam em consideração todos os parâmetros espúrios; portanto, eles não fornecem valores exatos da largura de banda. No entanto, eles dão uma idéia qualitativa da influência de certos parâmetros durante a medição. Por exemplo, os primeiros resultados aos quais você deve prestar atenção são:
1. A banda passante da sonda no modo 1X é mais do que uma ordem de magnitude menor que no modo 10X e atinge cerca de 6 ... 8 MHz. Isso corresponde à duração mínima mensurável da borda do sinal tR = 0,35 / BW
PROBE ~ 45 ... 55 ns. A vantagem do modo “1X” é a relação sinal / ruído aumentada em 20 dB, pois no mesmo nível de interferência no sistema de medição, o sinal na entrada do osciloscópio é 10 vezes maior.
2. Aumentar a indutância do loop de corrente de retorno reduz a banda passante. É por isso que, ao medir sinais de alta frequência para garantir a corrente de retorno, recomenda-se não usar um "crocodilo" com uma indutância de ~ 200 nH, mas uma ponta de prova especial, que reduz a indutância em uma ordem de magnitude (Fig. 8).
3. A influência do capacitor de sintonia no modo “10X” na função de transferência aumenta, começando nas frequências de 200 ... 300 Hz, até um máximo nas frequências de 2 ... 3 kHz. É por isso que, como sinal de calibração, os osciloscópios geralmente usam um sinal com uma frequência de clock de 1 kHz, cujas frentes são distorcidas durante o ajuste (Fig. 9). Um bom hábito é fazer ajustes ao trocar a sonda ou o canal do osciloscópio ou periodicamente antes de fazer medições.
Além das características elétricas da sonda e do circuito de entrada do osciloscópio no modelo da Fig. 3, os parâmetros incluem as seguintes quantidades: a tensão da fonte de sinal - seu espectro, a resistência de saída da fonte R
S , a impedância da linha de sinal Z
0 , a impedância de carga Z
LOAD - é a impedância, levando em consideração o componente capacitivo. Estes e outros parâmetros são apresentados na tabela 1, eles determinam a confiabilidade dos resultados da medição. O principal critério é que a parte estudada da banda espectral do sinal seja incluída na banda passante do sistema sonda + osciloscópio, enquanto a amplitude do sinal não deve exceder os valores aceitáveis (isso é especialmente importante quando a impedância de entrada do osciloscópio é de 50 Ohms). O resto: captura de sinal e medição de seus parâmetros é uma questão técnica.
O último ponto em que quero me concentrar é na largura de banda do sistema de sonda + osciloscópio. Aqui, vale a pena evitar o equívoco de que, se você usar um osciloscópio e uma sonda com largura de banda de 150 MHz, a largura de banda do sistema de medição será de 150 MHz (isso só é possível com compensação de software). Além disso, o fato de 150 MHz estarem "gravados" na sonda nem sempre significa que são 150 MHz reais. Portanto, recomendo usar o gerador de sinal sinusoidal para investigar experimentalmente a banda passante. A frequência na qual a amplitude do sinal diminui para 0,707 a partir do valor em baixas frequências, este será o valor desejado. Nesse caso, vale a pena prestar atenção se há máximos locais na função de transferência. Fiz isso com a ajuda do gerador G4-107 em vários sistemas de medição, enquanto utilizava a conexão com a "mola" (Fig. 10). A compensação era realizada antes de cada medição e sempre era necessário fazer ajustes, embora pequenos. As medições também foram realizadas sem uma sonda usando um cabo BNC coaxial curto de 50 ohms. Os resultados são apresentados na tabela 2. Sonda PP510 surpresa com a largura de banda reivindicada de 100 MHz.
Em geral, para resumir, quero dizer que você deve ter cuidado com as medições com um osciloscópio e usar a correlação entre os resultados esperados e os obtidos como referência. Quanto à faixa de frequência mais alta, as sondas passivas do tipo “1X / 10X” não são aplicáveis para medir sinais cuja largura de banda exceda 500 MHz. Para fazer isso, use uma conexão coaxial direta na entrada de 50 ohms do osciloscópio ou das sondas ativas, minimize ainda mais a indutância da conexão (inclusive através do uso de conexões soldadas, colocação de conectores coaxiais em miniatura na placa, etc.). O tópico é muito amplo - existem osciloscópios isolados, sondas isoladas, sondas diferenciais e especializadas, mas tudo isso é uma conversa separada, além do escopo deste artigo.
Este material não foi publicado em nenhum lugar antes, estou aguardando feedback. Depois disso, o artigo, possivelmente de forma um pouco mais detalhada, juntamente com o material sobre isolamento de alta tensão, será incluído como um apêndice na versão completa do livro em uma versão atualizada. Medições precisas, pessoal!