Анализ осциллографических пробников в реальных условиях

Осциллографические зонды являются неотъемлемой частью вашей лабораторной установки, если у вас есть осциллограф, но задумывались ли вы когда-нибудь о том, как именно зонды могут влиять на сигнал, который вы тщательно изучаете, чтобы понять поведение вашей схемы или анализировать производительность компонента?

В этой статье мы рассмотрим различные осциллографические зонды, сравним их производительность, увидим, как зонды влияют на то, что вы видите, и определим, какие зонды лучше всего подходят для вашего применения. Для получения всесторонних результатов я дополнил свои высококачественные зонды некоторыми из самых дешевых зондов, доступных на Amazon и Digi-Key, чтобы увидеть различия.

Когда рассматривались различные доступные варианты, ожидалось, что дешевые зонды будут плохими, а дорогие зонды в целом будут лучше. Однако результаты могут оказаться неожиданными.

Анализ осциллографических зондов

Анализ производительности осциллографических зондов направлен на изучение различных типов зондов и понимание того, как они влияют на измерения с использованием различных зондов в реальных условиях.

Производительность зонда особенно критична при рассмотрении высокоскоростных сигналов, зонд низкого качества не только не сможет отобразить точную форму волны, но и его емкостные и индуктивные свойства могут повлиять на работу схемы, которую вы пытаетесь мониторить. Поэтому крайне важно понимать, какой зонд вы используете и как он повлияет на сигналы, которые вы пытаетесь измерить.

Проблемы, связанные с различиями зондов, могут быть особенно заметны в больших лабораториях, где у вас может быть доступ к множеству различных типов зондов. Измерения, записанные при тестировании схемы, вероятно, будут отличаться, если вы вернетесь и повторите измерение с использованием других зондов. Это одна из причин, по которой вам нужно иметь полные записи о том, какое испытательное оборудование вы используете, включая какие зонды и провода для формальной проверки и валидации тестирования. 

Тестировались следующие осциллографические зонды:

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

Осциллографические зонды объяснены

Идеальный осциллографический зонд должен воспроизводить сигнал, который он измеряет на печатной плате, с абсолютной точностью на осциллографе, не нагружая схему и не допуская ухудшения сигнала из-за шума. Реальность такова, что всегда будет некоторое искажение сигнала, нагрузка и шум. Типичные компромиссы заключаются в минимизации негативного воздействия как на печатную плату, так и на измеряемый сигнал в рамках бюджетных ограничений.

Существует два основных типа пробников: пассивные и активные. Как следует из названия, пассивные пробы используют пассивные компоненты для ослабления сигнала, так чтобы максимальная разность потенциалов измеряемого сигнала находилась в пределах возможностей осциллографа. В своей самой простой форме пассивный пробник без ослабления представляет собой по сути кусок провода. Активные пробы используют активную схему, обычно на основе операционного усилителя, для минимизации входного импеданса и улучшения чувствительности. Идеальный пробник имеет высокий входной импеданс и низкую входную ёмкость.

Обычно пробы используют экранированные коаксиальные кабели для минимизации шума, что добавляет индуктивные и ёмкостные свойства пассивным пробникам. Обычно пробы включают в себя компенсационную схему, которая позволяет вручную настраивать параметры импеданса для минимизации воздействия на схему, к которой подключен пробник. Конечно, этот импеданс будет варьироваться в зависимости от частоты, поэтому всегда важно настраивать компенсацию в соответствии с частотой измеряемого сигнала. Мы также можем видеть, что длина кабеля между головкой пробника и разъемом осциллографа будет влиять на измерения, особенно на полосу пропускания. Это влияние является причиной, по которой длина проводов пробников достаточно длинная, чтобы быть полезной, но не длиннее, чем необходимо.

Также доступны специализированные пробы для осциллографов для таких приложений, как измерения высокого напряжения, которые обычно не встречаются на общих электронных платах. Они будут включать в себя функции безопасности для защиты пользователя от риска поражения электрическим током.

