CC BY
41Лон ХИНТЦ^п HINTZE)
Что нужно знать
о высокочастотных осциллографических пробниках
Начинающий инженер может подумать: «Пробник, он и есть пробник — какая, в конце концов, разница? Это просто подключение к исследуемой системе». А вот инженер, умудренный опытом, скорее всего, подумает так: «От пробника зависит все. Осциллограф за $100 000 и усилитель пробника за $10 000 можно полностью испортить 40-долларовым наконечником пробника». Приведенные в статье советы и рекомендации помогут специалистам правильно работать с высокочастотными пробниками.
Давайте сразу расставим точки над «і»: если вы используете многогигагерцовый осциллограф для отладки, проверки или измерения параметров высокоскоростных электронных схем, вы должны уделять пристальное внимание характеристикам систем пробников. Если вы этого не сделаете, то можете обнаружить, правда, когда уже будет поздно, что измерительная система да-
вала недостоверные результаты, и вы решали проблемы, которых на самом деле нет, или не замечали проблем, которые существуют. Такие нежелательные и непредусмотренные «погрешности измерения» могут на недели или даже на месяцы задержать сдачу проекта, плюс принести вам много бессонных ночей. Выбирая систему пробников, необходимо учитывать многие факторы.
Основные параметры
К основным параметрам осциллографических пробников можно отнести следующие:
1. Максимальная полоса пропускания усилителя пробника. Ясно, что у вас должен быть пробник с полосой пропускания, достаточной для захвата интересующих вас сигналов. Учтите, что некоторые пробники имеют нормированную или гарантированную полосу пропускания, тогда как для других указывается только типичная или негарантированная полоса пропускания. Большие преимущества дает система подключения, предлагающая разные системы пробников с различным соотношением цены и технических характеристик, что позволяет оптимально выбрать измерительную систему в соответствии с возможностями вашего бюджета.
2. Уровень собственных шумов усилителя пробника. Иногда инженеры пренебрегают шумом или недооценивают его важность. Как и в любом усилителе, здесь существует компромисс между полосой пропускания и шумом. Для достижения необходимой полосы пропускания в некоторых измерительных системах приходится достаточно высоко поднимать уровень шумов пробников. Приведенные в технических характеристиках «типичные» значения могут сбить вас с толку. Впрочем, вы и сами можете оценить уровень собственных шумов пробника, подключив его к осциллографу без сигнала. Оцените уровень шумов пробника при той чувствительности осциллографа, которую вы собираетесь использовать. Можно «заморозить» картинку на дисплее и померить шум с помощью курсоров или лучше использовать для этого среднеквадратическое значение на вертикаль-
ной гистограмме (это измерение точнее и не зависит от скорости обновления экрана и т. п.). Пробники с большим уровнем шумов исказят результаты всех измерений, поэтому старайтесь их не применять.
3. Типы сменных наконечников пробников, которые можно использовать с данной системой пробников. Вы должны иметь возможность надежного подключения пробника к исследуемому сигналу. Современные системы пробников могут предлагать до шести разных типов сменных наконечников: дифференциальный пробник, несимметричный пробник, дифференциальный припаиваемый пробник, несимметричный припаиваемый пробник, дифференциальное гнездо и дифференциальный адаптер SMA. Каждый тип сменного наконечника оптимален в определенных ситуациях. Например, дифференциальный пробник можно использовать для измерения любых сигналов, но несимметричные наконечники меньше по размерам, чем их дифференциальные «собратья», и могут проникать в труднодоступные места. Явное преимущество дает система подключения, поддерживающая широкий диапазон моделей применения (рис. 1).
4. Полоса пропускания каждого типа сменного наконечника. Этот ключевой параметр инженеры зачастую упускают, что может привести к серьезным ошибкам. Полоса пропускания системы, состоящей из 6-ГГц осциллографа, 4-ГГц усилителя пробника и 2-ГГц сменного наконечника будет всего 2 ГГц. Всегда тщательно контролируйте полосу пропускания сменных наконечников и подключающих приспособлений. Применяйте только те системы подключения, для которых четко указаны полосы пропускания сменных наконечни-
ков и принадлежностей. В противном случае вы просто не будете знать, что меряете с помощью этого пробника.
