Таємничий світ осцилографічних щупів

Автор: Doug Ford

Ви коли-небудь замислювалися над тим, як насправді влаштовані щупи осцилографа? У більшості підручників щупи розглядаються як поєднання резистивного дільника з конденсаторами для забезпечення широкої смуги пропускання. Але, як побачимо далі, в реальності їх будова куди більш складна.

Осцилограф – один з найнеобхідніших інструментів будь-кого, хто займається електронікою. Чи працюєте Ви в сервіс-центрі, на виробництві, в науково-дослідній лабораторії або у себе в домашній майстерні, Вам потрібен осцилограф.

Говорячи про свої осцилографах, фахівці зазвичай порівнюють їх смуги пропускання, розмір пам’яті, чи мають вони кольоровий дисплей і портативні вони, але рідко згадують про їх щупи. Насправді більшість користувачів взагалі не думають про своїх щупи до тих пір, поки не почують під ногами жалібний хрускіт, що нагадує, що не варто залишати їх звисаючими зі столу на підлогу.

Існує багато різновидів спеціалізованих щупів; активні щупи на польових транзисторах, диференціальні, струмові щупи – це всього лише деякі з них. Всі вони мають свої області застосування, але найбільш широко використовується «десятикратний пасивний дільник». Зазвичай пара таких подільників входить в комплект будь-якого осцилографа.

Але що ми насправді знаємо про щупи?

Пара годин пошуку в google дасть незліченну кількість прикладів їх найпростішого опису (дільник напруги і частотна ємністна компенсація), але навряд чи Ви знайдете статті, в яких розкрито властивості щупів як розподілених ліній. Так само, як не знайдете чіткого опису відмінностей в проектуванні дешевих 40МГц і дорогих 350МГц щупів.

Традиційний підхід

Роботу щупа х10 загальноприйнято описувати за допомогою еквівалентної схеми, представленої на рисунку 1. Вхідний імпеданс осцилографа приймається рівним 1МОм, з малою ємністю (близько 10 … 50пФ) в паралель. Осцилографи з невеликими смугами пропускання зазвичай мають більші величини вхідної ємності. Величина ємності кабелю осцилографічного щупа може перебувати в межах від 60пФ (для широкосмугових щупів) до 200пФ (для звичайних). На низьких частотах десятикратне поділ напруги забезпечується дільником, що складається з послідовного резистора 9МОм на кінці щупа і 1МОм вхідного опору осцилографа.

Величина компенсаційного конденсатора, встановленого паралельно 9МОм-резистору підбирається рівній 1/9 від сумарної величини ємності входу приладу і кабелю. Для наведеного вище випадку сумарна ємність входу і кабелю дорівнює 120пФ, тому ємність компенсаційного конденсатора становить 13.3пФ. Якщо відношення ємностей в ємнісному дільнику, утвореному Сcomp і Сin || Ccbl дорівнюватиме відношенню опорів в резистивном, утвореним Rin і Rdiv, амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) щупа буде рівною у всьому діапазоні, починаючи від постійного струму і до найвищих частот.

Єдиним обмеженням смуги частот зверху є взаємодія між вхідним імпедансом (показаним тут як 50 Ом) з результативною ємністю кінця щупа (12пФ), що дає спад характеристики -3дБ вище частоти 265МГц.

Зауважимо, що частота симуляції змінювалася від 10Гц до 10ГГц – ми ж не хочемо втратити ніяких цікавих моментів, чи не так?

Підстроювання компенсаційного конденсатора

Вплив ємності компенсаційного конденсатора на ЧХ показано на рисунку 2. Величина ємності змінювалася від 8пФ до 18пФ з кроком в 1пФ. Видно, що в смузі нижче 300Гц впливу на підсилення немає, але в смузі 3кГц … 100МГц очевидно суттєва зміна підсилення.

У осцилографах є внутрішній генератор меандру, сигнал якого виведений на передню панель, на клему «калібрування». Калібрувальний сигнал передбачений спеціально для підстроювання компенсаційної ємності. Частота цього сигналу зазвичай дорівнює 1 кГц, при розмаху в 1В (пік-пік). Щуп підключається до клеми «калібрування» і підлаштовується для отримання найбільш «квадратної» форми сигналу. Будь-якому, хто налаштовував щуп «х10», знайома осцилограма яка при цьому спостерігається, така як на рисунку 3.

