Как измерить пульсации блока питания осциллографом

Цифровые и аналоговые осцилографы практика измерений

Главная функция осциллографа — регистрация изменения исследуемого сигнала и выводить его на экран для просмотра и анализа.

При измерение осциллографом на экране, для удобства имеется координатная система. Обычная декартова система, на которой существует ось X и Y. По оси X окладывается время, а по оси Y осуществляется измерение напряжения.

Различные управляющие ручки и кнопки измерительного прибора предназначены для того, чтобы можно было легко настраивать отображение сигнала: масштаб по осям Х и Y, курсоры и триггеры. Управление процессом измерения позволяет как бы приблизить или отдалить исследуемый сигнал, чтобы рассмотреть его как можно тщательнее.

Для измерения различных электротехнических величин необходимо правильно подключать любой осциллограф к исследуемой цепи или схеме, это делается с помощью специального измерительного щупа, обычно состоящего из коаксильного провода, на одном конце которого имеется разъем для подключения к прибору, а на втором щуп и заземление для подсоединения к исследуемой схеме. Любой провод в роли щупа применять нельзя. Только специальные щупы, иначе вместо реальной картины дел увидишь только шумы.

Итак с помощью осциллографа можно измерить:

Осциллограф способен точно измерять как постоянное, так и переменное напряжение. У всех таких измерительных устройств имеются два режима: измерение только переменного напряжения и измерение постоянного и переменного одновременно.

Например, если ты выберешь измерение переменного напряжения и подсоединишь щуп к батарейке, то на дисплее ничего не изменится. А если выберешь другой режим, то линия на экране сместится приблизительно на 1.5 Вольта вверх (величина ЭДС обычной батарейки типа АА). Это необходимо для четкого разделения постоянной и переменной составляющей.

Допустим захотел ты измерить пульсации в источнике постоянного напряжения вольт на 30. Подключаешь к осциллографу, а луч сместился далеко вверх. Для того, чтобы можно было наблюдать сигнал необходимо настроить значение В/дел на клетку. Но тогда пульсаций уже не видно. Что делать? Переключаешь режим входа на измерение переменной составляющей и вращаешь регулятор В/Дел на масштаб поменьше. Постоянная составляющая сигнала не может пройти, поэтому на дисплее будут видны только только пульсации блока питания.

Амплитуду переменного напряжения легко померить зная цену деления В/дел и просто посчитать число клеток по оси У от нулевого значения (среднего), до максимума.

Измерение частоты с помощью осциллографа, а в случае необходимости можно даже сравнить частоты двух сигналов, с помощью фигур Лиссажу

С помощью двухканального осциллографа можно измерить и сдвиг фаз, например, после прохождения через конденсатор или индуктивность фаза тока и напряжения обычно расходятся

Измерение силы тока с помощью осциллографа

Для этого в схему нужно последовательно включить резистор, имеющий значительно более низкое сопротивление, чем сама цепь.

После этого измеряют напряжения по принципу, рассказанному выше. А уже зная номинальное сопротивление резистора и общее напряжение в цепи несложно найти и силу тока, если вы конечно дружите с законом Ома.

Они применяются при создании, ремонте, наладке различных электронных устройств: от мобильных телефонов, до электронных цепей автомобильных двигателей. От военных до гражданских. Они нужны абсолютно везде.

Использование этих приборов не ограничивается лишь миром электроники, как упоминалось выше. При применении дополнительных преобразователей осциллографы могут контролировать абсолютно любые природные явления.

Ведь как мы уже знаем из курса метрологии, преобразователь – это устройство, генерирующие различный сигналы электрической природы в ответ на физическое воздействие, например звук, ультразвук, давление, механический удар, тепло или свет . Например, хорошо знакомое всем устройство для записи — микрофон это типовой преобразователь звука в электрический сигнал. Автоэлектрики при обслуживании автомобилей применяют осциллографы для фиксации вибраций двигателей . В медтехнике измеряют волны, генерируемые человеческим моз гом, мышечные сокращения сердца и т.п. Возможности измерительного прибора под названием осциллограф бесконечны, как вселенная и параллельные миры.

Большинство современных цифровых осциллографов имеют различные дополнительные функции, с помощью них можно быстро измерить частоту, амплитуду и многие другие характеристики. Некоторые модели позволяют провести в реальном времени различные математические преобразования или, допустим, быстрое преобразование фурье. В целом, этот прибор позволяет наблюдать на дисплее временные и физические характеристики сигнала.

Временными характеристиками при измерении считаются: Частота, скважность, период и коэффициент заполнения, время нарастания и спада.

К Физическим характеристикам можно отнести: максимум и минимум сигнала, амплитуду, средне квадратичное, среднее значение и т.п

Ключевым свойством любой осциллографической системы является её возможность точно воспроизводить форму исследуемого импульса сигнала . Она определяется наиважнейшей характеристикой осциллографа, называемой целостность сигнала.

