Автор: Doug Ford
Вы когда-нибудь задумывались над тем, как на самом деле устроены щупы осциллографа? В большинстве учебников щупы рассматриваются как сочетание резистивного делителя с конденсаторами для обеспечения широкой полосы пропускания. Но, как увидим далее, в реальности их устройство куда более сложное. Читаем дальше.
Осциллограф – один из самых необходимых инструментов любого, кто занимается электроникой. Работаете Вы в сервис-центре, на производстве, в научно-исследовательской лаборатории или у себя в домашней мастерской, Вам нужен осциллограф.
Говоря о своих осциллографах, специалисты обычно сравнивают их полосы пропускания, размер памяти, имеют ли они цветной дисплей и портативны ли они, но редко упоминают об их щупах. На самом деле большинство пользователей вообще не думают о своих щупах до тех пор, пока не услышат под ногами жалобный хруст, напоминающий, что не стоит оставлять их свисающими со стола на пол.
Существует много разновидностей специализированных щупов; активные щупы на полевых транзисторах, дифференциальные, токовые щупы - это всего лишь некоторые из них. Все они имеют свои области применения, но наиболее широко используется «десятикратный пассивный делитель». Обычно пара таких делителей входит в комплект любого осциллографа.
Но что мы на самом деле знаем о щупах?
Пара часов поиска в google даст несчетное количество примеров их простейшего описания (делитель напряжения и частотная емкостная компенсация), но вряд ли Вы найдете статьи, в которых раскрыты свойства щупов как распределенных линий. Так же, как не найдете четкого описания различий в проектировании дешевых 40МГц и дорогостоящих 350МГц щупов.
Традиционный подход
Работу щупа х10 общепринято описывать при помощи эквивалентной схемы, представленной на рисунке 1. Входной импеданс осциллографа принимается равным 1МОм, с малой емкостью (порядка 10…50пФ) в параллель. Осциллографы с небольшими полосами пропускания обычно имеют бОльшие величины входной емкости. Величина емкости кабеля осциллографического щупа может находиться в пределах от 60пФ (для широкополосных щупов) до 200пФ (для обычных). На низких частотах десятикратное деление напряжения обеспечивается делителем, состоящим из последовательного резистора 9МОм на конце щупа и 1МОм входного сопротивления осциллографа.
Рисунок 1- Схема и АЧХ щупа х10 (общепринятое описание)
Величина компенсационного конденсатора, установленного параллельно 9МОм-резистору подбирается равной 1/9 от суммарной величины емкости входа прибора и кабеля. Для приведенного выше случая суммарная емкость входа и кабеля равна 120пФ, поэтому емкость компенсационного конденсатора составляет 13.3пФ. Если отношение емкостей в емкостном делителе, образованном Сcomp и Сin||Ccbl будет равно отношению сопротивлений в резистивном, образованным Rin и Rdiv, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) щупа будет ровной во всем диапазоне, начиная от постоянного тока и до самых высоких частот.
Единственным ограничением полосы частот сверху является взаимодействие между входным импедансом (показанным здесь как 50 Ом) с результативной емкостью конца щупа (12пФ), дающее спад характеристики -3дБ выше частоты 265МГц.
Заметим, что частота симуляции изменялась от 10Гц до 10ГГц - мы ведь не хотим упустить никаких интересных моментов, не так ли?
Подстройка компенсационного конденсатора
Влияние емкости компенсационного конденсатора на ЧХ показано на рисунке 2. Величина емкости изменялась от 8пФ до 18пФ с шагом в 1пФ. Видно, что в полосе ниже 300Гц влияния на усиление нет, но в полосе 3кГц…100МГц очевидно существенное изменение усиления.
Рисунок 2 - Влияние компенсационной емкости на АЧХ щупа
В осциллографах имеется внутренний генератор меандра, сигнал которого выведен на переднюю панель, на клемму «калибровка». Калибровочный сигнал предусмотрен специально для подстройки компенсационной емкости. Частота этого сигнала обычно равна 1кГц, при размахе в 1В (пик-пик). Щуп подключается к клемме «калибровка» и подстраивается для получения наиболее «квадратной» формы сигнала. Любому, кто настраивал щуп «х10», знакома наблюдаемая при этом осциллограмма, такая как на рисунке 3.
