Как получить правильную осциллограмму
Наверно, все умеют пользоваться осциллографом. Это очень легко – цепляешь «крокодил» к земле, остриё щупа – в необходимую точку измерения, регулируешь масштаб по вертикальной и горизонтальной осям и получаешь временную развёртку напряжения в этой точке. Да, так можно делать, но только если учитывать ряд факторов, о которых пойдёт речь в этой статье. А если не учитывать, то есть вероятность, что полученное на экране осциллографа изображение – бесполезная картинка. И чем меньше его стоимость, тем это более вероятно. Это же касается и проектирования плат и выбора кабеля для активного пробника и вообще выбора кабеля для передачи данных на большой частоте и на большие расстояния.
Забавно, но иногда вещи кажущиеся очевидными, на самом деле намного сложнее. Так например в тупик может поставить вопрос: «А с какой скоростью распространяется сигнал в медном кабеле?». Ведь очевидный ответ для человека, знакомого с физикой это «со скоростью света», ведь скорость распространения электрического поля, которое не требует наличия частиц-переносчиков энергии, не должна зависеть от среды. Со звуком все понятно, там частицы среды передают энергию друг другу, а в вакууме как известно звука вообще нет, тк нет переносчиков. Если углубиться, то вступает в дело принцип суперпозиции полей, из-за этого влияние диэлектрической и магнитной проницаемости среды снижает скорость распространения поля. Собственно почему так происходит? Поле-то распространяется быстро, но как только фронт волны проходит в среду, там происходят процессы, в результате которых создаются свои поля, как в материалах проводимости, так и в диэлектриках, которые меняют значение напряженности поля на фронте, это влияние «емкости» и «индуктивности», а также диполи и вихревые токи изолятора оказывают свое влияние. Сам процесс распространения в вакууме описывается в телеграфных уравнениях, а про ограничение скорости за счет материала изолятора можете посмотреть измышления например здесь https://physics.stackexchange.com/questions/47617/how-can-i-calculate-the-wave-propagation-speed-in-a-copper-wire).
Телегра́фные уравне́ния — пара линейных дифференциальных уравнений, описывающих распределение напряжения и тока по времени и расстоянию в линиях электрической связи. Уравнения были составлены Оливером Хевисайдом, разработавшим в 1880-х годах модель линии электрической связи.
Так для коаксиального медного кабеля получается, что скорость распространения волны вдоль провода ВОВСЕ НЕ СКОРОСТЬ СВЕТА, а равна в первом приближении скорости света, деленной на корень из L*C но вообще это про групповую скорость распространения, а так есть еще другое понятие, не связанное с проводимостью, называемое часто как коэффициент укорочения (см. coaxial velocity factor например для RG-58 равен 0,66), по факту часто приводится цифра равная около 2/3 скорости света. Это значит, каждые 20 см кабеля дадут 1 нс задержки. Так постепенно мы приходим к понятию волнового сопротивления и нелинейности характеристики проводимости измерительной системы, которое так или иначе говорит нам о том, что это нужно обязательно учесть, например как минимум выбирая частотный диапазон.
Второй фактор, это требование к равномерности импеданса. Электрический сигнал в виде электромагнитной волны распространяется по медной паре до тех пор, пока не будет обнаружена неравномерность импеданса. Такая неравномерность возникает в местах скрутки жил, их повреждения, попадания воды и др. Изменение характеристик проводника приводит к тому, что часть или вся энергия волны отражается обратно к источнику сигнала, а может и обратно. Оставшаяся энергия продолжает перемещаться в первоначальном направлении.
Ну что же - основа щупа это кабель, что про него можно почитать?
50-омный кабель и бесконечно длинная линия?
Наверняка многие слышали про про волновое сопротивление коаксиального кабеля 50Ω. Коаксиальный кабель – это два провода центральный провод которого обычно тонкий, помещенный в центр изолятора, а роль второго проводника служит оплетка, которая также покрыта снаружи изоляцией. Такой провод удачно подходит для передачи слабых сигналов.
Забавно конечно, но некоторые измеряют сопротивление изоляции и проводимость этого кабеля мультиметром и очень удивляются, когда видят совершенно другие цифры. Как могут два достаточно массивных изолированных проводника иметь сопротивление друг с другом или по отдельности 50 Ω? Только это когда речь идет про объекты с сосредоточенными параметрами, а тут другое - то, что не понимают, объясняется просто - это как кабель реагирует на импульсы или переменное поле высокой частоты, но как? Эти эффекты линий связи не проявляются при работе с постоянным током или на сетевой частоте 50 Гц, а вот в высокочастотных схемах эти эффекты весьма значительны.