Все узлы и системы этого измерительного прибора, их свойства в зависимости от выбранных режимов работы, вносят свою лепту в способность отражать на дисплее наиболее точную информацию об исследуемом сигнале. Незабываем, что щупы также оказывают существенное воздействие на целостность в любой измерительной системе.

Понятие характеристики целостности нужно учитывать при проектировании различных электронных схем. Раньшьше это в принципе не касалось цифровых разработок на логических схемах, функционирующих по законам булевой алгебры.

Но во времена уже не столь удаленные трудно выделяемые сильно зашумлённые сигналы, стали характерной чертой для схем высокоскоростной обработки , что сразу же стало предметом серьезного беспокойства для разработчиков высокочастотной схемотехники.

Во времена чуть более удаленные, но не столь темные цифровые системы работали на низких тактовых частотах, поэтому форма сигналов была предсказуемой. К сегодняшним реалиям тактовая частота процессоров увеличилась на порядки.

Высокоскоростные устройства ввода-вывода, требуют наличия широкой полосы пропускания. Микропроцессорные схемы обрабатывают данные со скоростями 5-10 Гвыб\с (гига выборок за секунду), а современные на сегодня микросхемы памяти DDR3 работают на частотах более 2 ГГц, с временем нарастания фронта импульса 200 пс. Кроме того тенденция роста быстродействия затрагивает и ИМС общего назначения, используемые в бытовой и автомобильной электронике.

Даже 20 МГц микропроцессоры могут столкнуться с сигналами, которые можно правильно отследить процессорами от 800 МГц и более.

В погрешность измерения вносит коррективы факт рассогласования прибора с пробником, для устранения этого влияния современные осциллографы имеют специальную опцию компенсации влияния измерительной системы на выводимый на дисплей сигнал.

В то же время и компоненты сигнального тракта обладают паразитными свойствами . Слои заземления и питания обладают индуктивными свойствами из-за этого питающие развязки становятся менее эффективными. Электромагнитные помехи возрастают тем сильнее, чем ниже время нарастания.

Кроме того импульсы с малым временем нарастания требуют для своей генерации более высоких токовых уровней, что приводит к возникновению особых требований к заземлению многоразрядных шин, где может случаться параллельное переключение многих сигналов. Вдобавок более высокие токовые значения являются причиной роста электромагнитных помех, а вместе с ними и перекрёстных наводок.

Итак у современного осциллографа имеется множество характеристик, перечислим основные из них.

Еще десятилетие назад большинство российских радиолюбителей пользовались приборами, выпущенными еще в СССР. В свое время это были просто замечательные измерительные приборы со своими большими плюсами и небольшими минусами. Технологии ушли вперед и им на смену приходят более функциональные приборы с более продвинутыми характеристиками и свойствами, рассмотрим их более подробно

Осциллографом называют измерительный прибор, отображающий электрические сигналы в графической форме, т.е он выводит на свой экран диаграмму электрического сигнала. Диаграмма отражает все изменения электрического сигнала во временном интервале: вертикальная ось (Y) представляет собой значения уровня напряжения, а горизонтальная ось (X) – время . Яркость или интенсивность выведенной на экран картинки называют осью Z.

В осциллографах с цифровым люминофором ось Z представлена различными градациями светового диапазона. Простейшая диаграмма способна многое рассказать об измереном сигнале:

Осциллограф измеряет различные виды колебаний напряжения . Один период колебания представляет собой волну, которая полностью повторяется . Форма волны – есть ни что иное как, графическое отображение колебания. Форма изменения напряжения выражается в виде графика зависимости величины напряжения (по вертикальной рси) от времени (по горизонтальной оси).

Формы волны многое многое может поведать о сигнале . Каждый раз, наблюдая изменения по высоте сигнала, мы видим, что это изменилось значение уровня напряжения . Если мы наблюдаем плоскую горизонтальную линию, то можно сделать вывод, что за этот временной промежуток значение напряжения не изменилось . Прямые диагональные линии говорят о линейном изменении напряжения, т.е . периодический спад или нарастание указывают на резкие изменения. На рисунке ниже представлены наиболее распространенные формы сигналов.

Современный цифровой осциллограф отличается от своих аналоговых предшественников только тем, что представляет собой почти полноценный компьютер, который измеряет, преобразует, собирает, анализирует и манипулирует полученными значениями сигнала, поступающего на его входы.

Сегодня существует огромное количество разных осциллографов. Но принципы работы у них один — прибор осуществляет измерение напряжения сигнала и выводит его на дисплей. На картинке ниже представлена обычная панель управления. На которой много всяких кнопок, регуляторов, разъемов и дисплей. Два главных органа управления осциллографом называются «Развертка» или «Длительность», «В/дел».