Хоча на схемі рисунка 1 компенсаційний конденсатор підключений в паралель резистору щупа в 9МОм, на практиці це зустрічається дуже рідко. Найчастіше конденсатор на цьому резисторі має фіксоване значення, а підстроювання здійснюється підстроєчною ємністю, що підключена паралельно вхідний ємності приладу і ємності кабелю, як показано на рисунку 4.

Поки що ми не відчуваємо особливої ​​різниці між підстроюванням з боку щупа і з боку приладу. Обидва варіанти підстроювання реалізуються в щупах з смугами від 20 до 300МГц. Однак в щупах з більш широкою смугою пропускання (350МГц і більше) найчастіше підстроювання здійснюється на приладовій стороні кабелю (рисунок 5).

До цих пір було приведено найпростіший опис роботи осцилографічного щупа, опис на рівні шкільних підручників. Але в ньому немає ні слова про те, що кабель щупа НЕ є однією зосередженою ємністю, а, навпаки, є лінією передачі! Коаксіальний кабель щупа має свою довжину, розподілені індуктивність і ємність, затримку поширення і відображення сигналу від неузгоджених решт. Яке ж вплив цих характеристик на поведінку щупа? Отже, давайте замінимо зосереджену ємність кабелю в нашій попередній моделі на лінію передачі і подивимося, що вийде!

ПО для симуляції.

CircuitMaker – це програма для створення і симуляції електричних схем, створена компанією Microcode. Відомо, що Microcode придбала компанію Autorax у Protel на початку 90-х. У 1998 році Protel викупив Microcode, після чого в 2001 змінив її ім’я на Altium. Таким чином CircuitMaker став продуктом Altium, який у 2001 році оголосив про припинення підтримки цього програмного забезпечення.

Це досить сумно, тому що цей прекрасний симулятор йшов в комплекті з програмою трасування Traxmaker (Windows-версія ПО Autotrax) і переглядачем Gerber-файлів по дуже гуманної ціною.

Симуляція кабелю щупа.

Замінимо в схемном симуляторі одну зосереджену ємність кабелю в 100пФ на лінію передачі. Симулятор може розрахувати будь-яку лінію передачі, але ми повинні зробити деякі припущення, щоб надати вихідні дані для розрахунку.

Довжина кабелю стандартного щупа складає близько 1,2 м, хоча деякі можуть бути і до 1.8м. Сумарна ємність у наявних у мене 250МГц щупів, згідно специфікації виробника становить 85пФ. Заявлена ​​ємність моїх 60МГц щупів становить 128пФ, хоча вимірювання показали величину, близьку до 170пФ. Щоб забезпечити можливість порівняння з результатами попередніх розрахунків (малюнки 1 і 4), в симуляції будемо використовувати значення в 100пФ. Таким чином, погонне ємність нашого кабелю складе 83пФ/м при його довжині 1.2м.

Припустимо також, що хвильовий опір кабелю становить 50 Ом. Погонна індуктивність кабелю може бути розрахована з співвідношення:

де L і С – відповідно погонні індуктивність і ємність кабелю. Як одиницю довжини тут ми використовуємо метри, хоча насправді це не важливо. Розрахована погонне індуктивність для 50-омной лінії з погонного ємністю в 83пФ/м склала 208нГн/м.

Оскільки ми не змінили величину сумарної ємності кабелю в 100пФ, нам так само немає необхідності змінювати значення 15пФ конденсатора щупа і 15пФ компенсаційного підлаштування конденсатора.

Всі ці значення були задані для розрахунку лінії передачі на рисунку 6. В результаті була отримана огидна АЧХ! Явища відбиття від неузгодженої лінії призводять до величезних сплесків на АЧХ вже при 20МГц і вище (зелена лінія). Вплив навантаження щупа на вихідний опір генератора так само дуже істотно (жовта лінія).

Отже, що ж повинні зробити розробники осцилографів і щупів до них, щоб розібратися з цією проблемою?