При выборе пробы для осциллографа необходимо учитывать несколько важных факторов.

• Полоса пропускания определяет максимальную эффективную частоту, которую пробник может точно измерить, указываясь с использованием точки -3 дБ сигнала. Сигналы, значительно превышающие эту частоту, будут, в лучшем случае, ослаблены и потеряны, а в худшем - крайне искажены, что приведет к вводящим в заблуждение измерениям.
• Время нарастания определяет самое быстрое изменение транзиентного сигнала, которое пробник может точно измерить, по сути крутизну наклона быстро меняющегося сигнала.

Осциллограф и пробник ограничивают максимальную частоту и время нарастания, которые вы можете точно измерить, что может стать серьезно ограничивающим фактором при рассмотрении цифровых тактовых сигналов, где точное время нарастания зависит от точного измерения высокочастотных компонентов сигнала прямоугольной формы.

Максимально измеримая разность потенциалов, которую пробник может точно измерить, это динамический диапазон. Обычно он указывается для компонентов сигнала постоянного тока и, как правило, уменьшается по мере увеличения частоты сигнала. Доступны пробы для дифференциального измерения, указывающие как общие, так и дифференциальные значения динамического диапазона. Также доступны пробы, предназначенные для измерения источников питания, настроенные для измерения малых переменных сигналов, наложенных на значительный сигнал постоянного тока.

Подход к тестированию пробников осциллографа

Процесс тестирования использовал анализ частотной характеристики на основе диаграммы Боде на различных зондах, доступных в широкой полосе частот. Осциллографы, используемые для тестирования зондов, имеют внутреннюю возможность для этого типа тестирования, но ограничены максимумом в 50 МГц. Для проведения сравнения в более широкой и репрезентативной полосе частот был запрограммирован генератор произвольных сигналов Siglent SDG7102A, который последовательно переключал частоты от 700 кГц до 700 МГц. Полоса частот тестирования была ограничена используемым осциллографом. Генератор сигналов также позволил тестировать время нарастания сигнала, способный генерировать сигналы с фронтом нарастания со скоростью 500 пикосекунд.

Основное внимание при тестировании уделялось типичному случаю использования зондов для сигналов с высокоскоростными элементами, а не просто измерению высокоскоростных синусоидальных волн. Этот метод тестирования представляет типичное использование зондов осциллографа, давая более ценные результаты для разработчиков схем. Мы увидим, что анализ частотной характеристики предоставил некоторые увлекательные выводы.

Одним из критических аспектов тестирования была проверка правильной компенсации зондов, чтобы результаты могли быть скрещены и сравнены для получения качественной оценки производительности.

Результаты тестирования зондов осциллографа

Лучше всего результаты тестирования можно увидеть на сопровождающем видео к этой статье, где можно наблюдать волновые формы, произведенные каждым зондом, и увидеть различия и, в некоторых случаях, отсутствие различий в результатах. 

Например, тестирование двух зондов Rigol с указанной полосой пропускания 150 МГц и 350 МГц показало почти идентичную частотную характеристику, включая форму волновой формы и устойчивое перерегулирование.

Эти результаты предполагают, что они были функционально идентичны и просто по-разному маркированы. Этот результат коррелирует с анекдотическими свидетельствами пользователей этих зондов.

Одним из ключевых выводов были результаты полосы пропускания, с некоторыми зондами, демонстрирующими точку -3 дБ, которая значительно превышала значение спецификации. Например, оба зонда Rigol захватывали сигналы с фронтом нарастания примерно 750 пикосекунд, что соответствует полосе пропускания около 460 МГц. Это превышает их указанные полосы пропускания 150 МГц и 350 МГц. Интересно, что зонд Keysight N2140A 200 МГц также показал наблюдаемую полосу пропускания около 460 МГц.

Сводка результатов Rigol

Зонд Rigol PVP2150 150 МГц и зонд Rigol PVP2350 350 МГц показали почти идентичные измеренные волновые формы.