Что такое «В/дел»? На вход осциллографа можно подавать напряжение разной амплитуды. Нужно подал синусоиду с амплитудой в 1 Вольт, а захотел 0.2В или 10В. Как видно на рисунке выше, экран измерительного устройства разделен на клеточки — по принципу декартовой системы координат. Так вот регулятор «В/дел» (Volts/ Div) позволяет изменять масштаб по оси Y? т.е менять размер одной клеточки в вольтах. Если выбрать 0.1 Вольт и подать синусоиду амплитудой в 0.2 Вольта, тогда вся синусоида займёт на дисплее четыре клетки.

А во время измерений в реальной схеме амплитуда может быть такой, что не помещается на дисплее. Вот тогда и нужно крутить ручку регулировки «В/дел», задавая требуемый масшатаб по оси ординат.

«Длительность«. Раньше все осциллографы были аналоговыми. В роли дисплея применялась электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). И в них, ручка «длительность» («разёртка») использовалась для того, чтобы задать скорость перемещения луча на экране слева на право. Когда луч перемещается слева на право, а входящий сигнал отклоняет его вниз или вверх. Поэтому мы и видишь на экране осциллографа красивую картинку, например синусоиды.

Если частота развертки будет близка с частотой исследуемой импульсной последовательности, то на дисплее мы сможем произвести измерение, т.к получим статичное изображение, а с разверткой будет казаться, что синусоида куда-то двигается.

Все остальные функции современного осциллографа уже являются приятным дополнением. Их наличие сильно упрощает исследование в электронике и схемотехнике.

Принцип работы цифровых осциллографов, в отличие от аналоговых, не повторяют получаемый сигнал сразу на дисплей, а в начале преобразует его в «цифровую» форму. Для этого входной сигнал замеряется некоторое число раз за секунду, далее после ряда преобразований цифровые данные воссоздают сигнал и отображает его на цисплее. Оцифровка измеряемого сигнала происходит в блоке аналогово-цифрового преобразования.

Процесс убийства вашего ПК дешёвыми блоками питания

Всем привет. Делюсь этой информацией для тех, кто не разбирается в радиоэлектронике, возможно данный материал поможет понять процесс "убийства" ваших комплектующих дешёвыми блоками питания.

Самый главный параметр компьютерного блока питания — не мощность, не просадка по 12В, как демонстрируют в своих видео на ютубе некоторые, не стандарты 80 плюс и т.д. Самый важный параметр — уровень пульсаций переменного тока на выходе БП.

Все современные блоки — импульсные, поэтому во все выходные линии постоянного напряжения эти пульсации и попадают. Соответственно, чем уровень пульсаций выше, тем быстрее выйдут из строя компоненты вашего ПК. И наоборот.

Теперь — суть темы. Как конкретно пульсации убивают железо. Смотрите рисунок.

Абсолютно во всех компонентах ПК есть керамические SMD конденсаторы. Они есть на мат. плате, в видеокарте, в SSD, в оперативке и даже внутри микросхем, чипов и контроллеров. У конденсаторов есть такой параметр, как ESR, говоря понятнее — это эквивалентное сопротивление диэлектрика конденсатора переменному току. Так вот, ESR у всех керамических конденсаторов — единицы Ом, а у электролитических или танталовых — десятые и сотые доли Ом.

Постоянный ток через конденсаторы не проходит, то есть для постоянного тока конденсатор имеет сопротивление сотни кОм или даже МОм. Однако, для переменного, импульсного тока — сопротивление диэлектрика конденсатора очень низкое. Поэтому, когда через конденсатор проходит переменный/импульсный ток, диэлектрик нагревается и постепенно, планомерно вырабатывает свой ресурс. Соответственно, чем некачественнее(дешевле) блок питания, чем выше уровень его пульсаций на выходе БП, тем быстрее керамические конденсаторы выработают свой ресурс.

Что происходит, когда керамический конденсатор вырабатывает ресурс. Обычно — случается просто его обрыв. В таком случае компонент компьютера просто перестаёт работать. Но иногда, особенно на видеокартах случается обратный процесс — диэлектрик конденсатора пробивается, замыкает. Результат — прогар видеокарты. Особенно это актуально для мощных карт с большим нагревом платы, 1070, 570 и выше. А так же актуально для дешевых карт(Palit, MSI и ноу-нейм с Алиэкспресс), где производители часто ставят некачественные конденсаторы. То есть керамические конденсаторы мало того, что подогреваются от GPU, питающими цепями, так ещё и сами по себе греются от проходящих через них пульсаций блока питания.