За роки я розібрався в устрої багатьох осцилографів і їх щупів. Були свого часу і такі щупи, які в результаті доводилося крадькома замінювати на нові, з причини їх подальшої непридатності.

Більшість щупів мають окремий низькоомним резистор Rtip, встановлений в верхню частину щупа, розташований вгорі перед 9МОм резистором дільника і перемикачем х1/х10. Я виміряв опір між протилежними кінцями деяких щупів (в положенні х1), і воно було близько 180…270Ом. Значить, в симуляцію необхідно додати деякий опір верхній частині щупа; скажімо, 250 Ом. Аналогічно, я бачив, що в деяких старіших моделях осцилографів між вхідним BNC-роз’ємом і перемикачем діапазонів ставилося послідовний резистор Rc в 50 Ом. Його ми також додамо (див. Рисунок 7)

В цьому випадку АЧХ (зелена лінія) значно більш гладка, ніж на малюнку 4, і вплив навантаження на джерело (жовта лінія) також значно зменшилася. Але ширина робочої смуги так і залишилася менш 40МГц. Навіть якби був більш вірний спосіб згладити характеристику, вона б навряд чи змогла досягти значення 100 МГц перед завалом. Підстроювання компенсаційного конденсатора практично не впливає на АЧХ і резонансні явища в лінії передачі. Таким чином стає очевидно, що саме характеристики розподіленої лінії кабелю щупа накладають серйозні обмеження на смугу пропускання і АЧХ в цілому. То який же секрет криється в дизайні моїх широкосмугових 250МГц, або навіть дешевих, 60МГц, щупів? Як насправді виробники осцилографічних щупів домагаються таких неймовірно широких смуг в своїх виробах? Я випробував в симуляторі всі можливі хитрощі, щоб зрозуміти, як «приборкати» лінію передачі і розширити АЧХ. Змінював хвильовий опір кабелю, використовував різні комбінації компонентів на стороні щупа і стороні приладової. Всі без відчутного результату. В кінцевому рахунку я вдався до дослідження кабелю від несправного щупа. І я виявив, що центральна жила кабелю має на подив високе опір. Я розпатрав кабель далі, і на подив виявив, що центральна жила виявилася дуже тонким дротом високого опору, з погонних опором близько 100…200 Ом/м! Ця дуже тонка серцевина виготовлена ​​як одножильний дріт з навивкой – імовірно для більшої стійкості до частих згинів (див. Рисунок 8). Біла спінена ізоляція центральної жили вносить малі діелектричні втрати, в той час як чорна ПВХ навколо неї служить для механічної підтримки (я перевіряв, вона не проводить струм!).

Високий опір центральної жили і була підказка, яку я шукав. Цей коаксіальний кабель не є кабелем з малими втратами; навпаки, він навмисно виготовлений як кабель з втратами для зменшення ефектів відображення сигналів від кінців лінії передачі! Тепер мені стало цікаво ім’я того невідомого і неоспіваного генія, який придумав цей трюк. Але назад до симулятора. Цього разу ми призначимо кабелю питомий опір в 165Ом/м (всього 200 Ом). Ми також зменшимо величину резистора в верхній частині щупа з 250 до 50 Ом. Загальна ж послідовний опір щупа не змінилося і складає, як і раніше, 250 Ом.

Крім того, я практично впевнений в тому, що більшість щупів до сучасних осцилографах більше не використовують послідовний 50-омний резистор, оскільки прилади з широкою смугою пропускання мають дуже малу величину вхідної ємності (10…15пФ). Це робить послідовний 50-омний резистор осцилографа практично непотрібним на частотах близько 80МГц, на яких резонансні явища в лінії передачі найбільш виражені. Він зайвий, тому виключимо його з моделі для симуляції.

На рисунку 9 наведено чудовий результат: гладка і монотонна АЧХ з завалом в -3дБ на 65МГц без неприємних відображень або аномалій в характеристиці – гладка, «робоча» характеристика! Навіть більше цікавий факт: АЧХ цієї моделі точно відповідає поведінці звичайного 60МГц щупа! Отже, тепер ми знаємо секрет проектування щупа: використовувати в лінії передачі сигналу кабель з втратами! Але як можна розширити АЧХ?

