SamsPcbGuide, часть 8: Как получить правильную осциллограмму

[@progchip666]

Статья хорошая, но слишком затянуто вступление. Я бы добавил ещё про шумы в следующей части. Тема актуальная. Не все с ходу способны отличить собственные шумы осциллографа от шумов сигнала. В результате возникает много казусов. Современные осциллографы имеют много «примочек» для их компенсации, но ими надо пользоваться уметь!

[@progchip666]

Преимуществом режима «1X» является увеличенное на 20 дБ отношение сигнал/шум, так как при том же уровне помех измерительной системы сигнал на входе осциллографа больше в 10 раз.

Мне кажется это достаточно смелое утверждение, которое приближается к истине только для измерения слабых сигналов. Обычно достаточно близко от входа стоит аттюнатор, который при высоких входных напряжениях сигнал ослабляет по любому. К тому же разрядность АЦП недорогих осциллографов, которыми приходится пользоваться большинству всего 8 — 12 бит.

[@iamsam]

Да, абсолютно верно, для сигналов размахом несколько сотен милливольт. Хотя теоретически, даже в этом случае шум щупа исключается, но про соотношения между шумом системы до аттенюатора и после я пока ничего сказать не могу.

[@Gutt]

Наверняка есть активные щупы, у которых сразу на входе стоит делитель и ВЧ-транзистор с изолированным затвором, и сразу мы имеем щуп с почти нулевой индуктивностью, ёмкостью в единицы пФ и низким уровнем наводок.

[@amarao]

А почему ацп осцилографа так далеко от места измерения? Не будет ли лучше его иметь встроенным в ручку?

[@iamsam]

Интересная идея на мой взгляд, хотя осциллографы я не разрабатываю, так бы больше про них знал, конечно! Я думаю, размеры щупа позволяют сделатать что-то подобное при сохранении удобства использования, тогда кабель может быть просто цифровым интерфейсом. Хотя почему-то так не делают, при этом активные щупы это далеко не просто резистор и переменный конденсатор, там красиво внутри. Вот разбор, который находил на YouTube — youtu.be/jnFZR7UsIPE.

[@iamsam]

Так пускай будет ящик, только данные к нему по цифровому интерфейсу или вообще безпроводной канал — iProbe.

[@9660]

Поэтому на «больших» осциллографах аттенюатор и некоторые другие регулировки параметров входов (до АЦП) — это весьма заметная часть лицевой панели. На щупе это всё разместить можно, при желании, но щупом это уже будет сложно назвать. Получится громоздко и неудобно в работе.

А почему нельзя «крутилки» на ящике а то, чем они управляют, в щупе?
Те же экшен камеры давно уже многие настраиваются исключительно через мобильник. А на самой камере из интерфейса только кнопка «включить».

[@progchip666]

В своё время была задача измерения больших напряжений на участках цепей с малыми токами. Хотел сделать свой активный щуп, дешёвые осциллографы и щупы в режиме 1:10 вносили очень серьёзные искажения сигнала.

[@iamsam]

Не весь осциллограф, а входную цепь, получается — аттенюатор + усилитель, фильтрация, АЦП. Скорее всего, так можно только относительно бюджетные характеристики получить при небольшом размере. И при этом цена щупа сильно подрастёт. В общем, занятная идея, если честно — плюсы у неё есть свои, и наверняка, все топы об этом думали, но отказались.

[@courser]

Эта «пружинка» при неплотном прилегании к массе щупа сама даст огого какую индуктивность, причём скачущую из-за межвиткового контакта.
Правильно такой щуп делается из отрезка трубки с разрезом, к которму припаивается короткий щуп массы.
По поводу осциллографического кабеля — такая конструкция (тонкий центральный, диэлектрик с низкой проницаемостью) не для снижения отражений(она используется и на низкочастотных осциллографах) а для получения максимально низкой собственной ёмкости кабеля. Высокое сопротивление центральной жилы — нежелательное следствие применения сплава, который обеспечивает необходимую прочность при таком малом диаметре. Кст. обрыв центральной жилы — самый распространённый дефект таких кабелей, особенно когда ей не оставляют положенного свободного припуска (небольшая петля в щупе) — внешняя оболочка кабеля растягивается значительно лучше нем она.