Как узнать уровень пульсаций.
Существует единственный способ — только с помощью осциллографа. Но, покупать прибор стоимостью во много тысяч только для проверки пульсаций вашего блока — не имеет смысла. Поэтому, если у вас есть любимые блогеры-ютуберы, давите им на мозги, чтобы они качество БП проверяли не мультиметром, по просадке 12В шины, а купили осциллограф и измеряли под нагрузкой именно уровень пульсаций того или иного блока

Как косвенно определить некачественный блок.
По цене и сроку гарантии. Если, к примеру какой-нибудь Cooler Master на 750Вт стоит 6к и имеет гарантию 5 лет, а на такую же мощность Aerocool или Cougar стоят 2.5к и гарантию год-два — выводы о качестве и уровне пульсаций можно сделать соответствующие. Так же, однозначно не стоит брать ноу-нейм или китайские, дешевые блоки с Алиэкспресса. Так же, категорически не рекомендуется покупать б/у блоки питания с рук, поскольку, даже самый качественный и надежный блок — рано или поздно теряет свои качества, повышая уровень пульсаций на выходе.

И вообще, рекомендуется придерживаться правила — собирая ПК или ферму, фирма и модель Блока Питания должны в вашей голове отложиться сильнее, нежели видеокарты, процессор и прочие комплектующие. Поскольку блок питания — это САМАЯ важная часть компьютера .

daledale

Местный житель

• 4 Июн 2018

• #2

Tort17

Свой человек

• 4 Июн 2018

• #3

Mark-msk

Бывалый

• 4 Июн 2018

• #4

NVA42

Друг форума

• 4 Июн 2018

• #5

Местный житель

• 4 Июн 2018

• #6

imenno

Великий мудрец

• 4 Июн 2018

• #7

Kit_r

Друг форума

• 4 Июн 2018

• #8

Свой человек

• 4 Июн 2018

• #9

1. Электролитические конденсаторы хорошо фильтруют только низкочастотные переменные составляющие. Например, работает импульсный блок питания на частоте условно 40кГц. Электролиты эти пульсации хорошо погасят. Однако, при прохождении переменного тока через выпрямительные диоды или ключевые транзисторы, появляются гармоники, первая, вторая, третья и т.д. Эти гармоники имеют частоту сотни кГц и даже единицы мегагерц. Эти частоты электролиты уже не сглаживают, потому что просто не успевают на таких частотах заряжаться, разряжаться.

2. Чтобы фильтровать высшие гармоники — и ставят керамические SMD конденсаторы на все компоненты компьютера. Если блок питания качественный, то у него уже внутри стоят хорошие керамические кондёры, поэтому и уровень пульсаций у них с самого начала низкий. В дешёвых блоках питания керамику на выход не ставят, потому и уровень пульсаций выше, который уже идёт на комплектующие компьютера, снижая их ресурс жизни.

Вот, не пожалейте времени, посмотрите это видео. Инженер проводит наглядную демонстрацию, как электролитические и керамические конденсаторы влияют на уровень и форму пульсаций. Жалко, что на английском, но интуитивно всё понятно. Очень интересное видео!

imenno

Великий мудрец

• 4 Июн 2018

• #10

Mark-msk

Бывалый

• 4 Июн 2018

• #11

imenno

Великий мудрец

• 4 Июн 2018

• #12

Местный житель

• 4 Июн 2018

• #13

fiatlux

Бывалый

• 4 Июн 2018

• #14

Свой человек

• 4 Июн 2018

• #15

Глупость. ESR — это не определённая величина сопротивления, а сопротивление току разной частоты. Для электролитов ESR на частоте 10кГц будет, к примеру 0.1Ом, но для керамики на этой же частоте ESR будет уже 100 Ом. С другой стороны, для электролитов на частоте 1МГц ESR будет 100Ом, а для керамики на той же частоте уже условно 0.1Ом.

Смотрите рисунок, чтобы было наглядно и понятно:

В процессе работы блока питания на его выходе появляется пульсация не только рабочей частоты, но и её гармоники(Fg), которые уходят до единиц мегагерц. Электролитический конденсатор может фильтровать только низшие гармоники, то есть гармоники низкой частоты. А керамический конденсатор может фильтровать высшие гармоники, то есть гармоники высокой частоты. Вот в дешёвых блоках питания керамики параллельно с электролитами нет, поэтому вся эта импульсная гадость — уходит на материнку, видеокарту, оперативку, винт и т.д. Таким образом, уровень пульсаций гасится не керамикой блока питания, а керамическими кондёрами комплектующих компьютера, что и приводит к снижению их срока службы.

p.s. Уровень гармоник на рисунке условный, просто для удобства понимания.

yuraspb

Свой человек

• 4 Июн 2018

• #16

Всем привет. Делюсь этой информацией для тех, кто не разбирается в радиоэлектронике, возможно данный материал поможет понять процесс "убийства" ваших комплектующих дешёвыми блоками питания.

