Phân tích Thực tế về Sond Oscilloscope

Sonde oscilloscope là một phần thiết yếu trong bộ dụng cụ phòng thí nghiệm của bạn nếu bạn có một oscilloscope, nhưng bạn đã bao giờ dừng lại để suy nghĩ xem các sonde có thể ảnh hưởng như thế nào đến tín hiệu mà bạn đang cẩn thận nghiên cứu để hiểu hành vi của mạch của bạn hoặc phân tích hiệu suất của một linh kiện?

Bài viết này sẽ xem xét các loại sonde oscilloscope khác nhau, so sánh hiệu suất, xem sonde ảnh hưởng như thế nào đến những gì bạn thấy và xác định sonde nào là tốt nhất cho ứng dụng của bạn. Để có kết quả toàn diện, tôi đã bổ sung các sonde chất lượng cao của mình với một số sonde rẻ nhất có sẵn trên Amazon và Digi-Key để xem sự khác biệt.

Khi xem xét các lựa chọn có sẵn khác nhau, kỳ vọng là các sonde rẻ tiền sẽ đều không tốt và các sonde đắt tiền sẽ nói chung là tốt hơn. Tuy nhiên, kết quả có thể sẽ làm bạn ngạc nhiên.

Phân tích Sonde Oscilloscope

Việc phân tích hiệu suất sonde oscilloscope nhằm khám phá thêm về các loại sonde khác nhau và hiểu cách chúng ảnh hưởng đến việc đo lường sử dụng một loạt sonde trong các tình huống thực tế.

Hiệu suất sonde đặc biệt quan trọng khi xem xét các tín hiệu tốc độ cao, một sonde kém chất lượng không chỉ không thể hiển thị một hình dạng sóng chính xác, mà các tính chất điện dung và cảm ứng của nó có thể ảnh hưởng đến hoạt động của mạch bạn đang cố gắng theo dõi. Do đó, việc bạn hiểu sonde bạn đang sử dụng và cách nó sẽ ảnh hưởng đến các tín hiệu bạn đang cố gắng đo lường là rất quan trọng.

Các vấn đề với sự khác biệt của sonde có thể đặc biệt rắc rối trong các phòng thí nghiệm lớn nơi bạn có thể có quyền truy cập vào nhiều loại sonde khác nhau. Các phép đo ghi lại khi kiểm tra một mạch có thể sẽ khác nếu bạn quay lại và đo lại sử dụng các sonde khác. Đây là một trong những lý do bạn cần phải có bản ghi đầy đủ về thiết bị kiểm tra bạn sử dụng, bao gồm cả các sonde và dây dẫn cho việc kiểm tra xác thực và xác nhận chính thức. 

Các sonde oscilloscope được kiểm tra bao gồm:

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

Giải thích về Sonde Oscilloscope

Một sonde oscilloscope lý tưởng sẽ sao chép tín hiệu mà nó đo trên bảng mạch với độ trung thực tuyệt đối tại oscilloscope mà không làm tải mạch hoặc cho phép nhiễu làm giảm tín hiệu. Thực tế là luôn có một số yếu tố làm méo tín hiệu, tải và nhiễu. Các sự đánh đổi điển hình là giảm thiểu các tác động tiêu cực đối với cả bảng mạch và tín hiệu được đo trong phạm vi ngân sách.

Có hai loại đầu dò chính, đầu dò bị động và đầu dò chủ động. Như tên gọi, đầu dò bị động sử dụng các linh kiện bị động để giảm tín hiệu sao cho hiệu điện thế tối đa của tín hiệu được đo nằm trong giới hạn của máy hiện sóng. Trong dạng đơn giản nhất, một đầu dò bị động không có sự giảm tín hiệu thực sự là một đoạn dây. Đầu dò chủ động sử dụng một mạch chủ động, thường dựa trên bộ khuếch đại hoạt động, để giảm trở kháng đầu vào và cải thiện độ nhạy. Đầu dò lý tưởng có trở kháng đầu vào cao và dung kháng đầu vào thấp.