Рисунок 3 - Осциллограммы при подстройке компенсационной емкости
Хотя на схеме рисунка 1 компенсационный конденсатор подключен в параллель резистору щупа в 9МОм, на практике это встречается очень редко. Чаще конденсатор на этом резисторе имеет фиксированное значение, а подстройка осуществляется подстроечной емкостью, подключенной параллельно входной емкости прибора и емкости кабеля, как показано на рисунке 4.
Рисунок 4 - Схема щупа с фиксированной емкостью С1
Пока что мы не ощущаем особой разницы между подстройкой со стороны щупа и со стороны прибора. Оба варианта подстройки реализуются в щупах с полосами от 20 до 300МГц. Однако в щупах с более широкой полосой пропускания (350МГц и более) чаще всего подстройка осуществляется на приборной стороне кабеля (рисунок 5).
Рисунок 5 - Компенсационный конденсатор с приборной стороны (слева) и со стороны щупа (справа)
До сих пор было приведено простейшее описание работы осциллографического щупа, описание на уровне школьных учебников. Но в нем нет ни слова о том, что кабель щупа НЕ является одной сосредоточенной емкостью, а, напротив, является линией передачи! Коаксиальный кабель щупа имеет свою длину, распределенные индуктивность и емкость, задержку распространения и отражения сигнала от несогласованных концов. Каково же влияние этих характеристик на поведение щупа? Итак, давайте заменим сосредоточенную емкость кабеля в нашей предыдущей модели на линию передачи и посмотрим, что получится!
ПО для симуляции.
CircuitMaker – это программа для создания и симуляции электрических схем, созданная компанией Microcode. Известно, что Microcode приобрела компанию Autorax у Protel в начале 90-х. В 1998 году Protel выкупил Microcode, после чего в 2001 изменил ее имя на Altium. Таким образом CircuitMaker стал продуктом Altium, который в 2001 году объявил о прекращении поддержки этого ПО.
Это довольно печально, потому что этот прекрасный симулятор шел в комплекте с программой трассировки Traxmaker (Windows-версия ПО Autotrax) и просмотрщиком Gerber-файлов по очень гуманной цене.
Симуляция кабеля щупа.
Заменим в схемном симуляторе одну сосредоточенную емкость кабеля в 100пФ на линию передачи. Симулятор может рассчитать любую линию передачи, но мы должны сделать некоторые предположения, чтобы предоставить исходные данные для расчета.
Длина кабеля стандартного щупа составляет порядка 1.2м, хотя некоторые могут быть и до 1.8м. Суммарная емкость у имеющихся у меня 250МГц щупов, согласно спецификации производителя составляет 85пФ. Заявленная емкость моих 60МГц щупов составляет 128пФ, хотя измерения показали величину, близкую к 170пФ. Чтобы обеспечить возможность сравнения с результатами предыдущих расчетов (рисунки 1 и 4), в симуляции будем использовать значение в 100пФ. Таким образом, погонная емкость нашего кабеля составит 83пФ/м при его длине 1.2м.
Допустим также, что волновое сопротивление кабеля составляет 50Ом. Погонная индуктивность кабеля может быть рассчитана из соотношения:
где L и С – соответственно погонные индуктивность и емкость кабеля. Как единицу длины здесь мы используем метры, хотя на самом деле это не важно. Рассчитанная погонная индуктивность для 50-омной линии с погонной емкостью в 83пФ/м составила 208нГн/м.
Поскольку мы не изменили величину суммарной емкости кабеля в 100пФ, нам так же нет необходимости изменять значения 15пФ конденсатора щупа и 15пФ компенсационного подстроечного конденсатора.
Все эти значения были заданы для расчета линии передачи на рисунке 6. В результате была получена отвратительная АЧХ! Явления отражения от несогласованной линии приводят к огромным всплескам на АЧХ уже при 20МГц и выше (зеленая линия). Влияние нагружения щупа на выходное сопротивление генератора так же очень существенно (желтая линия).
Рисунок 6 - Модель простейшей распределенной линии: схема и АЧХ
Итак, что же должны сделать разработчики осциллографов и щупов к ним, чтобы разобраться с этой проблемой?