Представьте себе кабель в виде бесконечно длинной линии с распределенными параметрами. Посмотрите на этой «карусели» (прокрутите картинки) чтобы понять природу появления этих явлений.
Для коаксиального провода формула расчёта волнового сопротивления рассчитывается так:
Если изоляционный материал – не вакуум, скорость распространения будет падать еще, уменьшая значение от скорости света. Отношение реальной скорости к скорости света называется коэффициентом укорочения. Коэффициент укорочения зависит только от свойств изолятора, и рассчитывается по следующей формуле:
Волновое сопротивление известно также как характеристическое сопротивление. Из формулы видно, что волновое сопротивление увеличивается по мере увеличения расстояния между проводниками. Если проводники отдалить друг от друга, становится меньше их ёмкость, и увеличивается распределённая индуктивность (меньше эффект нейтрализации двух противоположных токов). Меньше ёмкость, больше индуктивность => меньше ток => больше сопротивление. И наоборот, сближение проводов приводит к большей ёмкости, меньшей индуктивности => больше ток => меньше волновое сопротивление.
Исключая эффекты утечки тока через диэлектрик, волновое сопротивление подчиняется следующей формуле:
Переход от бесконечно длинной линии передачи к конечной длине, а так же эффект длинных линий
Линии бесконечной длины это абстракция, в реальности все линии конечны, и влияние длины (тот самый пресловутый «эффект длинной линии») может проявить себя при высоких частотах даже на вполне коротких по меркам например роста человека линиях. Что же это такое?
Если к бесконечной линии приложить напряжение, потечёт ток, который равен отношению напряжения к волновому сопротивлению, при этом не важно что на конце линии, тк события происходят как бы «в прямом эфире», фронт волны исходит из ситуации, пока есть распределенная емкость, он ее заряжает, не зная когда все закончится. Это всего лишь закон Ома. Но он будет действовать не бесконечно в случае линии с ограниченной длиной, а ограниченное время, пока не окончится переходный процесс, пока фронт не достигнет конца линии. То есть если в конце линии будет обрыв (а забегая вперед подобным же эффектом обладает и короткое замыкание), то в этой точке ток будет остановлен. И это резкое прекращение тока повлияет на всю линию. По аналогии можно представить поезд, который имеет слабину в сцепных устройствах. Если резко остановить первый вагон, поезд остановится не весь сразу: сначала первый, потом второй вагон, более того вагоны могут «сгорбиться», (собраться «в горку»), а затем потащить состав своим весом назад, и т.д., аналогично в точке обрыва происходит прекращение тока, что для индуктивности как мы помним является причиной возникновения ЭДС самоиндукции (она направлена вперед по отношению к первоначальному направлению распространения волны), если учесть что энергии рассеяться некуда (на линии обрыв), то она заряжает распределённую емкость в конце линии (условно до двойного значения), что формирует обратную волну, тк ЭДС в точке будет выше, чем напряжение с источника, переходный процесс не окончится и она [волна, фронт волны] возвращается обратно в виде волны и напряжением добавляемым к приложенному. Наличие на конце линии сопротивления, не меняющего ток, приведет к установлению статичного напряжения и окончанию переходного процесса. При КЗ в конце линии волна тоже меняет значения, только уже вычитая напряжение из приложенного источником. На стороне источника если последовательно не включено напряжение, возникнет эффект аналогичный и волна снова «отразится». Здесь нельзя говорить в чистом виде про отражение волны именно электромагнитной, как происходит в вакууме, процессы скорее вызваны эффектами емкостей и индуктивностей участков цепи.
Вот если у кого-то остался доступ к Ютубе ссылка: https://www.youtube.com/watch?v=ozeYaikI11g, которая показывает наглядно процесс.
Сигнал, распространяющийся от источника, называют падающей волной. Распространение сигнала от нагрузки обратно к источнику называют отражённой волной.
Высокоскоростные приборы способны измерить это время между посылкой сигнала и приходом отражения для определения длины кабеля. Этот метод может быть применён также для определения обрыва одного или обоих проводов кабеля. Такие приборы называются рефлектометры для кабельных линий. Основной принцип тот же, что и у ультразвуковых гидролокаторов: генерация импульса и замер времени до эха.