Thông thường, đầu dò sử dụng cáp đồng trục có lớp chống nhiễu để giảm thiểu nhiễu, điều này làm tăng tính chất cảm ứng và dung của đầu dò bị động. Thông thường, đầu dò bao gồm một mạch bù cho phép điều chỉnh thủ công các thông số trở kháng để giảm thiểu ảnh hưởng lên mạch mà đầu dò được gắn vào. Tất nhiên, trở kháng này sẽ thay đổi theo tần số, vì vậy luôn cần thiết chỉnh bù cho phù hợp với tần số của tín hiệu được đo. Chúng ta cũng có thể thấy rằng chiều dài cáp giữa đầu dò và cổng kết nối máy hiện sóng sẽ ảnh hưởng đến các phép đo, đặc biệt là băng thông. Đây là lý do tại sao dây dẫn của đầu dò đủ dài để sử dụng nhưng không dài hơn mức cần thiết.

Các đầu dò máy hiện sóng chuyên dụng cũng có sẵn cho các ứng dụng như đo điện áp cao mà bạn không thường thấy trong các bảng mạch điện tử chung. Những đầu dò này sẽ bao gồm các tính năng an toàn để bảo vệ người dùng khỏi nguy cơ bị giật điện.

Khi chọn một đầu dò máy hiện sóng, có một số yếu tố quan trọng cần xem xét.

• Băng thông xác định tần số tối đa mà đầu dò có thể đo chính xác, được chỉ định bằng điểm -3dB của tín hiệu. Các tín hiệu vượt quá tần số này đáng kể sẽ, ít nhất, bị suy giảm và mất đi và, tồi tệ nhất, bị méo mó rất nhiều, tạo ra các phép đo sai lệch.
• Thời gian tăng xác định sự thay đổi tín hiệu chuyển tiếp nhanh nhất mà đầu dò có thể đo chính xác, cơ bản là độ dốc của một tín hiệu thay đổi nhanh.

Máy hiện sóng và đầu dò sẽ giới hạn tần số tối đa và thời gian tăng bạn có thể đo chính xác, điều này có thể trở thành một yếu tố hạn chế nghiêm trọng khi xem xét các tín hiệu đồng hồ số nơi một thời gian tăng chính xác phụ thuộc vào việc đo chính xác các thành phần tín hiệu tần số cao của tín hiệu sóng vuông.

Hiệu điện thế tối đa có thể đo chính xác của đầu dò là dải động. Điều này thường được chỉ định cho các thành phần tín hiệu dòng điện trực tiếp và sẽ giảm dần khi tần số tín hiệu tăng lên. Các đầu dò đo chênh lệch có sẵn, chỉ định cả giá trị chế độ chung và chế độ chênh lệch của dải động. Các đầu dò được thiết kế để đo nguồn cung cấp điện cũng có sẵn, được điều chỉnh để đo tín hiệu xoay chiều nhỏ được áp đặt trên một tín hiệu dòng điện trực tiếp lớn.

Cách Tiếp Cận Kiểm Tra Đầu Dò Máy Hiện Sóng

Quá trình kiểm tra sử dụng phân tích đáp ứng tần số dựa trên biểu đồ Bode trên các loại đầu dò khác nhau trên một dải tần rộng. Các máy hiện sóng được sử dụng để kiểm tra đầu dò có khả năng nội bộ cho loại kiểm tra này nhưng bị giới hạn ở tối đa 50MHz. Để sản xuất một sự so sánh trên một băng thông rộng và đại diện hơn, một Máy Phát Sóng Tùy Ý Siglent SDG7102A đã được lập trình để bước qua các tần số từ 700kHz đến 700MHz. Máy hiện sóng được sử dụng cho việc kiểm tra đầu dò hạn chế băng thông kiểm tra này. Máy Phát Sóng cũng cho phép kiểm tra đáp ứng thời gian tăng, có khả năng tạo ra các tín hiệu với cạnh tăng với tốc độ 500 picosecond.

Trọng tâm kiểm tra chủ yếu là trên trường hợp sử dụng điển hình của việc đo các tín hiệu với các yếu tố tốc độ cao hơn là chỉ đơn giản là đo các sóng sin tốc độ cao. Phương pháp kiểm tra này đại diện cho việc sử dụng điển hình của các đầu dò máy hiện sóng, mang lại kết quả có giá trị hơn cho các nhà thiết kế mạch. Chúng ta sẽ thấy rằng phân tích đáp ứng tần số đã cung cấp một số hiểu biết thú vị.