Самый главный параметр компьютерного блока питания — не мощность, не просадка по 12В, как демонстрируют в своих видео на ютубе некоторые, не стандарты 80 плюс и т.д. Самый важный параметр — уровень пульсаций переменного тока на выходе БП.

Все современные блоки — импульсные, поэтому во все выходные линии постоянного напряжения эти пульсации и попадают. Соответственно, чем уровень пульсаций выше, тем быстрее выйдут из строя компоненты вашего ПК. И наоборот.

Теперь — суть темы. Как конкретно пульсации убивают железо. Смотрите рисунок.

Абсолютно во всех компонентах ПК есть керамические SMD конденсаторы. Они есть на мат. плате, в видеокарте, в SSD, в оперативке и даже внутри микросхем, чипов и контроллеров. У конденсаторов есть такой параметр, как ESR, говоря понятнее — это эквивалентное сопротивление диэлектрика конденсатора переменному току. Так вот, ESR у всех керамических конденсаторов — единицы Ом, а у электролитических или танталовых — десятые и сотые доли Ом.

Постоянный ток через конденсаторы не проходит, то есть для постоянного тока конденсатор имеет сопротивление сотни кОм или даже МОм. Однако, для переменного, импульсного тока — сопротивление диэлектрика конденсатора очень низкое. Поэтому, когда через конденсатор проходит переменный/импульсный ток, диэлектрик нагревается и постепенно, планомерно вырабатывает свой ресурс. Соответственно, чем некачественнее(дешевле) блок питания, чем выше уровень его пульсаций на выходе БП, тем быстрее керамические конденсаторы выработают свой ресурс.

Что происходит, когда керамический конденсатор вырабатывает ресурс. Обычно — случается просто его обрыв. В таком случае компонент компьютера просто перестаёт работать. Но иногда, особенно на видеокартах случается обратный процесс — диэлектрик конденсатора пробивается, замыкает. Результат — прогар видеокарты. Особенно это актуально для мощных карт с большим нагревом платы, 1070, 570 и выше. А так же актуально для дешевых карт(Palit, MSI и ноу-нейм с Алиэкспресс), где производители часто ставят некачественные конденсаторы. То есть керамические конденсаторы мало того, что подогреваются от GPU, питающими цепями, так ещё и сами по себе греются от проходящих через них пульсаций блока питания.

Как узнать уровень пульсаций.
Существует единственный способ — только с помощью осциллографа. Но, покупать прибор стоимостью во много тысяч только для проверки пульсаций вашего блока — не имеет смысла. Поэтому, если у вас есть любимые блогеры-ютуберы, давите им на мозги, чтобы они качество БП проверяли не мультиметром, по просадке 12В шины, а купили осциллограф и измеряли под нагрузкой именно уровень пульсаций того или иного блока

Как косвенно определить некачественный блок.
По цене и сроку гарантии. Если, к примеру какой-нибудь Cooler Master на 750Вт стоит 6к и имеет гарантию 5 лет, а на такую же мощность Aerocool или Cougar стоят 2.5к и гарантию год-два — выводы о качестве и уровне пульсаций можно сделать соответствующие. Так же, однозначно не стоит брать ноу-нейм или китайские, дешевые блоки с Алиэкспресса. Так же, категорически не рекомендуется покупать б/у блоки питания с рук, поскольку, даже самый качественный и надежный блок — рано или поздно теряет свои качества, повышая уровень пульсаций на выходе.

И вообще, рекомендуется придерживаться правила — собирая ПК или ферму, фирма и модель Блока Питания должны в вашей голове отложиться сильнее, нежели видеокарты, процессор и прочие комплектующие. Поскольку блок питания — это САМАЯ важная часть компьютера .

Измерение пульсаций источника питания

Технологии производства модулей питания развиваются с невероятной скоростью, что вызывает определённые сложности в выборе наиболее эффективного испочника питания, максимально отвечающим требованиям оборудования. Произодители тестирующего и измерительного оборудования должны предоставить решение для определения пульсации осциллографом.

1.Метод измерения
Много инженеров измеряют пульсацию сотнями милливольт используя цифровой осциллограф. Ошибочные значения в десятки раз выше указанных характеристик в описании – результат неправильного выбора метода измерения. Рассотрим правильные шаги тестирования используя SDS1000:

1.1 Активируйте функцию ограничения полосы пропускания и установите значение 20 МГц, или включите фильтр низкой частоты и настройте максимальное значение предела полосы пропускания. Данная операция необходима для предотвращения негативного воздействия высокочастотного шума на точность измерений.
1.2 Выберите режим входа AC: слишком сильный сигнал постоянного тока не будет захвачен SDS1000. (для детектирования пульсации используйте низковольтный диапазон)
1.3 Кабель заземления пробника должен быть как можно короче. К примеру: отсоедините кабель заземления пробника, подсоедините очень короткий провод заземления непосредственно к корпусу пробника, таким образом длина кабеля заземления не будет превышать 1 см. (исключение шумов других устройств позволит увидеть слабую пульсацию)

1.4 К цифровой осциллографу не должно быть подключено других пробников и кабелей, кроме пробника для измеления пульсации. Также не следует использовать другие методы заземления прибора для избежания шумов.