Если длина цепи намного меньше длины волны, то изменения напряжения в любой точке и в конце цепи происходят одновременно с изменением мгновенного значения напряжения источника. Это означает что переходный процесс закончится до изменения значения, выдаваемого источником и влияние отраженных волн не окажет значительного воздействия на измеряемый сигнал.
Если длина цепи соизмерима или значительно превышает длину волны, то напряжение (ток) является функцией времени и расстояния от начала цепи. Это означает что переходный процесс не закончится до изменения значения, выдаваемого источником.
Измерения на длинных линиях
Когда установка готова, можно начинать настоящие измерения. Что произойдет, если подать в 80-метровый кабель меандр частотой 100 кГц? Ответ: зависит от того, насколько хорошо вы согласовали линию.
Верхний ряд: нетерминированная линия, слева — вход, справа — выход. Нижний ряд: терминированная линия, слева — вход, справа — выход
Что здесь происходит? Нетерминированный кабель дает кучу мусора, как на выходе, так и на входе. Когда же к кабелю подключено сопротивление 100 Ом, все выглядит хорошо. Ответ кроется в свойствах длинной линии: в точке измерения можно наблюдать неоконченный переходный процесс, напряжение в точке в каждый момент времени может формировать как падающая, так и многократно отраженная волна, пока все переходные процессы не завершатся, сигнал не стабилизируется.
Так мы познакомились с длинными линиями, что является основой для понимания процессов, которые происходят в кабеле и щупе-пробнике при измерении высокочастотного сигнала, теперь перейдем непосредственно к щупам и осциллографу.
Начнём с формулировки идеального конечного результата: пронаблюдать на экране осциллографа временную развёртку напряжения в определённой точке сигнальной линии в заданный момент времени без внесения искажений. Пускай имеется идеальный быстродействующий осциллограф с бесконечной полосой пропускания, обеспечивающий аналого-цифровое преобразование с требуемым уровнем разрешения. Тогда для решения задачи потребуется передача сигнала от точки на печатной плате до коаксиального входа осциллографа, удовлетворяющая следующим условиям:
- Обеспечивается стабильный механический контакт с нулевым контактным сопротивлением в точках контакта. Их две, обе равнозначные: одна обеспечивает путь для прямого тока, другая – для возвратного.
- Сформированная сигнальная линия не должна нагружать измеряемую сигнальную цепь, то есть должна иметь бесконечный импеданс (здесь речь не только об активом сопротивлении, но и о емкостном).
- Сформированная сигнальная линия не должна вносить искажений в измеряемый сигнал, то есть должна иметь плоскую передаточную функцию в бесконечной полосе частот и линейную фазовую характеристику (искажения во всей полосе пропускания не должны возникать ни по амплитуде, ни по фазе, то есть не вызывать отставания).
- Сформированная сигнальная линия не должна вносить собственных помех в измеряемый сигнал, а также должна быть идеально защищена от внешних помех.
Конечно, в общем случаев эти условия не реализуемы, однако формулировка идеального конечного результата полезна при анализе задачи. Она, в частности, даёт понимание того, что реальная измерительная система имеет ограничения, сужающие область достоверных измерений.
На рисунке ниже изображена эквивалентная схема измерительной цепи с использованием наиболее распространённого типа щупа «1X/10X», который в большинстве случаев входит с стандартный комплект осциллографа.
Тут стоит заметить, что осциллографы могут иметь возможность переключить входа на 50 Ом (если нет, то для этого есть специальные аттеньюаторы, но при этом следует иметь ввиду падение в два раза амплитуды сигнала на получившемся делителе), это обычно нужно для согласования лини на 50 Ом волнового сопротивления, но здесь самая распространенная конструкция.
