Analiza oscyloskopowych sond w warunkach rzeczywistych

Sondy oscyloskopowe są niezbędną częścią Twojego laboratorium, jeśli posiadasz oscyloskop, ale czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, jak sondy mogą wpływać na sygnał, który starannie badasz, aby zrozumieć zachowanie swojego obwodu lub analizować wydajność komponentu?

Ten artykuł przyjrzy się różnym sondom oscyloskopowym, porówna ich wydajność, zobaczy, jak sondy wpływają na to, co widzisz, i określi, które sondy są najlepsze dla Twojej aplikacji. Aby uzyskać wszechstronne wyniki, uzupełniłem moje sondy wysokiej jakości o niektóre z najtańszych sond dostępnych na Amazon i Digi-Key, aby zobaczyć różnice.

Przyglądając się różnym dostępnym opcjom, oczekiwano, że tanie sondy będą złe, a drogie sondy będą ogólnie lepsze. Jednak wyniki mogą zaskoczyć.

Analiza sond oscyloskopowych

Analiza wydajności sond oscyloskopowych miała na celu dowiedzenie się więcej o różnych typach sond i zrozumienie, jak wpływają one na pomiary przy użyciu różnych sond w realnych scenariuszach.

Wydajność sondy jest szczególnie krytyczna, gdy patrzymy na sygnały wysokiej prędkości, sonda niskiej jakości nie tylko nie wyświetli dokładnej formy fali, ale jej właściwości pojemnościowe i indukcyjne mogą wpływać na działanie obwodu, który próbujesz monitorować. Dlatego ważne jest, abyś rozumiał, jakiej sondy używasz i jak wpłynie ona na sygnały, które próbujesz zmierzyć.

Problemy z różnicami między sondami mogą być szczególnie kłopotliwe w większych laboratoriach, gdzie możesz mieć dostęp do wielu różnych typów sond. Pomiary zarejestrowane podczas testowania obwodu prawdopodobnie będą inne, jeśli wrócisz i zmierzysz ponownie przy użyciu innych sond. To jeden z powodów, dla których musisz mieć kompletne zapisy dotyczące używanego sprzętu testowego, w tym które sondy i przewody są używane do formalnych testów weryfikacji i walidacji.

Testowane sondy oscyloskopowe to:

• Rigol PVP2150 150MHz sonda
• Rigol PVP2350 350MHz sonda
• Keysight N2140A 200MHz sonda
• Keysight N2889A 350MHz sonda
• Keysight N2894A 700MHz sonda
• Pico Technology TA375 100MHz Sonda
• Digilent P6100 460-004 100MHz Sonda
• Youmile P6100 100MHz Sonda
• YPioneer wysokonapięciowa P4200 100MHz sonda

Sondy oscyloskopowe wyjaśnione

Idealna sonda oscyloskopowa powiela sygnał, który mierzy na płytce drukowanej z absolutną wiernością na oscyloskopie, nie obciążając obwodu ani nie pozwalając na degradację sygnału przez szum. Rzeczywistość jest taka, że zawsze będzie jakiś element zniekształcenia sygnału, obciążenia i szumu. Typowe kompromisy polegają na minimalizowaniu negatywnych skutków zarówno dla płytki drukowanej, jak i mierzonego sygnału w ramach ograniczeń budżetowych.

Istnieją dwa główne typy sond, pasywne i aktywne. Jak sugeruje nazwa, sondy pasywne wykorzystują pasywne komponenty do tłumienia sygnału, tak aby maksymalna różnica potencjałów mierzonego sygnału mieściła się w granicach możliwości oscyloskopu. W swojej najprostszej formie, pasywna sonda bez tłumienia to efektywnie kawałek przewodu. Sondy aktywne używają aktywnego obwodu, zazwyczaj opartego na wzmacniaczu operacyjnym, aby zminimalizować impedancję wejściową i poprawić czułość. Idealna sonda ma wysoką impedancję wejściową i niską pojemność wejściową.

Zazwyczaj sondy używają ekranowanych kabli koncentrycznych, aby zminimalizować szum, co dodaje do indukcyjnych i pojemnościowych właściwości sond pasywnych. Zwykle sondy zawierają obwód kompensacyjny, który pozwala na ręczne dostosowanie parametrów impedancji, aby zminimalizować wpływ na obwód, do którego sonda jest podłączona. Oczywiście, ta impedancja będzie się zmieniać w zależności od częstotliwości, więc zawsze istotne jest dostrojenie kompensacji do częstotliwości mierzonego sygnału. Możemy również zauważyć, że długość kabla między głowicą sondy a złączem oscyloskopu wpłynie na pomiary, szczególnie na pasmo przenoszenia. Ten wpływ jest powodem, dla którego przewody sond są wystarczająco długie, aby były użyteczne, ale nie dłuższe niż to konieczne.