Một khía cạnh quan trọng của việc kiểm tra là đảm bảo việc bù đắp chính xác của các đầu dò để kết quả có thể được đối sánh và so sánh để sản xuất một đánh giá hiệu suất định tính.

Kết Quả Kiểm Tra Đầu Dò Máy Hiện Sóng

Bạn có thể xem kết quả kiểm tra tốt nhất trên video đi kèm với bài viết này, nơi bạn có thể quan sát các hình sóng được tạo ra bởi mỗi đầu dò và thấy sự khác biệt và, trong một số trường hợp, không có sự khác biệt trong kết quả. 

Ví dụ, kiểm tra hai đầu dò Rigol với băng thông được chỉ định là 150MHz và 350MHz đã sản xuất một phản ứng tần số gần như giống hệt nhau, bao gồm hình dạng sóng và sự duy trì quá độ.

Kết quả này gợi ý rằng chúng về mặt chức năng giống hệt nhau và chỉ được gắn nhãn khác nhau. Kết quả này tương quan với bằng chứng giai thoại từ người dùng của các đầu dò này.

Một trong những phát hiện chính là kết quả băng thông, với một số đầu dò thể hiện điểm -3dB vượt xa giá trị thông số kỹ thuật. Ví dụ, cả hai đầu dò Rigol đều ghi lại các tín hiệu với cạnh tăng của khoảng 750 picosecond, tương ứng với băng thông khoảng 460MHz. Điều này vượt quá băng thông được chỉ định của chúng là 150MHz và 350MHz. Thú vị là đầu dò Keysight N2140A 200MHz cũng có băng thông quan sát được khoảng 460MHz.

Tóm Tắt Kết Quả Rigol

Đầu dò Rigol PVP2150 150MHz và đầu dò Rigol PVP2350 350MHz đã sản xuất gần như các hình sóng đo được giống hệt nhau.

Rigol PVP2150

Rigol PVP2350

Tóm tắt Kết quả của Keysight

Keysight N2140A có giá phải chăng, bao gồm hai bộ đầu dò với việc bù trừ nhà máy chính xác và kết quả đo lường cạnh nhanh xuất sắc. Hình dạng sóng đo được có sự tương quan lớn với tín hiệu kiểm tra nguồn, mang lại độ chính xác đo lường xuất sắc.

Quan sát về đầu dò Keysight N2889A 350MHz có đánh giá cao hơn cho thấy nó tạo ra hình dạng sóng đo gần với hình dạng sóng tín hiệu hơn so với các mô hình Rigol giá rẻ hơn. Đầu dò này tạo ra một biểu diễn hình dạng sóng xuất sắc của tốc độ cạnh qua một băng thông khoảng 460MHz. Tuy nhiên, mặc dù giá của nó cao hơn hơn năm lần so với lựa chọn Rigol giá rẻ, kết quả không đáng kể tốt hơn. Một điểm cần lưu ý là dung lượng đầu vào của đầu dò này cao hơn so với đầu dò Keysight có băng thông thấp hơn trong thử nghiệm, điều này rất quan trọng khi đo các tín hiệu tại các điểm trên bảng mạch nhạy cảm với tải dung.

Đầu dò Keysight N2894A 700MHz được đánh giá cao nhất có giá khoảng mười lần cao hơn so với đầu dò giá rẻ nhưng có dung lượng đầu vào khoảng một nửa. Kết quả thử nghiệm cho thấy tốc độ của cạnh tăng chỉ tương đương với băng thông khoảng 520MHz. Tuy nhiên, giá trị này vượt qua băng thông đầu vào trở kháng cao của máy hiện sóng, vì vậy mặc dù đầu dò này không biểu diễn hình dạng sóng tốt như đầu dò 200MHz, giới hạn băng thông đầu vào của máy hiện sóng có thể là nguyên nhân. Trên giấy, đầu dò 700MHz của Keysight nên là lựa chọn tốt nhất, và nó có thể thực sự là như vậy sau khi giải quyết các hạn chế về kiểm tra và hiệu chuẩn đầu dò.

