Между платой и осциллографом

Полоса частот пропускания для измерения определяется не только входным каскадом осциллографа и его АЦП, но и пробником, который может всё испортить. Хороший пробник (щуп) абсолютно необходим, когда речь идет о ВЧ или цифровых сигналах с острыми фронтами: для сигнала частотой 10 кГц и временем нарастания 2 нс полоса составляет 175 МГц.

В бюджетных осциллографах есть только мегаомный вход, а для него нужен пассивный пробник 10x (иногда также называют x10 или 1:10). Чтобы не испортить полосу осциллографа, полоса щупа должна быть в полтора раза шире, чем у прибора. Осциллограф на 100 МГц + щуп на 100 МГц = суммарная полоса около 70 МГц.

Пробник - не просто кусок провода. Резистор Rdiv образует делитель 10:1 с Rin внутри осциллографа. Чтобы высокочастотные сигналы делились также 10:1, параллельно Rdiv добавлен конденсатор Ccomp, который уравновешивает сумму емкости осциллографа и кабеля пробника. Благодаря этому удаётся ослабить эффект фильтра низких частот.

В некоторых пробниках Ccomp фиксированный, зато добавлен подстроечный конденсатор ближе к BNC-разъему. Назначение и принцип действия тот же самый - уравновесить емкость входа осциллографа - но настраивается другое плечо делителя.

На низкой частоте пробник имеет импеданс 10 MΩ и почти не нагружает источник сигнала. Когда частота растёт, из-за конденсаторов его импеданс падает - вплоть до 20..30 Ω на 350 МГц, и влияение пробника на схему становится очень сильным.

Тонкости измерений

Есть множество способов измерить что угодно, кроме нужного сигнала. Вот список соображений, которые нужно держать в голове для любых ВЧ-измерений:

• Практически для всех сигналов подходит пробник 10x, подключенный ко входу 1 MΩ. На некоторых пробниках есть переключатель 1x/10x, стоит проверить его положение: на 1x полоса составит только 5 МГц из-за отсутствия емкостной компенсации.
• Пробник нужно настраивать: емкостная компенсация зависит от конкретного осциллографа. 
• Для ВЧ-сигналов пробник не высокоимпедансный, он оказывает значимое влияние. На частоте 350 МГц типичный пробник имеет импеданс около 30 Ом, а вовсе не 10 MΩ. Емкость пробника в режиме 10x около 5...15 пФ, и она может целиком нарушить работу высокочастотного аналогового устройства. Существуют схемы, в которых важны доли пикофарад. Например, попытка поставить щуп на выход ОУ с полосой 500 МГц почти наверняка приведёт к генерации (самовозбуждению).
• Используйте пружинку (см. заглавное фото) или аналогичный метод, чтобы обеспечить низкоиндуктивное соединение земли пробника и земли устройства. Провод от щупа с крокодилом на конце – только для низких частот, на ВЧ его индуктивность (100-300 нГн) приведёт к “звону”. Эффект проявляется уже на 5-10 МГц, или при времени нарастания менее 35..70 нс.
• Подключайте пробник непосредственно к той точке, которую хотите измерить. В упаковке с щупом есть наконечник с крючком, но он для небольших частот, как и крокодил (снова мешает индуктивность). Максимально укорачивайте провода, которые зажимаете в нём. Острые фронты всё равно будет звенеть, и это можно исправить только прямым касанием кончика щупа тестовой точки и подключением земли с помощью пружинки.

Пассивные пробники и 50 Ω

Пассивные пробники в 50 Ω трактах - скользкая тема. Большинство ВЧ-устройств, особенно в радиотехнике, рассчитано на работу с нагрузкой либо 100 Ω (50 Ω последовательной терминации и 50 Ω нагрузки), либо 50 Ω (некоторые усилители работают без последовательной терминации, чтобы не терять мощность впустую).

Никогда не включайте мощный RF-источник без нагрузки! Он мгновенно сгорит: открытый выход отражает практически всю мощность. Понадобится специальный нагрузочный резистор (для RF они особые) и, возможно, мощный аттенюатор.

Единственный способ правильно измерить выходное напряжение 50 Ω каскада – подключить его 50 Ω кабелем к 50 Ω входу осциллографа. Увы, у недорогих приборов такого входа нет, поэтому рассмотрим применение пассивных пробников. Также есть вариант измерения с использованием проходного терминатора, но о нём в другой раз.

Напрямую к выходу источника (усилителю или буферу) щуп подключать нельзя: из-за емкостной нагрузки усилители становятся нестабильными, выдают звенящие фронты и самовозбуждаются. Через резистор 50 Ω (последовательная терминация) - можно, но нагрузка усилителя будет сильно отличаться от штатной: на низкой частоте - 10 МΩ, на высокой - до 80 Ω. Это плохо, потому что свойства схем зависят от выходной нагрузки.

Чтобы максимально приблизиться к условиям 50 Ω тракта, нужна и последовательная (50 Ω между источником и выходом), и параллельная терминация (50 Ω нагрузки от выхода к земле). Теперь суммарный импеданс в зависимости от частоты будет меняться не так сильно - от 100 до 80 Ω (щуп подключен к резистору нагрузки). Not great, not terrible.

Очень маленькие сигналы

Существует единственный случай, когда использование пробника в режиме 1x оправдано: измерение чрезвычайно малых сигналов с полосой менее 5 МГц. В таком случае пробник в режиме 1x, подключенный к 1MΩ входу осциллографа позволит выиграть 20 дБ амплитуды сигнала. Можно также включить программный фильтр 20 МГц, чтобы еще сильнее подавить высокочастотные шумы.

Источники

Здесь можно более подробно почитать на английском про пробники и измерения:

• Tektronix - ABCs of Probes
• Doug Ford - The secret world of probes
• Linear - AN47-1 High Speed Amplifier Techniques