[@iamsam]

А есть экспериментальные данные, байка проверялась каким-нибудь разрушителем баек? Стало интересно проверить, выглядит не очень физично. Вы можете объяснить, какая математика стоит за этим решением?

[@iamsam]

Грубоватая модель :-).

[@courser]

Черт его знает, возможно есть условия, в которых он действительно согласуется, но тогда он сразу же и является аттенюатором )

[@DenisHW]

Интересный случай.
Кабель осциллографа — длинная линия с потерями. По расчету действительно, при укорочении кабеля нарушается равномерность характеристики:

При малой длине кабеля, потерь недостаточно, чтобы подавить резонансы.
Кстати, вот статья, которая объясняет все вопросы:
dfad.com.au/links/THE%20SECRET%20WORLD%20OF%20PROBES%20OCt09.pdf

[@iamsam]

Это потому что у Вас ёмкость меняется при изменении линии и нужно снова компенсацию делать. Рад, что уже начали играться с моделью, я всегда за такой подход. Статья хорошая, читал, но вопросы у меня остались. Например, 50 Ом сопротивления иглы он ставит. Почему? А в остальном сложилось впечатление, что хоть статья и выглядит как последовательное повествование, там много подгона и этих самых игр с моделью. А потом, когда читаешь статью, кажется, что всё так логично. Я просто сам так писал — знаю :-). К примеру, для меня осталось загадкой, как сопротивление коаксиального кабеля, измеряемого мультиметром согласовать с подобранным в модели сопротивлением кабеля, которое даёт оптимальную характеристику. У меня мерилось для P2200… на память не скажу, вроде, 300 Ом или около того, а по модели около 150 Ом. На текущий момент объяснение такое — модель грубая (об этом я и писал в статье) и служит, скорее, для образовательных целей, чем для точных расчётов для конкретной измерительной системы. Ну, или измерять реальную передаточную функцию, и подгонять параметры в модели под неё.

[@DenisHW]

Да, емкость меняется, но она влияет только на вот этот подъем на средних частотах, которых и компенсируется подстроечной емкостью. Но еще при укорочении появляется резонансный подъем на высоких частотах, что и приводит к «звону».
50 ом на входе в статье обозначено как Rtip, и действительно есть в некоторых щупах (я и сам встречал), вот с интернета:
В моей моделе он улучшает характеристику на высоких частотах:
И конечно, в статье объясняются общие принципы, а не конкретный щуп. Еще в статье дается имя того кто придумал такой щуп и кабель: инженер из Tektronix John Kobbe.

[@iamsam]

За картинку и комментарии спасибо! Модель ещё покрутить захотелось.

[@iamsam]

Поисследовал влияние резистора Rtip — он демпфирует резонансные участки в верхней части полосы пропускания, да, сглаживает там передаточную функцию. Но и снижает полосу пропускания, так что это, получается, компромиссное решение, которое не везде используется. Хотел, кстати, по этой фотографии отреверсить схему щупа, не получилось.

[@DenisHW]

Да, с этим резистором не совсем ясно. Я вот точно помню, что когда то видел в реальном щупе этот Rtip. А сейчас нашел, что картинка выше — это P5050 щуп отсюда:https://www.tablix.org/~avian/blog/archives/2014/09/disassembling_tek_p5050_probe/
Там это часть, которая ближе к осциллографу, а не делитель.
Ввел вас в заблуждение.
Попробую найти и раскурочить какой — нибудь свой щуп :)

[@iamsam]

Я и думаю, что похоже на часть около BNC, но не стал перепроверять. Тогда этот резистор входит в цепь компенсатора, и вся схема перестаёт быть загадочной :). Если что-то найдёте, пишите, надо с ним разобраться.