5. Равномерность амплитудно-частотной характеристики сменного наконечника. Хотя эту характеристику значительно труднее оценить, усилия не будут потрачены впустую. Информация производителей по этому вопросу колеблется от подробных графиков и менее подробных диаграмм, больше напоминающих карикатуры, до полного отсутствия какой-либо информации. Для самостоятельной оценки АЧХ можно использовать специальное приспособление, для того чтобы подать на осциллограф сигнал высокочастотного генератора и одновременно снимать этот сигнал пробником с открытой линии. Предполагая, что осциллограф имеет достаточно плоскую АЧХ, вы можете заметить различия между прямой подачей сиг-
нала и подачей того же сигнала через пробник (рис. 2). Различия АЧХ между разными системами подключения и разными сменными наконечниками могут быть, в некоторых случаях, весьма существенными. Системы цифровой обработки сигнала современных осциллографов могут корректировать амплитудную и фазовую характеристику сменного наконечника, однако не все осциллографы обладают такой возможностью. Откровенно говоря, некоторые типы сменных наконечников имеют столь неравномерную АЧХ (при отсутствии цифровой коррекции), что их лучше вообще не использовать для измерения высокоскоростных сигналов, даже при наличии других, облегчающих работу усовершенствований (рис. 3).
6. Наличие экранированных линий подключения пробника. Трудно поверить, но некоторые серийно выпускаемые сменные наконечники не экранированы и подвергаются воздействию электромагнитных помех (EMI). Если неэкраниро-ванный наконечник случайно окажется рядом с источником EMI, эти помехи отразятся на результатах измерения, и вы будете решать проблемы, которых на самом деле нет.
7. Надежность сменных наконечников. Обычно сменные наконечники — самые маленькие и поэтому наиболее хрупкие детали системы подключения. Ни одну прецизионную систему подключения нельзя назвать в полном смысле «прочной», но специальная механическая конструкция сменных наконечников позволяет им выдерживать определенной силы удары, изгибы, падения и определенное число циклов подключения/отключения. Тщательно обследуйте сменные наконечники и определите механически их слабые точки. Если можно, узнайте у других пользователей о стойкости различных компонентов. Если «нежные» гибкие проводники вызывают кратковре-
с
£
<
I I I I 1—г
High BW 00D (широкополосный)
BW90D
(широкополосная)
_ Short (припаиваемый)
Med Soldern-in (припаиваемый)
_ Long Soldern-in (припаиваемый)
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Частота, ГГц
Рис. 3. Амплитудно-частотные характеристики различных сменных наконечников
менные прерывания или искажения сигналов при ударе или изгибе, они могут доставить вам много неприятностей, особенно при использовании на платах с плотным расположением элементов. Лучше применять в таких ситуациях сменные наконечники на основе печатных плат с длинными и гибкими кабелями, которые смягчают механические напряжения. Выпускаются также сменные наконечники с контактными щупами, которые ломаются при малейшем падении, так что будьте осторожны.
Дополнительные параметры
Рассмотренные основные параметры, как правило, важны для каждого пользователя и могут оказать существенное влияние на результаты измерений. В отличие от этого, приведенные далее параметры могут проявляться лишь в некоторых особых ситуациях или оказывают не столь существенное влияние на результаты измерений. Тем не менее, их тоже нужно учитывать:
1. Совместимость всех сменных наконечников с одним усилителем пробника. Если окажется, что для одного сменного наконечника (такого как дифференциальный адаптер SMA) нужен иной усилитель пробника, не такой, как для всех остальных наконечников, это может стать неприятным сюрпризом и, вероятно, потребует новых затрат. В такой ситуации можно оказаться и в том случае, если новое поколение сменных наконечников окажется несовместимым с предыдущим. Обязательно проверьте, с каким усилителем работает каждый наконечник.