За годы я разобрался в устройстве многих осциллографов и их щупов. Были в свое время и такие щупы, которые в результате приходилось украдкой заменять на новые, по причине их дальнейшей непригодности.
Большинство щупов имеют отдельный низкоомный резистор Rtip, установленный в верхнюю часть щупа, расположенный вверху перед 9МОм резистором делителя и переключателем х1/х10. Я измерил сопротивление между противоположными концами некоторых щупов (в положении х1), и оно было порядка 180 … 270Ом. Значит, в симуляцию необходимо добавить некоторое сопротивление верхней части щупа; скажем, 250 Ом. Аналогично, я видел, что в некоторых более старых моделях осциллографов между входным BNC-разъемом и переключателем диапазонов ставился последовательный резистор Rc в 50 Ом. Его мы также добавим (см. рисунок 7)
Рисунок 7 - Модель распределенной линии с добавленными резисторами: схема и АЧХ
В этом случае АЧХ (зеленая линия) значительно более гладкая, чем на рисунке 4, и влияние нагружения на источник (желтая линия) также значительно уменьшилось. Но ширина рабочей полосы так и осталась менее 40МГц. Даже если бы был более верный способ сгладить характеристику, она бы едва ли смогла достичь значения 100МГц перед завалом. Подстройка компенсационного конденсатора практически не влияет на АЧХ и резонансные явления в линии передачи. Таким образом становится очевидно, что именно характеристики распределенной линии кабеля щупа накладывают серьезные ограничения на полосу пропускания и АЧХ в целом. Так какой же секрет скрыт в дизайне моих широкополосных 250МГц, или даже бросовых, 60МГц, щупов? Как на самом деле производители осциллографических щупов добиваются таких невероятно широких полос в своих изделиях? Я испробовал в симуляторе все возможные ухищрения, чтобы понять, как «укротить» линию передачи и расширить АЧХ. Изменял волновое сопротивление кабеля, использовал различные комбинации компонентов на стороне щупа и стороне приборной. Все без ощутимого результата. В конечном счете я прибегнул к исследованию кабеля от неисправного щупа. И я обнаружил, что центральная жила кабеля имеет на удивление высокое сопротивление. Я распотрошил кабель дальше, и к удивлению обнаружил, что центральная жила оказалась очень тонкой проволокой высокого сопротивления, с погонным сопротивлением порядка 100…200 Ом/м! Эта очень тонкая сердцевинка изготовлена как одножильная проволока с навивкой – предположительно для хорошей устойчивости к частым изгибам (см. рисунок 8). Белая вспененная изоляция центральной жилы вносит малые диэлектрические потери, в то время как черная ПВХ вокруг нее служит для механической поддержки (я проверял, она не проводит ток!).
Рисунок 8 - Распотрошенный кабель щупа. Обратите внимание на витую тонкую центральную жилу
Высокое сопротивление центральной жилы и была подсказка, которую я искал. Этот коаксиальный кабель не является кабелем с малыми потерями; напротив, он преднамеренно изготовлен как кабель с потерями для уменьшения эффектов отражения сигналов от концов линии передачи! Теперь мне стало интересно имя того неизвестного и невоспетого гения, придумавшего этот трюк. Но назад к симулятору. На этот раз мы назначим кабелю удельное сопротивление в 165Ом/м (всего 200 Ом). Мы также уменьшим величину резистора в верхней части щупа с 250 до 50 Ом. Общее же последовательное сопротивление щупа не изменилось и составляет, как и ранее, 250 Ом.
Кроме того, я практически уверен в том, что большинство щупов к современным осциллографам больше не используют последовательный 50-Омный резистор, поскольку приборы с широкой полосой пропускания имеют очень малую величину входной емкости (10…15пФ). Это делает последовательный 50-Омный резистор осциллографа практически бесполезным на частотах около 80МГц, на которых резонансные явления в линии передачи наиболее выражены. Он излишен, поэтому исключим его из модели для симуляции.
Рисунок 9 - Распределенная линия с потерями: модель и АЧХ
На рисунке 9 приведен великолепный результат: гладкая и монотонная АЧХ с завалом в -3дБ на 65МГц без неприятных отражений или аномалий в характеристике – гладкая, «рабочая» характеристика! Даже более интересный факт: АХЧ этой модели точно соответствует поведению обычного 60МГц щупа! Итак, теперь мы знаем секрет проектирования щупа: использовать в линии передачи сигнала кабель с потерями! Но как можно расширить АЧХ?