Сравнение влияния различных факторов при измерении пульсаций источника питания:

2.Требования для проведения измерений

Цифровой осциллограф
Наличие функции ограничения ширины полосы пропускания или цифрового фильтра частоты. Например: осциллограф серии SDS1000.

Пробники
В комплект поставки пробника Siglent входит короткий стальной кабель. Используйте его, или сделайте более короткое заземление самостоятельно; Отсоедините стандартный кабель заземления от пробника и замените коротким, из меди CAT5, алюминия или олова.

Установите коэффициент деления пробника 1X: снизьте искажения от высокочастотного шума используя пассивный пробник с коэффициентом 1X на 6МГц/10МГц. Использование коэффициента коррекции пробника 10X значительно ослабит пульсацию и затруднит детектирование.

3.Сравнение результатов измерения пульсации разными пробниками
Использования стандартного пробника:

Рис 3.1 Пульсация блока питания — 0,18В （чувствительность в 2 мВ/дел. SIGLENT автоматически ограничивает ширину полосы пропускания）.

Использование усовершенствованного короткого пробника:

Рис 3.2 Результат после укорачивания кабеля заземления.

Проведение осциллографических измерений с высокой точностью и воспроизводимостью

«Земляной» вывод пробника через корпус байонетного коаксиального разъема (BNC) соединяется с корпусом осциллографа. В свою очередь корпус, по правилам безопасности, присоединяется через заземляющий контакт сетевой вилки к проводнику защитного заземления питающей сети. Такое заземление осциллографа обычно создает проблемы, связанные со способом заземления исследуемого источника питания. Часто бывает так, что сигнал нужно измерять относительно определенной точки схемы, а не относительно «земли» (измерения с гальванической развязкой). У разработчиков источников питания имеется несколько приемов для решения таких проблем.

Чаще всего используется метод, при котором осуществляется развязка осциллографа: либо откусывается провод защитного заземления в сетевом шнуре, либо питание на осциллограф подается через разделительный трансформатор. Этот прием очень опасен, поскольку на корпусе осциллографа возможно присутствие высокого напряжения. Кроме того, результаты измерений, проведенных таким способом, могут оказаться ошибочными.

Второй прием, используемый для измерения источника питания с гальванической развязкой, — это вычитание результатов измерений, сделанных по каналам А и В с помощью несимметричных пробников напряжения. Сигналы от двух пробников подаются на входы двух каналов. Далее используются возможности осциллографа по математической обработке осциллограмм: выходные сигналы этих двух каналов электрически вычитаются, в результате получается осциллограмма разностного сигнала. Этот прием относительно безопасен, так как осциллограф остается заземленным.

Однако применимость этого метода ограничена измерениями в условиях, когда сигналы сравнительно невелики, поскольку коэффициент подавления синфазного сигнала при этом мал — не более 20 дБ (10:1). Это ограничение вызвано тем, что сигналы поступают через разные пробники на разные входы осциллографа, а коэффициенты передачи этих двух трактов не могут быть абсолютно одинаковыми.

Наилучшим решением выполнения измерений с гальванической развязкой является применение дифференциального пробника (или дифференциального усилителя) (рис. 2). Этот способ позволяет выполнять точные и безопасные измерения. Дифференциальные пробники обеспечивают высокий коэффициент подавления синфазного сигнала, обычно не менее 80 дБ, или 10 000:1, что позволяет измерять слабый разностный сигнал на фоне больших синфазных сигналов, обеспечивая приемлемую точность и высокую чувствительность. Таким образом, для проведения безопасных и точных измерений с гальванической развязкой наилучшим решением является использование дифференциального пробника, у которого динамический диапазон и полоса пропускания достаточны для работы с исследуемой схемой.

Рис. 2. Дифференциальный пробник

Измерение пульсаций и шумов

При выполнении измерения шумов с помощью осциллографа следует учитывать следующие моменты.

Во-первых, нужно минимизировать лишний шум, добавляемый пробником. На «земляной» провод длиной 15 см и наконечник-захват обычного пассивного пробника может быть наведен значительный уровень шумов, генерируемых исследуемым источником питания или какими-нибудь другими приборами (рис. 3). Кроме того, индуктивная нагрузка, создаваемая длинным «земляным» проводом, часто добавляет свой «звон» к измеряемому сигналу.