Specjalistyczne sondy oscyloskopowe są również dostępne dla aplikacji takich jak pomiary wysokiego napięcia, których zazwyczaj nie znajdziemy w ogólnych płytkach obwodów elektronicznych. Będą one zawierać funkcje bezpieczeństwa chroniące użytkownika przed ryzykiem porażenia prądem.

Wybierając sondę oscyloskopową, należy wziąć pod uwagę kilka ważnych czynników.

• Pasmo przenoszenia określa efektywne maksymalne częstotliwości, które sonda może dokładnie zmierzyć, określone przy użyciu punktu -3dB sygnału. Sygnały znacznie przekraczające tę częstotliwość będą w najlepszym przypadku tłumione i tracone, a w najgorszym przypadku ekstremalnie zniekształcone, dając mylne pomiary.
• Czas narastania określa najszybszą zmianę sygnału przejściowego, którą sonda może dokładnie zmierzyć, w zasadzie stromość nachylenia szybko zmieniającego się sygnału.

Oscyloskop i sonda ograniczą maksymalną częstotliwość i czas narastania, które można dokładnie zmierzyć, co może stać się poważnie ograniczającym czynnikiem podczas analizowania sygnałów zegarowych cyfrowych, gdzie dokładny czas narastania zależy od precyzyjnego pomiaru wysokoczęstotliwościowych składników sygnału fali kwadratowej.

Maksymalna mierzalna różnica potencjałów, którą sonda może dokładnie zmierzyć, to zakres dynamiki. Jest to ogólnie określone dla składników sygnału prądu stałego i zwykle zmniejsza się wraz ze wzrostem częstotliwości sygnału. Dostępne są sondy do pomiarów różnicowych, określające zarówno wspólne, jak i różnicowe wartości zakresu dynamiki. Dostępne są również sondy zaprojektowane do pomiaru zasilaczy, dostrojone do pomiaru małego sygnału zmiennego nałożonego na znaczący sygnał prądu stałego.

Podejście do testowania sond oscyloskopowych

Proces testowania wykorzystał analizę odpowiedzi częstotliwościowej opartą na wykresach Bodego na różnych sondach dostępnych w szerokim paśmie częstotliwości. Oscyloskopy używane do testowania sond mają wewnętrzną możliwość tego typu testowania, ale są ograniczone do maksymalnie 50MHz. Aby uzyskać porównanie w szerszym i bardziej reprezentatywnym paśmie, programowalny generator arbitralnych przebiegów falowych Siglent SDG7102A został zaprogramowany do przestrajania częstotliwości od 700kHz do 700MHz. Oscyloskop używany do testowania sond ograniczał to pasmo testowe. Generator przebiegów umożliwił również testowanie czasu narastania, będąc zdolnym do generowania sygnałów z narastającym zboczem o szybkości 500 pikosekund.

Skupienie się na testowaniu było głównie na typowym przypadku użycia sondowania sygnałów z elementami wysokiej prędkości, a nie tylko na mierzeniu wysokich częstotliwości sinusoid. Ta metoda testowa reprezentuje typowe użycie sond oscyloskopowych, dając bardziej wartościowe wyniki dla projektantów obwodów. Zobaczymy, że analiza odpowiedzi częstotliwościowej dostarczyła kilku fascynujących wniosków.

Jednym z kluczowych aspektów testowania było zapewnienie właściwej kompensacji sond, aby wyniki mogły być krzyżowo korelowane i porównywane w celu uzyskania jakościowej oceny wydajności.

Wyniki testów sond oscyloskopowych

Wyniki testów najlepiej oglądać w towarzyszącym temu artykułowi wideo, gdzie można obserwować przebiegi wyprodukowane przez każdą sondę i zobaczyć różnice, a w niektórych przypadkach brak różnicy w wynikach.

Na przykład, testowanie dwóch sond Rigol o określonych pasmach przenoszenia 150MHz i 350MHz wyprodukowało niemal identyczną odpowiedź częstotliwościową, włącznie z kształtem przebiegu i utrzymującym się przesterowaniem.

Te wyniki sugerują, że były one funkcjonalnie identyczne i tylko inaczej oznaczone. Wynik ten koreluje z anegdotycznymi dowodami od użytkowników tych sond.

Jednym z kluczowych odkryć były wyniki pasma, z niektórymi sondami wykazującymi punkt -3dB, który znacznie przekraczał wartość specyfikacji. Na przykład, sondy Rigol obie przechwytywały sygnały z narastającym zboczem około 750 pikosekund, co odpowiada pasmu około 460MHz. Przekracza to ich określone pasma przenoszenia 150MHz i 350MHz. Co ciekawe, sonda Keysight N2140A 200MHz również miała zaobserwowane pasmo około 460MHz.