- Во-первых: я предполагаю, что современные широкополосные осциллографы не имеют последовательного согласующего 50 Ом резистора
- Во-вторых: при симуляции буду использовать характеристики производителя для 100МГЦ осциллографа и 250МГц щупа.
- В-третьих, будем использовать источник сигнала с малым импедансом, вместо использованного ранее 50 Ом.
- В-четвертых, когда я извлек цепь компенсации из щупа на рисунке 8, я увидел, что подстроечный конденсатор включен последовательно с резистором 68 Ом. Добавим этот резистор в симуляцию и увидим, что это даст.
Теперь мы подменим последовательное сопротивление линии в симуляторе и посмотрим, что произойдет! У 100МГц осциллографа входная емкость составляет 15пФ, используем это значение в качестве Cin. Заявленная емкость моего 250МГц щупа составляет 85пФ (режим х1), поэтому зададим погонную емкость линии 71пФ/м. Для 50 Оммного кабеля, рассчитанная погонная индуктивность составит 177нГн/м. Этот щуп имеет заявленную емкость в 15пФ (в режиме х10), такчто мы оставим величину конденсатора верхней части равной 15пФ. Однако мы увеличим значение компенсационного конденсатора до 35пФ из-за более низкой погонной емкости кабеля (85пФ по сравнению со 100пФ). Модель для симуляции с этими величинами приведена на рисунке 10.
Рисунок 10 - Схема "широкополосной распределенной линии" и ее АЧХ
Погонное сопротивление линии в этой схеме изменялось от 50 до 200Ом/м. Это тот тип эксперимента, в котором симуляторы неоценимо полезны. Было бы непомерно сложно получить кабеля с необходимыми величинами сопротивлений, которые бы могли понадобиться для проведения эксперимента в лаборатории. На этом же рисунке можно увидеть влияние изменения погонного сопротивления линии. Малые сопротивления (50Ом/м) позволяют развитие отражений в линии передачи. Большие сопротивления приводят к заваленным АЧХ. Оптимальное сопротивление линии оказалось равным 115Ом/м. Эта величина обеспечивала плоскую АЧХ почти до 600МГц!
Реальная полоса моих 250МГц щупов должна быть 250МГц, а не 600МГц, как получилось при симуляции. Это связано с тем, что в модели не были учтены малые паразитные емкости от каждого компонента на землю и паразитные емкости параллельно каждому компоненту, которые уменьшают реальную ширину полосы. Резистор последовательно с подстроечным конденсатором (Rcomp на рисунке 10), как оказалось, играет важную роль. Он служит для согласования линии передачи. К примеру, если закоротить этот резистор, полоса на уровне -3дБ сужается до 180МГц и оптимальная величина сопротивления линии составляет 110 Ом/м вместо прежних 115 Ом/м. Если же увеличить значение Rcomp более 68 Ом, скажем до 150 Ом, на АХЧ появятся всплески на несколько дБ в районе 200МГц. Интересно то, что практически нет разницы, где расположить подстроечный конденсатор и его 68-Омный резистор – на стороне прибора, либо на верхней стороне линии. Это значит, что конкретное размещение триммера – это скорее вопрос конструкции, чем схемотехники.
Время нарастания и задержка распространения.
Полезно сравнить времена распространения для щупов с различными полосами пропускания. На рисунке 11 представлен отклик на импульс амплитудой 10В для 60МГц щупа с рисунка 9 и 250МГц щупа (с полосой в 600МГЦ!) с рисунка 10.
Рисунок 11 - Отклики на единичный импульс щупов с полосами 60 и 600МГц
Задержка распространения у «600МГц» щупа (зеленая линия) составляет порядка 4.2 нсек, в то время как для 60МГц щупа (желтая линия) этот параметр составляет около 5.1 нсек. Задержка распространения – это интервал времени между фронтом входного воздействия и фронтом сигнала на приборной стороне кабеля щупа. Разница в менее чем наносекунду может показаться незначительной, пока Вы не столкнетесь с эффектом «гонок» при исследовании логических сигналов несогласованными щупами. Время нарастания сигнала на приборной стороне щупа – это интервал времени, за которое напряжение вырастет от 10% до 90% от своей конечной величины. У моделируемого 60МГц щупа этот параметр составляет 5.9 нсек, у «600МГц» щупа он равен 0.7 нсек.