[@iamsam]

Есть результаты измерений полосы пропускания с пружинкой и с указанной конструкцией? Вообще, согласен, есть такие китайские «пружинки», на которые смотреть страшно. Про ёмкость согласен, но зачем тогда из нихрома? Кстати, попробуйте промоделировать в LTSpice приведённую мной схему с низким сопротивлением. Низкочастотные осциллографы это какие? Просто на 50 МГц метровый кабель — это уже длинная линия, а она не согласована. Или я что-то не понимаю?

[@iamsam]

Есть возможность сравнить полосу пропускания с такой насадкой и качественной пружинкой на одном и том же щупе?

[@courser]

Зачем измерять полосу, когда можно померить индуктивность? Индуктивность типичного(ок 10см) проводка массы 0.15 мкГн в точности равна индуктивности 6 витков такой пружинки(и вы никогда точно не знаете на котором основной контакт).
А индуктивность отрезка трубки вместе со штырём — десяток- другой нГн.
Из нихрома — потому что медь такого диаметра порвётся при малейшей продольной нагрузке.
Моделировать смысла нет, потому что всё зависит от входных параметров осциллографа, а они очень разные. Низкочастотный осциллограф это, например, С1-68 ))
Насчёт длинной линии для 50Мгц — посмотрите определение длинной линии и длину волны такой частоты.

[@iamsam]

Про механические свойства нихрома я не подумал, аргумент хороший. Но без модели и соответствия модели и результатов измерения мне для себя трудно говорить о понимании физического процесса.

Индуктивность — это косвенное измерение всё же, в лекциях LeCroy для пружинки даналась оценка 20 нГн. Поэтому я за прямое измерение — полоса. Если есть возможность измерить, буду благодарен за результаты.

По длинной линии останусь при своём мнении. Вы правы с точки зрения физики, я же о критерии малости влияния отражений. В 50 МГц полосе можно измерять сигналы с фронтом около 7 нс. Длинной с точки зрения малости влияний отражений является линия с длиной L > 1/5 x t_r x v, если взять для коаксиального кабеля 2/3 скорости света, получим около 30 см.

[@courser]

Ёлки, ну какие 20нГн? 1нГн на 1мм грубо для прямого провода. При намотке резкий рост.
Полоса это не прямое измерение, а целый комплекс переменных — тупо на сотнях мегагерц можно найти резонанс вашей пружинки и входной емкости осца в несколько или пару десятков пик — готовый контур. Все эти цифры просто на кончиках пальцев если занимаешься СВЧ.

[@iamsam]

Ёлки, значит, Эрик Богатин слабо понимает то, о чём говорит. СВЧ — это сказка, я, к сожалению, не занимался. Но для меня аргумент в пользу достижимости такой оценки это то, что пружинка — это только слово, а когда контакт на первом витке, то это прямоугольный контур с a ~ 1 см, b ~ 0,5 см. Это если в плате два переходных на расстоянии 1 см, куда игла и пружинка вставляются. Это грубо, конечно, но по крайней мере в штыки я такую оценку не принимаю, понимая, что это достижимый минимум. Конечно, можно хуже всё организовать.

[@courser]

Так речь о том, что нельзя точно сказать где там именно контакт. Пружинка — плохая идея для высоких частот, по кр мере для профессиональной работы, а широко продаётся китайцами из-за дешевизны и лёгкости изготовления. Просто есть нормальный традиционный щуп-клипса, применявшийся ещё на ламповых вольтметрах 60х годов, и не намного сложнее этой пружинки кст.

Знаю Реда, Шенка, Ротхаммеля…
Эрика Богатина, извините, не знаю и не особо интересуюсь ))

[@iamsam]

Да, логика Ваша мне понятна. Я согласен со всеми аргументами. Просто изначально был интерес к результатам сравнительного эксперимента — китайская пружинка, качественная пружинка, кольцо. Китайцы ясно, просто копируют, и плохо, но почему-то оригинальные щупы тоже с пружинкой. Фамилии серьёзные, Богатина с этими мужиками точно можно и не знать :-).