Podsumowanie wyników Rigol

Sonda Rigol PVP2150 150MHz i sonda Rigol PVP2350 350MHz wyprodukowały niemal identyczne zmierzone przebiegi.

Rigol PVP2150

Rigol PVP2350

Podsumowanie wyników Keysight

Budżetowy Keysight N2140A dostępny jest w zestawie dwóch sond z dokładną fabryczną kompensacją i wyjątkowo szybkimi wynikami pomiarów szybkich zboczy. Zmierzona forma fali bardzo dobrze korelowała z sygnałem testowym źródła, dając doskonałą dokładność pomiaru.

Obserwacje wyżej ocenianej sondy Keysight N2889A 350MHz pokazały, że produkowała ona bardziej reprezentatywną zmierzoną formę fali w porównaniu do formy fali sygnału niż tańsze modele Rigol. Ta sonda wyprodukowała wyjątkową reprezentację formy fali szybkości zbocza na pasmie około 460MHz. Jednakże, biorąc pod uwagę, że jej koszt jest ponad pięciokrotnie wyższy niż niskokosztowej opcji Rigol, wyniki nie były znacząco lepsze. Warto zauważyć, że pojemność wejściowa tej sondy jest wyższa niż w teście sondy o niższym paśmie Keysight, co jest istotne przy badaniu sygnałów w punktach na płytce drukowanej, które są wrażliwe na obciążenie pojemnościowe.

Najwyżej oceniana sonda Keysight N2894A 700MHz jest wyceniana na około dziesięć razy więcej niż budżetowa sonda, ale ma około połowę pojemności wejściowej. Wyniki testów zauważyły, że zmierzona prędkość narastania krawędzi odpowiada pasmu o szerokości tylko około 520MHz. Jednakże, ta wartość przekracza pasmo oscyloskopu dla wejścia o wysokiej impedancji, więc chociaż ta sonda nie reprezentuje formy fali tak dobrze jak sonda 200MHz, ograniczenie pasma wejściowego oscyloskopu może być przyczyną. Na papierze sonda 700MHz Keysight powinna być najlepszą opcją i może być w rzeczywistości po rozwiązaniu ograniczeń kalibracji testu i sondy.

To ograniczenie jest kluczowe przy mierzeniu sygnałów z komponentami szybszymi niż pasmo oscyloskopu. Wejście 50-Ohm testowanego oscyloskopu miało pasmo 6.3GHz, znacznie przekraczające możliwości sygnału generatora funkcji użytego do stworzenia formy fali testowej. Budżetowa sonda N2140A generalnie produkowała czystszą formę fali niż wyżej oceniany model N2894A.

Podsumowanie wyników Pico Technology

Sonda Pico Technology TA375 do oscyloskopów USB z serii PicoTest ma stosunkowo niską przepustowość i generuje jedną z najmniej reprezentatywnych form sygnału.

Testy wykazały, że czas narastania odpowiedzi jest stosunkowo szybki, ale zawiera znaczne przeregulowanie na poziomie 35%. Zmniejszenie czasu narastania sygnału testowego do około dwóch nanosekund pozwoliło kontrolować przeregulowanie do akceptowalnego poziomu i wyprodukować stosunkowo czysty sygnał mierzony przy trzech nanosekundach.

Podsumowując, ta sonda z niższej półki cenowej jest doskonała do pracy z niskimi częstotliwościami, zwłaszcza w typowym połączeniu z oscyloskopem 20MHz.

Podsumowanie Wyników Digilent

Wyraźnie w kategorii budżetowej znajduje się sonda Digilent 460-004, oznaczona jako "P6100", która, jak zobaczymy, ma ten sam numer modelu co sonda Youmile, którą przyjrzymy się później.

Ta sonda o przepustowości 100MHz również wykazała przeregulowanie na poziomie 35% podczas pomiaru kwadratowej fali 100MHz. Jednak ta słaba wydajność była ograniczona do odpowiedzi na krawędź narastającą, a reszta zmierzonej formy fali była dość reprezentatywna dla sygnału testowego.

Zmniejszenie krawędzi narastającej do poniżej 2,5 nanosekundy, co odpowiada przepustowości 155MHz, obniżyło przeregulowanie do poniżej 5%, co wciąż jest znacznie powyżej deklarowanej specyfikacji. Te niedrogie sondy mogą być doskonałe przy użyciu oscyloskopu o minimalnej przepustowości, takiego jak Analog Discovery lub inne oscyloskopy USB firmy Digilent.

Podsumowanie Wyników Youmile

Pierwsze wrażenie sondy Youmile P6100 to jej wizualna identyczność z sondą Digilent 460-004 o tej samej określonej przepustowości i tylko nieznacznie wyższej cenie. Jednak testy wykazały, że w porównaniu z sondą Digilent, odpowiedź częstotliwościowa gwałtownie spada z powodu niewystarczającej kalibracji fabrycznej.