Rigol PVP2150

Rigol PVP2350

Краткое содержание результатов Keysight

Бюджетный Keysight N2140A поставляется в комплекте из двух пробников с точной заводской компенсацией и исключительно быстрыми результатами измерения быстродействия. Измеренная форма сигнала отлично коррелировала с исходным тестовым сигналом, обеспечивая отличную точность измерений.

Наблюдения за более высококлассным пробником Keysight N2889A 350MHz показали, что он производил более репрезентативную измеренную форму волны по сравнению с формой сигнала, чем более дешевые модели Rigol. Этот пробник создал исключительное представление формы волны скорости фронта на пропускной способности около 460MHz. Однако, учитывая, что его стоимость более чем в пять раз выше, чем у недорогого варианта Rigol, результаты не были значительно лучше. Одним из важных моментов является то, что входная емкость этого пробника выше, чем у пробника с меньшей полосой пропускания Keysight, что существенно при измерении сигналов в точках на печатной плате, чувствительных к емкостной нагрузке.

Высококлассный пробник Keysight N2894A 700MHz оценивается примерно в десять раз выше, чем бюджетный пробник, но с примерно вдвое меньшей входной емкостью. Результаты испытаний показали, что измеренная скорость нарастания фронта соответствует полосе пропускания только около 520MHz. Однако это значение превышает полосу пропускания осциллографа для входа с высоким импедансом, так что, хотя этот пробник и не представляет форму волны так же хорошо, как пробник 200MHz, причиной может быть ограничение полосы пропускания на входе осциллографа. На бумаге пробник 700MHz от Keysight должен быть лучшим вариантом, и он может быть таковым в реальном мире после устранения ограничений калибровки теста и пробника.

Это ограничение критично при измерении сигналов с компонентами, быстрее, чем полоса пропускания вашего осциллографа. Вход 50 Ом тестового осциллографа имел полосу пропускания 6.3 ГГц, что значительно превышает возможности сигнала генератора функций, использованного для создания тестовой формы волны. Бюджетный пробник N2140A в целом производил более чистую форму волны, чем более высококлассная модель N2894A.

Краткое содержание результатов Pico Technology

Пробник Pico Technology TA375 для диапазона USB-осциллографов PicoTest имеет относительно низкую полосу пропускания и создает одну из наименее репрезентативных форм сигналов.

Тестирование показало, что скорость нарастания фронта относительно высока, но включает в себя значительное перерегулирование на 35%. Уменьшение времени нарастания тестового сигнала до около двух наносекунд контролировало перерегулирование до приемлемого уровня и дало относительно чистый измеренный сигнал при снижении до трех наносекунд.

В заключение, этот пробник с низким бюджетом отлично подходит для работы на низких частотах, особенно в сочетании с осциллографом на 20 МГц.

Сводка результатов Digilent

Определенно в бюджетной категории находится пробник Digilent 460-004, обозначенный как "P6100", который, как мы увидим, имеет тот же номер модели, что и пробник Youmile, который мы рассмотрим позже.

Этот пробник с полосой пропускания 100 МГц также показал перерегулирование на 35% при измерении квадратного сигнала 100 МГц. Однако, эта плохая производительность была ограничена реакцией на нарастающий фронт, а остальная часть измеренной формы волны была вполне репрезентативной для тестового сигнала.

Уменьшение нарастающего фронта до ниже 2,5 наносекунд, что соответствует полосе пропускания 155 МГц, снизило перерегулирование до ниже 5%, что все еще значительно выше заявленных характеристик. Эти недорогие пробники могут быть отличным выбором при использовании осциллографа с минимальной полосой пропускания, такого как Analog Discovery или другие USB-осциллографы Digilent.

Сводка результатов Youmile

Первое впечатление от пробника Youmile P6100 заключается в том, что он визуально идентичен пробнику Digilent 460-004 с той же указанной полосой пропускания и стоит всего немного дороже. Однако, тестирование показало, что по сравнению с пробником Digilent, частотная характеристика резко падает из-за недостаточной заводской калибровки.