Сопротивление щупа в положении «10X» по постоянному току составляет около 9 МОм – это последовательно включённый резистор, который образует с входным сопротивлением осциллографа 1 МОм делитель напряжения 1:10. Отсюда и название щупа «10X», который в этом режиме уменьшает измеряемый сигнал в 10 раз (а наводки и привнесённые системой шумы шумы — нет). В положении переключателя «1X» этот резистор закорачивается и сопротивление щупа – это сопротивление коаксиального кабеля щупа. Рекомендую измерить это сопротивление – от кончика щупа до центрального контакта BNC-разъёма – и убедиться, что оно не «нулевое», как у обычного 50-омного коаксиального кабеля, а составляет несколько сотен Ом. Если разрезать кабель, то можно увидеть тонкий нихромовый проводник, который как-то странно скручен волной (для улучшения гибкости), окружённый вспененным изолирующим материалом с низкой диэлектрической проницаемостью εr ~ 1. Это линия с потерями, т.е. кабель спроектирован таким образом, чтобы ослабить высокочастотные отражения, возникающие в связи с несогласованностью измерительной сигнальной линии. То есть если кто-то попытается собрать свой щуп из RG-58, то он скорее всего словит отраженную волну. Подстроечный конденсатор CEQ1 предназначен для компенсации в режиме «10X» полюса фильтра нижних частот с частотой среза порядка всего 1,5 кГц! Теперь должно быть понятно, почему эта компенсация необходима. Подстроечный конденсатор иногда располагается не в рукояти щупа, а на дальнем конце, у соединительного разъёма – тогда CEQ1 фиксированного номинала ~15 пФ, а подстройка осуществляется конденсатором CEQ2. Индуктивность LP – это индуктивность петли возвратного тока. Именно по этим параметрам обычно и подбирается щуп.
Стоит обратить внимание вот на что:
1. Полоса пропускания щупа в режиме «1X» более чем на порядок меньше, чем в режиме «10X» и составляет порядка 6…8 МГц. Это соответствует минимальной измеримой длительности фронта сигнала tR = 0,35 / BWPROBE ~ 45…55 нс. 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.
2. Увеличение индуктивности петли возвратного тока снижает полосу пропускания. Именно поэтому при измерении высокочастотных сигналов для обеспечения возвратного тока рекомендуется использовать не «крокодил» с индуктивностью ~200 нГн, а специальную насадку на щуп, на порядок снижающую значение индуктивности (рис. 8).
3. Влияние подстроечного конденсатора в режиме «10X» на передаточную функцию нарастает, начиная с частот 200…300 Гц, до максимума на частотах в 2…3 кГц. Именно поэтому в качестве калибровочного сигнала на осциллографах обычно используется сигнал с тактовой частотой 1 кГц, фронты которого искажаются при подстройке (рис. 9). Полезная привычка – выполнять подстройку как при смене щупа или канала осциллографа, так и периодически перед проведением измерений.
Тонкости измерений
Есть множество способов измерить что угодно, кроме нужного сигнала. Вот список соображений, которые нужно держать в голове для любых ВЧ-измерений:
- Практически для всех сигналов подходит пробник 10x, подключенный ко входу 1 MΩ. На некоторых пробниках есть переключатель 1x/10x, стоит проверить его положение: на 1x полоса составит только 5 МГц из-за отсутствия емкостной компенсации.
- Пробник нужно настраивать: емкостная компенсация зависит от конкретного осциллографа.
- Для ВЧ-сигналов пробник не высокоимпедансный, он оказывает значимое влияние. На частоте 350 МГц типичный пробник имеет импеданс около 30 Ом, а вовсе не 10 MΩ. Емкость пробника в режиме 10x около 5...15 пФ, и она может целиком нарушить работу высокочастотного аналогового устройства. Существуют схемы, в которых важны доли пикофарад. Например, попытка поставить щуп на выход ОУ с полосой 500 МГц почти наверняка приведёт к генерации (самовозбуждению).
- Используйте пружинку (см. заглавное фото) или аналогичный метод, чтобы обеспечить низкоиндуктивное соединение земли пробника и земли устройства. Провод от щупа с крокодилом на конце – только для низких частот, на ВЧ его индуктивность (100-300 нГн) приведёт к “звону”. Эффект проявляется уже на 5-10 МГц, или при времени нарастания менее 35..70 нс.
- Подключайте пробник непосредственно к той точке, которую хотите измерить. В упаковке с щупом есть наконечник с крючком, но он для небольших частот, как и крокодил (снова мешает индуктивность). Максимально укорачивайте провода, которые зажимаете в нём. Острые фронты всё равно будет звенеть, и это можно исправить только прямым касанием кончика щупа тестовой точки и подключением земли с помощью пружинки.