Рис. 3. а) Измерение шумов на выходе источника питания с использованием длинного «земляного» провода;
б) осциллограмма с дополнительными шумами, наведенными на «земляной» провод

Напротив, использование наконечника меньших размеров и более короткого «земляного» провода (например, подключение к специальному разъему на исследуемой плате через соответствующий адаптер с разъемом BNC) существенно снижает эти паразитные шумы за счет уменьшения размеров образуемой этими проводами петли, а кроме того, уменьшается индуктивность нагрузки (рис. 4).

Рис. 4. а) Использование наконечника меньших размеров и более короткого «земляного» провода;
б) осциллограмма, демонстрирующая существенное снижение шумов

Когда измеряется амплитуда пульсаций или шумы на выходе источника питания, может потребоваться установка максимальной (или близкой к ней) чувствительности по входу осциллографа. Для этого, во-первых, нужно попытаться использовать пробник 1:1 вместо стандартного пассивного пробника 10:1, поставляемого в комплекте с осциллографом. С пробником 10:1 не только отображаемый средний уровень шумов станет больше в десять раз, но и установленное на максимум значение чувствительности тоже станет в десять раз хуже, чем с пробником 1:1.

Кроме того, можно установить режим входа на связь по переменному току, чтобы убрать постоянную составляющую подаваемого на вход сигнала. Пульсации и шумы нормально работающего источника питания малы по сравнению с выходным напряжением. Но если выходное напряжение источника питания сопоставимо с уровнем шумов и лежит в диапазоне мВ, можно использовать вход со связью по постоянному току и настроить осциллограф так, чтобы видеть постоянную составляющую. Некоторые активные пробники, например Agilent InfiniiMax или 1156A, обеспечивают широкие пределы смещений для расширения динамического диапазона.

И последнее. Не надо забывать про встроенную функцию ограничения полосы пропускания. Почти все осциллографы снабжены схемой для ограничения полосы пропускания тракта вертикального отклонения. Эта функция позволяет избавиться от нежелательных высокочастотных шумов в наблюдаемых сигналах.

Как повысить разрешение осциллографа по вертикали?

Для некоторых задач необходимы измерения сигналов с большим динамическим диапазоном и в то же время требуется такое высокое разрешение, которое позволит оценить небольшие изменения какого-либо параметра. Например, нужно измерить высокое напряжение между стоком и истоком закрытого транзистора, работающего в ключевом режиме в импульсном источнике питания, и низкое напряжение в те моменты, когда транзистор открыт. Для таких измерений может потребоваться разрешение большее, чем 8 бит у обычных цифровых осциллографов (рис. 5). Вместо того чтобы прибегнуть к применению АЦП с более высоким разрешением, можно воспользоваться одним из встроенных режимов: «измерения с высоким разрешением» или «измерения с усреднением», которые позволяют проводить измерения с разрешением более 8 бит и пониженным уровнем шума.

Рис. 5. Осциллограмма напряжения сток–исток ключевого транзистора в импульсном источнике питания, полученная при работе осциллографа в обычном режиме

Обычный режим измерения с усреднением

Для получения разрешения по вертикали, превышающего 8 бит, в современных цифровых осциллографах используются два метода, опирающиеся на схожие математические теории. Первый метод — использование обычного режима измерения с усреднением (рис. 6). Для измерения с усреднением требуется, чтобы сигнал был периодическим. Алгоритм измерения с усреднением состоит в замене нескольких измеренных (в нескольких повторяющихся периодах) точек сигнала одной (средней) точкой, соответствующей определенному моменту времени. Полученные математическим процессом усреднения точки дают нам осциллограмму с более высоким, чем у исходного сигнала, вертикальным разрешением. Сколько точек нужно для усреднения, чтобы получить один дополнительный бит вертикального разрешения? Один дополнительный бит получается усреднением по каждой четверке выборок сигнала. Таким образом, имеем:

где N — количество выборок, по которым проводится усреднение.

Например, усреднение по N = 16 выборкам дает улучшение на 2 бита: количество добавочных битов = 0,5 log₂16 = 2. Следовательно, эффективное вертикальное разрешение составит 8+2 = 10 бит.

Максимум разрешения по вертикали для этого алгоритма составляет не более 12 бит, поскольку далее начинают влиять другие факторы, в частности, погрешность вертикального усиления или смещения. Преимущество режима усреднения в том, что он не ограничивает полосу пропускания реального времени осциллографа. К недостаткам относится то, что сигнал должен быть периодическим, и то, что снижается скорость обновления сигналов на экране из-за дополнительной нагрузки на центральный процессор осциллографа.

