Что особенного в осциллографических пробниках для шин питания?

У осциллографических пробников много общего с инструментами, которые можно найти в гараже. Универсальный гаечный ключ, например, это отличный инструмент. Но для конкретной задачи, как правило, лучше подходит специализированный ключ. Эквивалентом универсального гаечного ключа в мире осциллографов выступает универсальный пассивный пробник с коэффициентом ослабления 10:1, который поставляется с большинством приборов. Такие пробники способны справляться с большим количеством измерительных задач, но их технические характеристики ограничивают точность измерений.

Ряд производителей осциллографов, в их числе и компания Rohde & Schwarz, предлагают пробники для шин питания – новый тип пробников, специально разработанный для точного измерения целостности питания.

Малые значения напряжений шин питания постоянного тока и жёсткие допуски сильно усложняют задачу точного измерения уровня пульсаций и шума в цепи питания. Например, измеряемый размах напряжения на шине питания напряжением 1 В с допуском 1% составляет 10 мВ. Большинство устаревших моделей осциллографов и пробников имеют уровень собственных шумов, который превышает это значение. Именно поэтому производители осциллографов предлагают пробники, специально предназначенные для измерения переменных составляющих сигналов постоянного тока. Параметры пробников для шин питания позволяют понять, почему они так хорошо подходят для этой задачи.

Ослабление 1:1

Пробники с коэффициентом ослабления 10:1 уменьшают сигнал в десять раз до подачи его на входной каскад осциллографа. Осциллограф компенсирует это ослабление, умножая входной сигнал в десять раз. Это означает, что уровень собственных шумов также умножается в десять раз. В итоге получается слишком большой уровень шума для проведения точных измерений целостности питания. Хорошие пробники для измерения целостности питания обладают коэффициентом ослабления 1:1 с низким уровнем шума, который позволяет провести более точные измерения.

Встроенное смещение

Большинство осциллографов не способны обеспечить достаточное смещение, чтобы центрировать сигнал относительно номинального значения напряжения питания и увеличить его для получения более подробной информации о сигнале.

Например, осциллограф способен обеспечить смещение на 1,4 В при разрешении 10 мВ/дел. При измерении уровня пульсаций и шума для более высоких значений номинальных напряжений, скажем, 1,8 В или 3,3 В, пользователь не сможет центрировать сигнал и увеличить его. Придётся использовать вертикальное разрешение с меньшей чувствительностью. Пользователь должен будет установить более крупный масштаб по вертикальной оси, что означает увеличение амплитуды шума во время измерения. Т.к. пользователь не может увеличить сигнал, осциллограф использует только часть динамического диапазона АЦП, что также сказывается на точности измерений.

Пробники для шин питания обладают большим встроенным смещением, которое позволяет пользователям проводить центрирование и пользоваться функцией масштабирования для большого диапазона номинальных значений напряжения шин постоянного тока.

Полоса пропускания

Насколько для испытаний шин постоянного тока важна полоса пропускания? Зависит от ситуации.

Требования к полосе пропускания диктуются наличием гармоник, переходными процессами, мешающими наводками, которые возникают в шине питания. Быстрый анализ с помощью функции БПФ осциллографа позволяет выявить соответствующие сигналы. Именно поэтому пробники целостности питания, как правило, имеют полосу частот свыше 1 ГГц.

Входной импеданс по постоянному току

Значение импеданса шины питания обычно составляет несколько миллиом. Если пользователи подключают 50-омный тракт осциллографа к шине питания, они быстро обнаруживают, что напряжение постоянного тока падает из-за образовавшегося резистивного делителя напряжения. По этой причине пробники целостности питания имеют большое входное сопротивление по постоянному току, как правило, порядка 50 кОм. Высокие значения входного сопротивления обеспечивают минимальное изменение постоянного значения напряжения при подключении пробника к шине питания.

Пробники для шин питания, как и другие пробники, имеют быстроспадающую частотную характеристику. На высоких частотах входной импеданс опускается до 50 Ом, чтобы обеспечить согласование SMA-разъёма шины и коаксиального кабеля питания и устранить отражённый сигнал.

Пробники для шин питания поддерживают несколько вариантов подключения, включая 2,5-мм разъём, SMA-разъём и зажим для компонентов поверхностного монтажа. Для повышения точности измерений к шунтирующему конденсатору можно подключить впаиваемый 50-омный коаксиальный кабель (см. рис. 1).

Встроенный вольтметр постоянного тока

Пробники шин питания полезны не только для наблюдения за небольшими возмущениями на шинах питания, но также и для определения постоянного напряжения шины питания.

Более совершенные модели пробников для шин питания оснащены встроенным вольтметром постоянного тока. Он позволяет измерять значения напряжения постоянного тока, даже если сигнал не отображается на экране осциллографа. Эта возможность может быть полезна для быстрой оценки напряжений шины питания, а также для определения необходимого значения смещения, которое требуется ввести в осциллографе для центрирования сигналов.

Динамический диапазон

Важной характеристикой пробников шин питания, которая ограничивает их использование для задач, не связанных с измерением шин постоянного тока, является динамический диапазон. Эта величина определяет максимальный размах напряжения, который способен измерить пробник. Для большинства выпускаемых пробников шин питания это значение составляет порядка 850 мВ. Это означает, что такие пробники не подходят для задач, в которых размах напряжения превышает данное значение.

Специализированные пробники для проведения осциллографических измерений целостности питания в настоящее время набирают популярность. Например, пробник R&S ZPR20 (см. рис. 2) от компании Rohde & Schwarz обладает характеристиками (низкий уровень шума, встроенное смещение, широкая полоса пропускания, улучшенное входное сопротивление и некоторые уникальные особенности, например, возможности измерения постоянного напряжения и связь по переменному току), которые не встречаются в традиционных пробниках, изначально предназначенных для использования в задачах с более высоким уровнем шума и пульсаций.

Активный пробник с коэффициентом ослабления 1:1 добавляет всего 120 мкВ шума (СКЗ переменного тока) при полосе пропускания 1 ГГц и вертикальном разрешении 1 мВт/дел. Пробник обладает лучшим в своём классе смещением ±60 В, номинальной полосой пропускания 2 ГГц и содержит встроенный вольтметр R&S ProbeMeter для отображения значений постоянного напряжения.