Важность параметра скорости нарастания зависит от природы исследуемых сигналов. Наносекундная разница во времени нарастания несущественна, если Вы исследуете прямоугольный сигнал у операционных усилителей звуковой частоты с откликом в микросекунды, но она становится роковой, если Вы отыскиваете проблему в скоростных цифровых схемах.
Импеданс щупа.
Имеет ли на самом деле Ваш х10-щуп входной импеданс в 10МОм? Да, но только на низких частотах. На рисунке 12 представлена зависимость входного импеданса в «дБ отн. 1Ом» для 60МГц щупа с рисунка 9. Его импеданс составляет 140 дБ (10 МОм) при частотах ниже 1кГц, но на более высоких частотах импеданс определяется емкостью компенсационного конденсатора.
Рисунок 12 - Зависимость входного импеданса щупа от частоты
Стоит отметить, что при исследовании аудиосигналов частотой 20 кГц, входной импеданс щупа уже меньше чем 1 МОм. На частотах выше полосы пропускания щупа (60МГц), импеданс больше не определяется входной емкостью в 15 пФ. Он стремится к 100 Ом, задаваемым 50-Омным резистором в верхней части щупа плюс 50-Омным импедансом коаксиального кабеля.
Заземление щупа и земляные клипсы.
Насколько хорошо «заземлена» земляная клипса Вашего щупа? Обычный провод заземления с крокодилом имеет длину порядка
Рисунок 13 - Широкополосный щуп с вставленной индуктивностью заземления и его АЧХ
Теперь АЧХ этой схемы можно сравнить с «родной» характеристикой щупа. Видно, что на нашей красивой плоской характеристике «600-МГц» щупа появился горб в районе 100МГц, с преждевременным завалом за этой точкой. Переходная характеристика также не идеальна, как видно из рисунка 14.
Рисунок 14 - Отклики на единичный импульс щупа с добавленной в цепь земли индуктивностью и без нее
Стоит отметить, что поскольку большинство десятикратных х10-щупов имеют похожие вхдные емкости (от 10 до 25 пФ) и большинство земляных проводов имеют примерно одинаковую длину, у всех таких щупов будет наблюдаться подъем АЧХ в районе 100МГц, не зависимо от полосы пропускания самого щупа. По этой причине широкополосные щупы обычно поставляются с набором присоединительных элементов, позволяющих соединять землю щупа и схемы коаксиальным проводником либо другим низко-индуктивным путем. Если Вы исследуете схему с частотами в десятки МГц, либо временем нарастания быстрее 50 нсек, используйте эти приспособления!
Выводы.
Мораль истории такова:
- Подстраивайте компенсационный конденсатор Вашего щупа!
- При анализе работы щупов, в учебниках очень редко упоминаются эффекты распределенных линий, которые на самом деле являются фундаментальными при проектировании.
- Разница между низкочастотными и широкополосными щупами действительно СУЩЕСТВУЕТ. Широкополосные щупы спроектированы с тщательно подобранными характеристиками кабеля линии передачи и минимизированными эффектами отражения от концов линии. Намного большее внимание уделено паразитным емкостям и качеству изготовления.
- Щуп х10 имеет импеданс в 10 МОм только на низких частотах. Импеданс на высших частотах в главной мере определяется величиной емкости компенсационного конденсатора.
- Если важны межканальные временные взаимосвязи (к примеру, выявление проблем с «гонками», либо расфазировкой синхроимпульсов), то при исследованиях необходимо использовать идентично настроенные щупы.
- Индуктивность цепи заземления может кардинально исказить форму сигнала и полосу пропускания щупа. Используйте наборы из комплекта Вашего осциллографа для обеспечения низко-индуктивного подключения цепи заземления.
- Не допускайте свисания Ваших щупов со стола. Даже самые качественные из них сломаются, если Вы на них наступите или наедете офисным стулом!
Перевод: 6-lab.com
Оригинальная статья автора (англ., pdf, 620k)