• По-перше: я припускаю, що сучасні широкосмугові осцилографи не мають послідовного узгоджувального 50Ом резистора
• По-друге: при симуляції буду використовувати характеристики виробника для 100МГц осцилографа і 250МГц щупа.
• По-третє, будемо використовувати джерело сигналу з малим опором, замість використаного раніше 50Ом.
• По-четверте, коли я витягнув ланцюг компенсації з щупа на малюнку 8, я побачив, що підлаштування конденсатор включений послідовно з резистором 68Ом. Додамо цей резистор в симуляцію і побачимо, що це дасть.

Тепер ми підмінимо послідовний опір лінії в симуляторі і подивимося, що станеться! У 100МГц осцилографа вхідна ємність становить 15пФ, використовуємо це значення в якості Cin. Заявлена ​​ємність мого 250МГц щупа становить 85пФ (режим х1), тому поставимо погонну ємність лінії 71пФ/м. Для 50Оммного кабелю, розрахована погонна індуктивність складає 177нГн/м. Цей щуп має заявлену ємність в 15пФ (в режимі х10), отож ми залишимо величину конденсатора у верхній частині рівній 15пФ. Однак ми збільшимо значення компенсаційного конденсатора до 35пФ через більш низьку погонну ємності кабелю (85пФ в порівнянні зі 100пФ). Модель для симуляції з цими величинами приведена на рисунку 10.

Погонний опір лінії в цій схемі змінювався від 50 до 200Ом/м. Це той тип експерименту, в якому симулятори неоціненно корисні. Було б непомірно складно отримати кабель із необхідними величинами опорів, які б могли знадобитися для проведення експерименту в лабораторії. На цьому ж малюнку можна побачити вплив зміни погонного опору лінії. Малий опір (50Ом/м) дозволяє побачити розвиток відображень в лінії передачі. Великий опір призводить до завалу АЧХ. Оптимальний опір лінії становить 115Ом/м. Ця величина забезпечила плоску АЧХ майже до 600МГц!

Реальна смуга моїх 250МГц щупів повинна бути 250МГц, а не 600МГц, як вийшло при симуляції. Це пов’язано з тим, що в моделі не були враховані малі паразитні ємності від кожного компонента на землю і паразитні ємності паралельно кожному компоненту, які зменшують реальну ширину смуги. Резистор послідовно з конденсатором корекції (Rcomp на рисунку 10), як виявилося, грає важливу роль. Він служить для узгодження лінії передачі. Наприклад, якщо закоротити цей резистор, смуга на рівні -3дБ звужується до 180МГц і оптимальна величина опору лінії становить 110 Ом/м замість колишніх 115 Ом/м. Якщо ж збільшити значення Rcomp понад 68 Ом, скажімо до 150 Ом, на АЧХ з’являться сплески на кілька дБ в районі 200МГц. Цікаво те, що практично немає різниці, де розташувати коректуючий конденсатор і його 68-омний резистор – на стороні приладу, або на верхній стороні лінії. Це означає, що конкретне розміщення триммера – це швидше питання конструкції, ніж схемотехніки.

Час наростання і затримка поширення.

Корисно порівняти час поширення сигналу для щупів з різними смугами пропускання. На рисунку 11 представлений відгук на імпульс амплітудою 10В для 60МГц щупа з рисунка 9 і 250МГц щупа (зі смугою в 600МГц!) З рисунка 10.

Затримка поширення у «600МГц» щупа (зелена лінія) становить близько 4.2 нсек, в той час як для 60МГц щупа (жовта лінія) цей параметр становить близько 5.1 нсек. Затримка поширення – це інтервал часу між фронтом вхідного впливу і фронтом сигналу на стороні кабелю щупа у прилада. Різниця в менш ніж наносекунду може здатися незначною, поки Ви не зіштовхнетеся з ефектом «гонок» при дослідженні логічних сигналів неузгодженими щупами. Час наростання сигналу на стороні щупа у прилада – це інтервал часу, за який напруга зросте від 10% до 90% від своєї кінцевої величини. У моделі 60МГц щупа цей параметр становить 5.9 нсек, у «600МГц» щупа він дорівнює 0.7 нсек.