Помимо электрических характеристик щупа и входной цепи осциллографа в модель как параметры входят следующие величины: напряжение источника сигнала – его спектр, выходное сопротивление источника RS, импеданс сигнальной линии Z0, импеданс нагрузки ZLOAD – именно импеданс, с учётом емкостной составляющей. Эти и другие параметры представлены в таблице 1, именно они определяют достоверность результатов измерения. Основной критерий заключается в том, чтобы исследуемая часть спектральной полосы сигнала входила в полосу пропускания системы «щуп + осциллограф», при этом амплитуда сигнала не превышала допустимых значений (это особенно важно в случае, когда входное сопротивление осциллографа составляет 50 Ом). Остальное: захват сигнала и измерение его параметров – дело техники.
Последний момент, на котором хочется остановиться – это полоса пропускания системы «щуп + осциллограф». Тут стоит избегать заблуждения, заключающегося в том, что если взять осциллограф и щуп с полосой пропускания 150 МГц, то полоса пропускания измерительной системы будет 150 МГц (это так только при наличии программной компенсации). Кроме того, тот факт, что на щупе «написано» 150 МГц, не всегда означает, что это реальные 150 МГц. Поэтому рекомендую с помощью генератора синусоидального сигнала (а лучше прямоугольного) экспериментально исследовать полосу пропускания, можете сильно удивиться когда простенький Rigol 1054 на 50 МГц обскачет модель с заявленной «соточкой». Частота, на которой амплитуда сигнала уменьшиться до 0,707 от значения на низких частотах, это и будет нужное значение. При этом стоит обратить внимание на то, есть ли локальные максимумы в передаточной функции. Приведу в пример тест с помощью генератора Г4-107 для нескольких измерительных систем, при этом использовалось соединение с помощью «пружинки» (рис. 10). Перед каждым измерением выполнялась компенсация, при этом всегда приходилось делать подстройку, хоть и небольшую. Также проводились измерения без щупа с помощью короткого 50-омного коаксиального BNC-кабеля. Результаты представлены в таблице 2. Удивил щуп PP510 с заявленной полосой в 100 МГц.
В общем, если подводить итог, то хочется сказать, что следует внимательно относиться к измерениям с помощью осциллографа, и в качестве опоры использовать корреляцию между ожидаемыми и полученными результатами. Что касается области более высоких частот, то для измерения сигналов, полоса пропускания которых превышает 500 МГц, пассивные щупы типа «1X/10X» не применимы. Для этого используют прямое коаксиальное соединение при 50-омном входе осциллографа или активные щупы, ещё больше минимизируют индуктивность соединения (в т. ч. за счёт использование паяных соединений, размещения на плате миниатюрных коаксиальных разъёмов и т.п.). Тема очень широкая – есть изолированные осциллографы, изолированные щупы, дифференциальные и специализированные щупы, но всё это уже отдельный разговор, выходящий за рамки данной статьи.
Пассивные пробники и 50 Ω
Пассивные пробники в 50 Ω трактах - скользкая тема. Большинство ВЧ-устройств, особенно в радиотехнике, рассчитано на работу с нагрузкой либо 100 Ω (50 Ω последовательной терминации и 50 Ω нагрузки), либо 50 Ω (некоторые усилители работают без последовательной терминации, чтобы не терять мощность впустую).
Никогда не включайте мощный RF-источник без нагрузки! Он мгновенно сгорит: открытый выход отражает практически всю мощность. Понадобится специальный нагрузочный резистор (для RF они особые) и, возможно, мощный аттенюатор.
Единственный способ правильно измерить выходное напряжение 50 Ω каскада – подключить его 50 Ω кабелем к 50 Ω входу осциллографа. Увы, у недорогих приборов такого входа нет, поэтому рассмотрим применение пассивных пробников. Также есть вариант измерения с использованием проходного терминатора, но о нём в другой раз.
Напрямую к выходу источника (усилителю или буферу) щуп подключать нельзя: из-за емкостной нагрузки усилители становятся нестабильными, выдают звенящие фронты и самовозбуждаются. Через резистор 50 Ω (последовательная терминация) - можно, но нагрузка усилителя будет сильно отличаться от штатной: на низкой частоте - 10 МΩ, на высокой - до 80 Ω. Это плохо, потому что свойства схем зависят от выходной нагрузки.
Чтобы максимально приблизиться к условиям 50 Ω тракта, нужна и последовательная (50 Ω между источником и выходом), и параллельная терминация (50 Ω нагрузки от выхода к земле). Теперь суммарный импеданс в зависимости от частоты будет меняться не так сильно - от 100 до 80 Ω (щуп подключен к резистору нагрузки). Not great, not terrible.