[@iamsam]

Согласен, тут правильнее говорить о частотной зависимости передаточной функции, у которой появляется пик на границы полосы пропускания. Но он же и сужает полосу по модели. Во временной области это и будет проявляться в выбросах. И внешние помехи, да, согласен полностью.

[@MgDuke]

Поделюсь небольшим лайфхаком

[@iamsam]

Отряд третьих рук, держащих щупы — это супер! Интересно, какая индуктивность у этой петли и какова она в сравнении с качественной пружинкой.

[@MgDuke]

Петля это олово >= 0.3 mm. Разносите их D x 5 и остаётся только самоиндукция. Кроме-того с пружинкой неудобно работать на практике, а вот олово — отлично гнется и припаивается к тест поинтам. На этом фото как раз Signal Integrity проверка WiFi чипа выявила проблемы с crosstalk. Если много денег и времени, вы можете изготовить Test Fixture из подпружиненных контактов и оргстекла. Ну либо MMCX разъёмы.

[@iamsam]

По поводу петли — не очень понял, что Вы хотите разносить. Петли друг от друга? Тогда да, взаимная индуктивность и перекрёстные помехи уменьшатся. Сами же проводники лучше друг к другу как раз приблизить, будет меньше площадь петли => индуктивность. Ну, и ещё уменьшится взаимная. А так идею понял — принял, удобно выглядит.

[@MgDuke]

Разносим подальше разные сигнальные дорожки (проверка crosstalk).
Если это return path — держите их поближе, ну и прижимаете к плате, чтобы stub был короче. Ещё один чисто практический совет — возле всех «важных» чипов делайте 1-2 GND test point (желательно «тупиковый», чтобы не ловить ground bounce от соседей).

[@iamsam]

Я про петлю из олова изначально, там конкретно сигнальный провод на иглу и return path на экран щупа. Про что Вы — так и не пойму, может, потому что поздно уже. Слова-то, вроде, правильные и английские и русские, но как они на мой вопрос отвечают. Может, задал криво. Просто по рисунку индуктивность такой петли по грубым оценкам ~70-100 нГн и это больше, чем индуктивность хороших «пружинок» ~20 нГн. Хотя Ваша логика мне ясна, удобно и, видимо, решает нужные задачи. Кстати, а какой спектр измеряемого сигнала?

[@MgDuke]

Этот «метод» я утащил когда-то, вроде отсюда.
PDF

Мне кажется мы с вами об одном и том же, только разными словами.
Что до частичной индуктивности пружинки / проводника — она тут главным образом зависит от длины проводника, меньше длина — меньше индуктивность (mutual inductance с пружинкой одинаковый). Олово гибкое, а пружинка нет. На моих фото проводки раскручены, RT там был порядка ~40 ns, частотный анализ я не проводил, да и не знал тогда как :) Это одна из тех плат, которые я запорол пока учился работать с high speed :)

[@iamsam]

Да, похоже, что об одном и том же. Кстати, подумал, что если намотку сделать в одну сторону, то, вращая щуп, можно уменьшить длину. А 40 нс это узкий спектр, там такое соединение вполне. За статью благодарность!

[@progchip666]

Сильно.
Там можно сделать и роботизированный измеритиель с «плавающими» щумами!

[@MgDuke]

iamsam Богатин и Ховард написали прекрасные книги. К сожалению, на русском я аналогов не встречал. Вы делаете хорошее дело.

[@walti]

Если не жалко потерять 6дБ, а цепь низкоомная, например питание, то есть еще щуп с достаточно простой конструкцией.
В наконечнике конденсатор и 50 Ом резистор, коаксиал 50 Ом, вход осцила — или в 50 Ом или через тройник на терминатор.
Частоты — не грандиозные, зато меньше всякой дряни ловит.