Важливість параметра швидкості наростання залежить від природи досліджуваних сигналів. Наносекундна різниця в часі наростання несуттєва, якщо Ви досліджуєте прямокутний сигнал у операційних підсилювачів звукової частоти з відгуком в мікросекунди, але вона стає фатальною, якщо Ви шукайте проблему в швидкісних цифрових схемах.

Імпеданс щупа.

Чи має насправді Ваш х10-щуп вхідний імпеданс в 10МОм? Так, але тільки на низьких частотах. На рисунку 12 представлена ​​залежність вхідного імпедансу в «дБ по віднош на 1Ом »для 60МГц щупа з рисунка 9. Його імпеданс становить 140 дБ (10 МОм) при частотах нижче 1 кГц, але на більш високих частотах імпеданс визначається ємністю компенсаційного конденсатора.

Варто відзначити, що при дослідженні аудіосигналів частотою 20 кГц, вхідний імпеданс щупа вже менше ніж 1МОм. На частотах вище смуги пропускання щупа (60МГц), імпеданс більше не визначається вхідною ємністю в 15пФ. Він прагне до 100Ом, що задається 50-омним резистором у верхній частині щупа плюс 50-омним импедансом коаксіального кабелю.

Заземлення щупа і земляні кліпси.

Наскільки добре «заземлена» земляна кліпса Вашого щупа? Звичайний провід заземлення з крокодилом має довжину близько 150мм. Типове значення погонної індуктивності провідника приблизно 1нГн/м, тому провід заземлення має індуктивність в 150нГн. Перехід на кінчик щупа від місця підключення проводу заземлення додасть ще близько 50нГн. Ця індуктивність в ланцюзі землі була додана в схему широкосмугового щупа, як показано на рис.13.

Тепер АЧХ цієї схеми можна порівняти з «рідною» характеристикою щупа. Видно, що на нашій красивій плоскій характеристиці «600МГц» щупа з’явився горб в районі 100 МГц, з передчасним завалом за цією точкою. Перехідна характеристика також не ідеальна, як видно з рисунка 14.

Варто зазначити, що оскільки більшість десятикратних х10-щупів мають схожі вхідні ємності (від 10 до 25 пФ) і більшість земляних проводів мають приблизно однакову довжину, у всіх таких щупів буде спостерігатися підйом АЧХ в районі 100 МГц, що не залежно від смуги пропускання самого щупа. З цієї причини широкосмугові щупи зазвичай поставляються з набором приєднувальних елементів, що дозволяють з’єднувати землю щупа і схеми коаксіальним провідником або іншим низько-індуктивним шляхом. Якщо Ви досліджуєте схему з частотами в десятки МГц, або часом наростання швидше 50 нсек, використовуйте ці пристосування!

Висновки.

Мораль історії така:

• Підлаштовувати компенсаційний конденсатор Вашого щупа!
• При аналізі роботи щупів, в підручниках дуже рідко згадуються ефекти розподілених ліній, які насправді є фундаментальними при проектуванні.
• Різниця між низькочастотними і широкосмуговими щупами дійсно ІСНУЄ. Широкосмугові щупи спроектовані з ретельно підібраними характеристиками кабелю лінії передачі і мінімізованими ефектами відображення від кінців лінії. Набагато більшу увагу приділено паразитних ємностей і якості виготовлення.
• Щуп х10 має імпеданс в 10МОм тільки на низьких частотах. Імпеданс на вищих частотах в головній мірі визначається величиною ємності компенсаційного конденсатора.
• Якщо важливі міжканального часові взаємозв’язки (наприклад, виявлення проблем з «гонками», або розфазуванням синхроімпульсів), то при дослідженнях необхідно використовувати ідентично налаштовані щупи.
• Індуктивність ланцюга заземлення може кардинально спотворити форму сигналу і смугу пропускання щупа. Використовуйте набори з комплекту Вашого осцилографа для забезпечення низько-індуктивного підключення ланцюга заземлення.
• Не допускайте звисання Ваших щупів зі столу. Навіть найякісніші з них зламаються, якщо Ви на них наступите або наїдете офісним стільцем!