Попытка калибровки пробника закончилась достижением предела регулировки, и плохое качество изготовления привело к повреждению пластикового инструмента для настройки, что потребовало использования металлического инструмента для регулировки.

После калибровки результаты испытаний пробника Youmile оказались неутешительными. При тестировании с использованием квадратного сигнала 100МГц измеренный сигнал мало напоминал исходный, что делало его непригодным в качестве измерительного инструмента. Даже снижение частоты до значений, значительно ниже указанной полосы пропускания пробника, не позволило получить измеренную форму сигнала, достаточно хорошо представляющую тестовый сигнал, чтобы быть пригодной к использованию.

В целом, пробник Digilent показал гораздо лучшие результаты по сравнению с аналогом от Youmile, несмотря на первоначально идентичный внешний вид.

Сводка результатов высоковольтного пробника YPioneer

Высоковольтный пробник YPioneer P4200 является единственным пробником 100:1 в этой серии испытаний для наблюдения за производительностью по сравнению со стандартными пробниками. Я проводил только сравнительное тестирование с другими пробниками; я не включал испытания на высоком напряжении по соображениям безопасности.

В целом, бюджетный высоковольтный пробник показал достаточно репрезентативные формы сигналов в пределах своей указанной полосы пропускания 100МГц и превзошел ожидания при измерении фронта сигнала длительностью 500 пикосекунд. Производительность снижалась при времени нарастания около 1,5 наносекунды, но это соответствует удвоенной номинальной полосе пропускания пробника.

Находки испытаний Keysight

Для всех испытаний я использовал осциллограф Keysight MXR, мощный лабораторный прибор. Одной из особенностей была отличная возможность калибровки пробников.

До калибровки осциллограф-пробник

После калибровки осциллограф-пробник

В целом, результаты испытаний пробников показали, что второй по дешевизне пробник Keysight N2889A с полосой пропускания 200МГц превзошел все другие пассивные пробники с огромным отрывом. Хотя анализ частотной характеристики не был лучшим, он дал измеренную форму сигнала, которая наиболее точно соответствовала исходному тестовому сигналу, что в конечном итоге и является желаемым от вашего пробника.

Крайне важно помнить, что подключение пробника к цепи может изменить поведение цепи из-за импеданса пробника. Использование пробника для точной настройки цепи может оказаться бесполезным, если поведение цепи изменяется, как только вы отключаете пробник. Емкостные и индуктивные свойства пробника также могут искажать или ослаблять сигналы на плате, снижая производительность во время диагностики проблем.

Вывод из этого тестирования подчеркивает, что ширина полосы пробника не является единственным критерием для выбора лучшего пробника. Ширина полосы является отличной отправной точкой, но это только один из многих факторов, которые следует учитывать. Понимание поведения вашего пробника критически важно для того, чтобы правильно интерпретировать результаты при измерении сигналов.

Заключение

В целом результаты показали, что относительно дешевый фирменный пробник на 200 МГц может превзойти все остальные в серии тестов. Keysight N2140A стоит всего в три раза дороже, чем худшие по производительности бюджетные пробники, но обеспечивает более чем в три раза лучшую производительность. Следовательно, дешевые пробники представляют собой ложную экономию, поскольку они мешают вам проводить точные измерения, что является целью использования осциллографа. Еще один аспект заключается в том, что с пробниками от крупных брендов, таких как Keysight, Tektronix или Rohde и Schwarz, вы можете быть уверены в контроле качества и согласованности между пробниками.

Наконец, ваша техника пробирования может существенно влиять на измерения сигналов при тестировании платы. Все тесты пробников использовали одну и ту же технику, что исключает любое влияние при сравнительном тестировании, но когда дело доходит до использования осциллографа на практике, всегда стоит следовать лучшим методикам пробирования, чтобы получить наилучшие результаты.