2. Динамический диапазон сменного наконечника. Динамический диапазон разных систем подключения может существенно отличаться. Некоторые системы подключения позволяют расширить динамический диапазон за счет коммутируемого аттенюатора (повышающего затухание), но за это приходится расплачиваться повышением уровня шумов. Вы должны знать, что существует ком-
промисс между динамическим диапазоном и шумом, который определяется конструктивными особенностями пробника (см. п. 2 в главе «Основные параметры»). Если вам нужен динамический диапазон более чем 1,25 В в размахе, то нужно уделить пристальное внимание этому вопросу.
3. Максимальный диапазон смещения при измерении несимметричных сигналов. Если вы хотите измерить высокочастотный шум системы питания, то кроме динамического диапазона пробника следует учитывать величину постоянного напряжения. Некоторые системы подключения поддерживают такие измерения за счет смещения пробника, которое позволяет совместить центральную линию динамического диапазона пробника с соответствующим уровнем постоянного напряжения (до 16 В).
4. Зависимость входного сопротивления пробника от частоты при использовании данного сменного наконечника. Диаграмма зависимости сопротивления пробника от частоты позволяет оценить нагрузку на исследуемую систему на разных частотах — от постоянного тока до верхней границы полосы пропускания пробника. Это еще одна область, в которой информация производителя может простираться от подробной до отрывочной или даже полностью отсутствовать. Хорошая диаграмма сопротивления дает очень полезную информацию, например, входное сопротивление на постоянном токе, частоту, на которой начинается спад из-за паразитной емкости, сопротивление пробника на максимальной частоте и т. п. Качество предоставленной производителем информации дает представление о том, какое внимание он уделил этому вопросу.
5. Наличие электростатической защиты или ее рейтинга. Было бы крайне неприятно повредить дорогостоящую систему подключения при недопустимой дозе статического электричества. Если такая ситуация может возникнуть, убедитесь в наличии электростатической защиты и проверьте рейтинг защиты вашего пробника. Возможно, вы будете удивлены, но чаще всего такая защита отсутствует.
6. Наличие удлинительного кабеля для испытательных камер. Этот параметр понятен без пояснений. Такая возможность либо нужна, либо нет, и система подключения либо поддерживает ее, либо нет.
7. Расходы на долговременную эксплуатацию сменных наконечников. Для решения этой проблемы существует два основных подхода — одноразовые и ремонтопригодные наконечники. Одноразовые сменные наконечники стоят примерно $40 за штуку и выдерживают определенное число циклов подключения, после чего их надо выбрасывать. Преимущество такого подхода в невысокой начальной цене, что позволяет использовать большое число пробников одновременно при сравнительно небольших затратах. Ремонтопригодные наконечники стоят $400 за штуку, и их можно ремонтировать до сотни раз. В этом случае расходы на долговременную эксплуатацию получаются ниже, и к тому же вы получаете более надежное соединение.
8. Удобство применения разных сменных наконечников. Этот фактор очень важен, но в достаточной степени субъективен, поэтому лучше всего оценивать его на основе практического опыта. Тем не менее, существуют некоторые ключевые атрибуты, которые можно быстро оценить. Пробники легче держать, и они обладают более тонкими наконечниками, что улучшает видимость точки подключения. Необходимо, чтобы наконечник пробника можно было легко отрегулировать, а также он должен иметь широкий угол применения, чтобы в любом случае оставаться на контрольной точке. Припаиваемые сменные наконечники должны быть длинными и подключаться под разными углами. Будьте осторожны с системами, предлагающими один или другой из этих вариантов, поскольку АЧХ этих головок могут сильно отличаться.
При выполнении точных высокоскоростных осциллографических
измерений не обойтись без пробников, обеспечивающих идеальное
качество сигнала. Приведенные советы помогут вам выбрать наилучшую систему подключения для конкретной задачи. ■