Hạn chế này rất quan trọng khi đo các tín hiệu có thành phần nhanh hơn băng thông của máy hiện sóng của bạn. Đầu vào 50-Ohm của máy hiện sóng thử nghiệm có băng thông 6.3GHz, vượt xa khả năng của tín hiệu máy phát chức năng được sử dụng để tạo ra hình dạng sóng thử nghiệm. Đầu dò N2140A có giá phải chăng nói chung tạo ra hình dạng sóng sạch hơn so với mô hình N2894A được đánh giá cao hơn.

Tóm tắt Kết quả của Pico Technology

Sonda TA375 của Pico Technology cho dải máy hiện sóng USB PicoTest có băng thông tương đối thấp và tạo ra một trong những hình dạng sóng ít đại diện nhất.

Quá trình kiểm tra cho thấy phản ứng của cạnh tăng là tương đối nhanh nhưng bao gồm một sự vượt quá lớn lên đến 35%. Giảm thời gian tăng của tín hiệu kiểm tra xuống còn khoảng hai nanogiây đã kiểm soát được sự vượt quá ở mức chấp nhận được và tạo ra một tín hiệu đo lường tương đối sạch khi giảm xuống ba nanogiây.

Kết luận, sonda giá rẻ này rất tốt cho công việc tần số thấp với sự kết hợp điển hình với máy hiện sóng 20MHz.

Tóm tắt Kết quả của Digilent

Rõ ràng thuộc về phân khúc giá rẻ là sonda Digilent 460-004, được ghi nhãn là "P6100", mà chúng ta sẽ thấy là cùng một số mô hình với sonda Youmile mà chúng ta sẽ xem xét sau.

Sonda có băng thông 100MHz này cũng cho thấy một sự vượt quá 35% khi đo sóng vuông 100MHz. Tuy nhiên, hiệu suất kém này chỉ giới hạn ở phản ứng cạnh tăng, và phần còn lại của hình dạng sóng đo được khá đại diện cho tín hiệu kiểm tra.

Giảm cạnh tăng xuống dưới 2,5 nanogiây, tương đương với băng thông 155MHz, đã giảm sự vượt quá xuống dưới 5%, vẫn còn cao hơn nhiều so với thông số kỹ thuật được quảng cáo. Những sonda giá rẻ này có thể rất tốt khi sử dụng máy hiện sóng có băng thông tối thiểu, như Analog Discovery hoặc các máy hiện sóng USB khác của Digilent.

Tóm tắt Kết quả của Youmile

Ấn tượng đầu tiên về sonda P6100 của Youmile là nó trông giống hệt với sonda Digilent 460-004 với cùng băng thông được chỉ định và chỉ đắt hơn một chút. Tuy nhiên, quá trình kiểm tra cho thấy so với sonda Digilent, phản ứng tần số giảm mạnh do hiệu chuẩn nhà máy không đủ.

Nỗ lực hiệu chuẩn sonda kết thúc với bộ điều chỉnh ở cuối hành trình của nó, và việc sản xuất kém chất lượng có nghĩa là công cụ điều chỉnh nhựa bị hỏng, cần một công cụ điều chỉnh kim loại để điều chỉnh.

Sau khi hiệu chuẩn, kết quả kiểm tra của sonda Youmile không mấy khả quan. Khi kiểm tra bằng sóng vuông 100MHz, tín hiệu đo được không giống với tín hiệu gốc, làm cho nó không thể sử dụng được như một công cụ đo lường. Ngay cả khi giảm tần số xuống dưới băng thông được chỉ định của sonda, kết quả đo được vẫn không đủ đại diện cho tín hiệu kiểm tra để có thể sử dụng.

Nhìn chung, sonda của Digilent đã cho kết quả tốt hơn nhiều so với sonda tương đương của Youmile bất chấp vẻ ngoài ban đầu giống nhau.