Рис. 6. Осциллограмма напряжения сток–исток, полученная при работе осциллографа в обычном режиме измерения с усреднением

Режим измерения с высоким разрешением

Для второго метода усреднения, применяемого в цифровом осциллографе, не требуется периодического сигнала. Этот метод называется режимом измерения с высоким разрешением (рис. 7). Современные осциллографы, например Agilent InfiniiVision серий 5000, 6000 и 7000, обеспечивают 8-битовое вертикальное разрешение в обычном режиме (как и большинство других цифровых осциллографов). Режим измерения с высоким разрешением повышает вертикальное разрешение осциллографа до 12 бит в реальном масштабе времени и снижает уровень шумов.

Рис. 7. Осциллограмма напряжения сток–исток, полученная при работе осциллографа в режиме с высоким разрешением

Как сказано выше, метод измерения с усреднением состоит в замене нескольких измеренных (в нескольких периодах) точек сигнала одной (средней) точкой, соответствующей определенному моменту времени. В отличие от этого в режиме измерения с высоким разрешением усредняются значения сигнала нескольких последовательных выборок. В режиме измерения с высоким разрешением нельзя прямо задать количество точек, по которым ведется усреднение, как в режиме измерения с усреднением. Вместо этого количество дополнительных битов вертикального разрешения зависит от установленного значения скорости развертки.

При работе с малыми скоростями развертки в осциллографе осуществляется фильтрация последовательных выборок сигнала, результаты которой отображаются на экране. Увеличение глубины памяти для отображаемых данных увеличивает и количество точек, по которым ведется усреднение. Режим измерения с высоким разрешением неэффективен при высокой скорости развертки, когда на одну отображаемую точку приходится мало выборок. Этот метод дает значительный эффект при медленных развертках, когда одна точка осциллограммы формируется из многих выборок.

Компенсация сдвига фаз пробников напряжения и тока

Для точных измерений мощности требуется устранение погрешностей, обусловленных, во-первых, длиной кабелей пробников, во-вторых — электрической длиной участка цепи между точками, в которых измеряются ток и напряжение (если пробники тока и напряжения нельзя поместить в одну точку). Разница электрических длин трактов прохождения сигналов приводит к разным задержкам сигналов, приходящих от двух разных точек электрической цепи.

Чем длиннее кабель пробника, тем больше задержка между сигналом, измеряемым пробником, и сигналом на входе осциллографа. Для пробников, кабели которых имеют разную длину, и задержки получаются разные, а это требует проведения предварительной калибровки, чтобы получить правильный результат измерения. После компенсации сдвига фаз между сигналами двух пробников, учитывающей разницу временных задержек, сигналы от этих пробников приходят на осциллограф одновременно.

Другой фактор, который необходимо принимать во внимание, — это электрическая длина участка цепи между точками подключения пробников тока и напряжения. Например, задержка для печатного проводника на стеклотекстолите FR-4 составляет 381 пс/см, а для медного провода — 216 пс/см.

Погрешности из-за сдвига фаз имеют значительное влияние на измерения в источниках питания, особенно если исследуемые сигналы имеют крутые фронты. Сдвиг фаз может привести к тому, что измеренное значение получится очень низким, давая ложное ощущение достоверности, или очень высоким, предполагая проблему там, где ее нет. Компенсация сдвига фаз пробников перед измерениями в источниках питания является залогом наибольшей точности измерений (рис. 8).

Рис. 8. Примеры компенсации сдвига фаз пробников перед измерениями в источниках питания:

а) сдвиг фаз — измеренное значение слишком низкое;

б) сдвиг фаз — измеренное значение слишком высокое;

в) сдвиг фаз устранен — точный результат

Для наилучшей компенсации сдвига фаз нужно выбирать такие контрольные точки, чтобы пробники напряжения и тока можно было разместить как можно ближе друг к другу. В этом случае развертка напряжения и тока на осциллографе будет точно соответствовать фазе напряжения и тока в исследуемой схеме. В ассортименте компании Agilent имеется приспособление для компенсации сдвига фаз U1880A, которое генерирует специальный тестовый сигнал (рис. 9). По этому сигналу определяются значения компенсации для контрольных точек исследуемой схемы.

Рис. 9. Приспособление для компенсации сдвига фаз U1880A, которое генерирует специальный тестовый сигнал

В дополнение к вышесказанному важно знать, сигнал какого пробника опережающий, а какого — задержанный. Опережающий сигнал должен быть использован в качестве опорного сигнала, а также в качестве сигнала запуска для осциллографа. Задержка между опережающим и задержанным сигналами от пробников должна вычитаться из задержанного сигнала. Значение сдвига можно затем вручную выставить на осциллографе. А можно воспользоваться какими-либо приложениями, предназначенными для измерений параметров источников питания с использованием осциллографа. Например, приложения Agilent U1881A и U1882A, предназначенные для осциллографов Agilent InfiniiVision или Infiniium, автоматизируют процесс компенсации сдвига фаз, и это позволяет устранять погрешность отсчета и дает уверенность в наибольшей точности измерений.