Очень маленькие сигналы
Существует единственный случай, когда использование пробника в режиме 1x оправдано: измерение чрезвычайно малых сигналов с полосой менее 5 МГц. В таком случае пробник в режиме 1x, подключенный к 1MΩ входу осциллографа позволит выиграть 20 дБ амплитуды сигнала. Можно также включить программный фильтр 20 МГц, чтобы еще сильнее подавить высокочастотные шумы.
Согласование импедансов: как сломать и как починить
Накинув щупы осциллографа на навесные провода, они обнаруживают, что сигнал, который задумывался, как голубая линия на заглавной картинке на деле выглядит, как жёлтая. В поисках решения проблемы они приходят к весьма многогранной области знаний под названием «Целостность сигналов». И если такие её аспекты, как питание и возвратные токи относительно просты для понимания, то согласование импедансов содержит ряд контринтуитивных положений.
Итак, зададим на выходе генератора прямоугольные импульсы амплитудой 3,3В LVTTL, частотой 1МГц и заполнением 50/50. И соединим 20-сантиметровым кабелем импедансом 50 Ом этот выход с осциллографом. А входной импеданс осциллографа выберем равным 1МОм, хотя он по умолчанию и так устанавливается осциллографом на эту величину.
Покрутите картинки выше, заметили, что амплитуда и число всплесков при входе 1МОм для всех трёх кабелей одинакова? Помешают ли данные всплески передаче данных? Для стандарта LVTTL входное напряжение логической единицы начинается от 2,0 вольт и выше. А входное напряжение логического нуля — от 0,8 вольт и ниже. Если учесть гистерезис триггера Шмитта, то нет, но все на грани.
В порядке эксперимента увеличим выходной ток до 32мА. Тогда для двухметрового кабеля осциллограмма будет следующей:
В теории, благодаря триггерам Шмитта, просадки и всплески такой амплитуды также не способны нарушить передачу данных при отсутствие иных проблем. Впрочем, это лишь в теории. Иногда цифровая микросхема способна войти в нештатное состояние даже при слишком длительном фронте входного сигнала. Что уж говорить о пересечении явно указанных пороговых уровней! Отдельно стоит сказать, что всплески (овершоты и андершуты) подобной амплитуды могут попросту вывести из строя приёмник.
Вернём входу 1 МОм и попробуем сделать ширину импульсов минимально возможной, скажем, 5нс.
Тут видно, как короткий импульс уходит в линию, фиксируется осциллографом, отражается от его входа, доходит до выхода источника-генератора, частично отражается от него и снова устремляется к осциллографу. Причём отражаясь от выхода генератора, амплитуда импульса меняет знак.
Из приведённой осциллограммы также можно понять, как образуется форма импульсов большой длительности. Сначала на приёмнике появляется первая ступенька, затем она начинает суммироваться со своим отражением (так как отражение имеет отрицательную амплитуду, оно вычитается). Затем, не прекращая суммироваться со своим первым отражением (столь же длительным, как сама ступенька), она начинает суммировать с отражением отражения и т.д.
Можем ли мы сильнее ограничить выходной ток? Да, поставив сразу после выхода генератора резистор. Скажем, 100 Ом.
Амплитуда упала, но число отражений выросло! Посмотрим, как будут выглядеть более длительные прямоугольные импульсы при таком выходе.
Тут, очевидно, суммируются длинные ступеньки одного знака, но исходная, первая ступенька намного меньше, чем в случае пары 16-миллиамперных выходов. На осциллограмме видно, что пороговое значение логической единицы будет пересечено лишь при появлении на входе осциллографа первого отражения. С логическим нулём — ситуация аналогичная. Однако, фронты каждой ступеньки имеют ровно такую же длительность, что и фронты всплесков в случае сдвоенного выхода.
Что если мы возьмём одиночный выход, установим его в 16мА и поставим сразу после него резистор, а его номинал подберём таким, чтобы после первого фронта не было ни ступенек, ни всплесков? Тогда мы сделаем то, что называется согласованием выходного импеданса с импедансом линии! То есть сигнал уйдёт в линию, отразится от входа осциллографа (если, конечно, он установлен в 1МОм), вернётся к выходу генератора и полностью поглотится им. Дальнейших отражений не будет! Данный номинал, в принципе, можно вычислить, но пока обойдёмся без формул. Просто установим резистор на 27 Ом и посмотрим на осциллограмму.