Próba kalibracji sondy zakończyła się, gdy pokrętło regulacyjne osiągnęło koniec swojego zakresu, a słaba jakość wykonania oznaczała, że plastikowe narzędzie do regulacji zostało uszkodzone, wymagając metalowego narzędzia do dostosowania.

Po kalibracji wyniki testów sondy Youmile nie były obiecujące. Podczas testowania przy użyciu fali kwadratowej 100MHz, zmierzony sygnał niewiele przypominał oryginał, co czyniło ją bezużytecznym narzędziem pomiarowym. Nawet zmniejszenie częstotliwości do wartości dobrze mieszczącej się w określonym paśmie sondy nie pozwoliło uzyskać fali mierzonej wystarczająco reprezentatywnej dla sygnału testowego, aby była użyteczna.

Sonda Digilent ogólnie wyprodukowała znacznie lepsze wyniki w porównaniu z odpowiednikiem Youmile, pomimo początkowo identycznego wyglądu.

Podsumowanie wyników wysokiego napięcia YPioneer

Sonda wysokiego napięcia YPioneer P4200 jest jedyną sondą 100:1 włączoną do tej serii testów, aby obserwować jej wydajność w porównaniu ze standardowymi sondami. Wykonałem tylko testy porównawcze z innymi sondami; nie uwzględniłem testów wysokiego napięcia ze względów bezpieczeństwa.

Podsumowując, budżetowa sonda wysokiego napięcia wyprodukowała dość reprezentatywne przebiegi w swoim określonym paśmie 100MHz i przekroczyła oczekiwania podczas pomiaru zbocza narastającego o długości 500 pikosekund. Wydajność spadła przy czasie narastania około 1,5 nanosekundy, ale to odpowiada dwukrotności ocenianego pasma dla sondy.

Wyniki testów Keysight

Do wszystkich testów użyłem oscyloskopu Keysight MXR, potężnego narzędzia laboratoryjnego. Jednym z punktów kulminacyjnych była doskonała zdolność kalibracji sondy.

Przed kalibracją oscyloskopu-sondy

Po kalibracji oscyloskopu-sondy

Podsumowując, wyniki testów sond wykazały, że druga najtańsza sonda Keysighta N2889A o paśmie 200MHz znacznie przewyższyła wszystkie inne pasywne sondy pod względem wydajności. Chociaż analiza odpowiedzi częstotliwościowej nie była najlepsza, to wyprodukowała przebieg mierzony, który najbardziej odpowiadał sygnałowi testowemu, co ostatecznie jest tym, czego oczekujesz od swojej sondy.

Ważne jest, aby pamiętać, że podłączenie sondy do obwodu może zmienić zachowanie obwodu ze względu na impedancję sondy. Dokładne dostrojenie obwodu przy użyciu sondy może zostać zniweczone, jeśli zachowanie obwodu zmieni się zaraz po odłączeniu sondy. Właściwości pojemnościowe i indukcyjne sondy mogą również zniekształcać lub tłumić sygnały na płytce, pogarszając wydajność podczas prób diagnozowania problemów.

Wnioski z tego testowania podkreślają, że pasmo przenoszenia sondy to nie wszystko przy wyborze najlepszej sondy. Pasmo przenoszenia stanowi doskonały punkt wyjścia, ale to tylko jeden z wielu czynników do rozważenia. Zrozumienie zachowania sondy jest kluczowe, aby prawidłowo interpretować wyniki podczas mierzenia sygnałów.

Podsumowanie

Ogólne wyniki pokazały, że stosunkowo tania, markowa sonda 200MHz może przewyższyć wszystkie inne w serii testów. Keysight N2140A kosztuje tylko około trzy razy więcej niż sondy budżetowe o najgorszych wynikach, ale dostarcza ponad trzy razy lepszą wydajność. W konsekwencji, tanie sondy stanowią fałszywą oszczędność, ponieważ uniemożliwiają dokonywanie dokładnych pomiarów, co jest celem używania oscyloskopu. Innym aspektem jest to, że przy sondach znanych marek takich jak Keysight, Tektronix czy Rohde and Schwarz, można mieć uzasadnione zaufanie do kontroli jakości i spójności między sondami.

Wreszcie, technika sondowania może znacząco wpływać na pomiary sygnałów podczas testowania płytki. Wszystkie testy sond używały tej samej techniki, co eliminuje wszelki wpływ w testach porównawczych, ale gdy przychodzi do używania oscyloskopu na poważnie, zawsze warto upewnić się, że stosuje się najlepsze praktyki sondowania, aby uzyskać najlepsze wyniki.