Tóm tắt Kết quả Điện áp Cao YPioneer

Sonda điện áp cao YPioneer P4200 là sonda duy nhất trong loạt kiểm tra này có tỷ lệ 100:1 để quan sát hiệu suất so với các sonda tiêu chuẩn. Tôi chỉ thực hiện kiểm tra so sánh với các sonda khác; tôi không bao gồm các bài kiểm tra điện áp cao vì lý do an toàn.

Nhìn chung, sonda điện áp cao giá rẻ đã sản xuất ra các hình dạng sóng đại diện khá tốt trong băng thông 100MHz được chỉ định và vượt qua kỳ vọng khi đo cạnh tăng 500-picosecond. Hiệu suất giảm xuống ở khoảng thời gian tăng 1.5-nanosecond, nhưng điều này tương đương với gấp đôi băng thông được đánh giá cho sonda.

Phát hiện Kiểm tra Keysight

Tôi đã sử dụng máy hiện sóng Keysight MXR, một thiết bị phòng thí nghiệm mạnh mẽ, cho tất cả các bài kiểm tra. Một điểm nổi bật là khả năng hiệu chuẩn sonda xuất sắc.

Trước khi Hiệu chuẩn Sonda-Máy hiện sóng

Sau khi Hiệu chuẩn Sonda-Máy hiện sóng

Nhìn chung, kết quả của việc kiểm tra sonda đã chứng minh rằng sonda N2889A 200MHz giá rẻ thứ hai của Keysight đã vượt trội hơn tất cả các sonda bị động khác một cách đáng kể. Mặc dù phân tích phản ứng tần số không phải là tốt nhất, nhưng nó đã tạo ra một hình dạng sóng đo được phù hợp nhất với tín hiệu kiểm tra gốc, điều cuối cùng bạn mong muốn từ sonda của mình.

Điều quan trọng cần nhớ là việc kết nối một đầu dò vào mạch có thể thay đổi hành vi của mạch do trở kháng của đầu dò. Sử dụng đầu dò để điều chỉnh một mạch một cách chính xác có thể bị phá vỡ nếu hành vi của mạch thay đổi ngay sau khi bạn ngắt kết nối đầu dò. Các tính chất điện dung và cảm ứng của đầu dò cũng có thể làm méo hoặc suy giảm tín hiệu trên bảng mạch, làm giảm hiệu suất trong khi bạn cố gắng chẩn đoán sự cố.

Thông điệp rút ra từ việc kiểm tra này nhấn mạnh rằng băng thông của đầu dò không phải là yếu tố duy nhất quyết định việc chọn đầu dò tốt nhất. Băng thông cung cấp một điểm xuất phát tuyệt vời, nhưng chỉ là một trong nhiều yếu tố cần xem xét. Hiểu rõ hành vi của đầu dò của bạn là rất quan trọng để đảm bảo bạn giải thích kết quả một cách chính xác khi đo các tín hiệu.

Kết luận

Kết quả tổng thể cho thấy một đầu dò 200MHz giá rẻ, của thương hiệu có thể vượt trội so với tất cả các đầu dò khác trong loạt bài kiểm tra. Keysight N2140A chỉ có giá khoảng gấp ba lần so với các đầu dò ngân sách kém hiệu suất nhất nhưng lại cung cấp hiệu suất cao hơn gấp ba lần. Do đó, các đầu dò giá rẻ đại diện cho một kinh tế giả tạo vì chúng ngăn bạn thực hiện các phép đo chính xác, đó là mục đích của việc sử dụng máy hiện sóng. Một yếu tố khác cần xem xét là với các đầu dò của các thương hiệu lớn như Keysight, Tektronix, hoặc Rohde và Schwarz, bạn có thể tin tưởng vào kiểm soát chất lượng và sự nhất quán giữa các đầu dò.

Cuối cùng, kỹ thuật đo của bạn có thể ảnh hưởng đáng kể đến việc đo tín hiệu khi kiểm tra một bảng mạch. Tất cả các bài kiểm tra đầu dò sử dụng cùng một kỹ thuật, điều này loại bỏ bất kỳ ảnh hưởng nào trong kiểm tra so sánh, nhưng khi đến việc sử dụng máy hiện sóng thực sự, luôn luôn đáng giá để đảm bảo bạn tuân theo các phương pháp đo tốt nhất để đạt được kết quả tốt nhất.