Отражений больше нет, причём амплитуда соответствует номинальной для LVTTL.
Попробуем теперь пропустить короткий импульс 16-миллиамперного выхода через 2 метра витой пары. Напомню, её волновое сопротивление — 100 Ом, но выставим вход осциллографа 1 МОм и попробуем согласовать линию на стороне микросхемы, поставив сразу после выхода 77 Ом.
Отражения сведены к минимуму. Попробуем кратко разобраться, почему так происходит.
Если на конце линии передачи сопротивление между жилой и экраном не равно волновому, то от этого конца произойдёт отражение. Это отражение будет тем больше, чем больше данное сопротивление отличается от волнового. Так как источник сигнала — это по сути источник напряжения, то он обладает некоторым внутренним сопротивлением. Если его дополнить внешним резистором так, чтобы в сумме сопротивление было равно волновому сопротивлению линии, то даже если сигнал отразится от приёмника, его отражение будет поглощено источником. Если же его не дополнять, то сигнал, отразившись от приёмника, отразится и от источника, а затем снова попадёт в приёмник, создавая эхо.
Внешняя терминация осциллографа
В прошлой статье я писал, что для честных измерений в 50 Ω трактах нужен осциллограф, у которого есть встроенный вход 50 Ω. Сейчас рассмотрим варианты подключения, когда такого входа нет, их ограничения и особенности.
Почему нужно терминировать
Коаксиальный кабель, как правило, имеет волновое сопротивление 50 Ω. Чтобы отражений сигнала не было, импеданс нагрузки должен быть равен импедансу кабеля. Отражения портят форму сигнала, искажают фронты (завалы, звон), изменяют амплитуду и возвращают часть мощности в источник, который к этому может быть не готов.
Эффекты рассогласования (отражения сигнала) при измерениях начинают проявляться задолго до 500 МГц, поэтому пренебречь ими не получится.
Для какой частоты это важно?
Быстрая оценка: кабель RG-174 имеет эпсилон 1.91, поэтому за одну наносекунду сигнал проходит в нём примерно 22 сантиметра. В лаборатории популярны кабели длиной 1 метр. Электрическая длина у них около 4.5 нс, что соответствует частоте 222 МГц. Обычно длинной линией называют такую, в которой помещается хотя бы четверть волны сигнала. Получается, что наш метровый кабель – длинный для частот выше 50 МГц, а это не так уж много.
Напомню, что для сигнала произвольной формы важна скорость нарастания, а не его период. Частота 50 МГц соответствует времени нарастания в 6 нс (сравнимо с электрической длиной кабеля).
Проходной терминатор
Берем два резистора 100 Ω (чтобы рассеивать больше мощности), впаиваем между сигналом и землёй, добавляем два разъема по бокам.
Несмотря на то, что амазоновский терминатор использует выводные резисторы, его концепция выглядит лучше, чем у Aliexpress: меньше паразитные характеристики, меньше неоднородностей в тракте.
Главная проблема
Сами по себе терминаторы неплохие. Проблема во входном каскаде осциллографа: его паразитная емкость никуда не делась, и теперь нет щупа, который бы её компенсировал.
Импеданс такого сочетания – не 50 Ω. На 500 МГц он составит около 13 Ω, и это – серьезная проблема. До какой частоты ёмкость входа можно игнорировать? Допустим, нас устраивает снижение импеданса до 40 Ω (-20%, это очень много). Тогда допустимое реактивное сопротивление конденсатора будет не менее 200 Ω, и предельная частота – 44 МГц. Упс.
Решение проблемы
Чтобы стабилизировать импеданс со стороны источника, можно добавить аттенюатор. Его последовательное сопротивление “изолирует” емкость осциллографа, уменьшая её влияние.
Выглядит громоздко, конечно.
Идеально, если сигнал достаточно сильный. Мы ослабили его в 10 раз по амплитуде, а шумы остались теми же. К сожалению, у недорогих осциллографов, помимо отсутствия 50 Ω входа и малой полосы есть ещё и проблема с шумами. Rigol MSO5354 с входом, терминированным на 50 Ω, в отсутствие сигнала шумит на 2.5 мВ RMS. Это значит, что минимальный сигнал, для которого SNR (signal to noise ratio) больше 10, равен 25 мВ. Если же мы используем ещё и аттенюатор, то минимальный сигнал становится равным уже 250 мВ. Это немало.