Калибровка пробников: как обеспечить достоверность измерений

Суть проблемы

Сигнальный тракт от исследуемого устройства до осциллографа вносит искажения в сигнал и порождает отличия по амплитуде и фазе. Типичная форма сигнала в различных точках измерительного сигнального тракта показана на рис. 1. Исходный сигнал — это сигнал в исследуемом устройстве до подключения пробника. При подключении пробника к устройству сигнал может быть искажен из-за внесенной собственной емкости и индуктивности пробника.

Рис. 1. Упрощенный измерительный сигнальный тракт

Задержки фронтов и искажения амплитуды сигналов порождают существенные погрешности измерения. Задержка фронта определяется как разность по времени между одинаковыми точками двух сигналов. Помимо этих паразитных задержек, отличия по амплитуде приводят к тому, что глазковая диаграмма сигнала исследуемого устройства кажется более закрытой, чем есть на самом деле. Это выглядит так, будто в сигнале присутствует значительный шум или джиттер, но на самом деле подобный шум порождается измерительным сигнальным трактом. Не имея истинного представления сигналов устройства на осциллографе, невозможно соответствующим образом отладить разрабатываемую схему и завершить проектирование.

Компенсация пассивного пробника

Нужно настроить подстроечный конденсатор пассивного пробника так, чтобы емкость пробника соответствовала входной емкости осциллографа. Для этого большинство осциллографов имеет выход опорного прямоугольного сигнала. Можно подключить пробник к этому выходу и убедиться, что сигнал имеет строго прямоугольную форму. Следует настроить подстроечный конденсатор пробника так, чтобы на сигнале не наблюдалось ни подъемов, ни провалов, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Разные варианты настройки компенсирующего конденсатора

Может оказаться, что осциллограф имеет встроенную функцию автоматической компенсации, но если ее нет, необходимо сделать это вручную.

Периодическая проверка пассивного пробника

Если для выполнения ответственных измерений используется пассивный пробник, то рекомендуется периодически проверять его коэффициент ослабления и сопротивление. Для выполнения подобной процедуры понадобится оборудование, перечисленное в таблице, или другое аналогичное оборудование.

Для проверки коэффициента ослабления пробника можно использовать следующую процедуру.

Нужно переключить цифровой мультиметр (Keysight 34401A) в режим измерения постоянного напряжения. Установить входное сопротивление >10 ГОм. Закоротить наконечники и выполнить установку нуля Null.

1. Настроить калибратор (Fluke 5700A) на 10 В.
2. Подключить наконечник пробника N287XA к выходу HI калибратора.
3. Подключить «земляной» провод пробника N287XA к выходу LO калибратора.
4. Для моделей N2874A и N2876A — подключить выход пробника к переходнику 50 Ом (11048C). Подключить выход 11048C к цифровому мультиметру. Для всех других моделей подключить выход пробника к входу дорожки модифицированной оснастки 50 Ом Keysight PV. Вход дорожки терминирован прецизионным резистором 1 МОм ±0,1%. Следует подключить выход дорожки 50 Ом к цифровому мультиметру.
5. Нужно убедиться, что измеренное значение находится в допустимых пределах, указанных в техническом описании пробника. Для большинства пассивных пробников допустимое отклонение коэффициента ослабления составляет ±2%.

Для проверки входного сопротивления пробника можно выполнить следующий ряд действий:

1. Включить цифровой мультиметр. Закоротить пробники мультиметра и выполнить установку нуля Null.
2. Подключить пробники мультиметра к наконечнику и «земляному» проводнику измеряемого пробника.
3. Подключить выход пробника к одному из входных каналов осциллографа. Установить входное сопротивление осциллографа в соответствии с техническим описанием пробника.
4. Настроить мультиметр на измерение сопротивления. Рассчитать погрешность по приведенной ниже формуле.
5. Убедиться, что измеренное значение находится в допустимых пределах, указанных в техническом описании пробника. Для большинства пассивных пробников допустимое отклонение сопротивления составляет менее 1%.

Погрешность (%) = ((Измеренное значение –Требуемое значение)/Требуемое значение)×100.

Калибровка активного пробника

О необходимости калибровки активного пробника часто забывают, но это весьма важный аспект, обеспечивающий максимальную точность измерений. В комплект поставки несимметричных и дифференциальных пробников входит сертификат калибровки, гарантирующий, что пробник соответствует заявленным характеристикам. Однако и пробник, и осциллограф являются измерительными системами, а значит, выходные характеристики каждого пробника и входные характеристики осциллографа имеют некоторый разброс. Передача сигнала в описанном выше сигнальном тракте определяется тремя переменными величинами. Во‑первых, связью исследуемого устройства с пробником, во‑вторых, связью выхода пробника с входом осциллографа и, в‑третьих, связью входа осциллографа с его системой цифровой обработки сигнала. Попробуем устранить влияние некоторых из этих переменных, откалибровав пробник и улучшив его амплитудные и фазовые характеристики.

Осциллографы Keysight автоматически распознают активные пробники Keysight, и если калибровка пробника не соответствует осциллографу, информация об этом выводится на экран. На рис. 3 показан сигнал генератора 50 МГц до поступления на пробник, полученный с помощью компенсирующей оснастки Keysight E2655C (желтая кривая). Затем сигнал проходит через дифференциальный пробник и подается на второй канал осциллографа (зеленая кривая). Выходной сигнал генератора в канале 1 имеет амплитуду 1,04 В_п-п, а амплитуда сигнала пробника в канале 2 составляет 965 мВ_п-п. Кроме того, наблюдается существенная задержка между каналами 1 и 2 (около 3 мс) — другими словами, фронты сигналов совершенно не совпадают.

Рис. 3. Выходной сигнал генератора и сигнал пробника

Заметьте, как изменилась картина после калибровки (рис. 4). Этот снимок экрана сделан после калибровки амплитуды и фазы. Теперь амплитуда увеличилась до 972 мВ_п-п, а фаза скорректировалась так, что фронты сигналов совместились.

Рис. 4. После калибровки амплитуды и фазы

Коррекция частотной характеристики активного пробника

Поскольку частотные характеристики пассивных пробников ограничены обычно частотой 500 МГц, а насыщенный гармонический состав прямоугольных сигналов вносит дополнительные частотные ограничения, популярность активных пробников неизменно возрастает.

С расширением полосы пропускания осциллографов в область нескольких гигагерц коррекции по постоянному току оказывается недостаточно для измерения и коррекции частотной характеристики на высоких частотах. Внесение поправок по переменному току приводит частотную характеристику пробника в соответствие с идеальной равномерной характеристикой. Производители пробников измеряют S‑параметры пробника и его головки и сохраняют полученные данные в энергонезависимой памяти пробника. Эти данные используются для создания корректирующего фильтра, который формирует частотную характеристику системы «пробник-осциллограф». Такая коррекция значительно повышает точность по сравнению с обычной поправкой по постоянному току.

Обратите внимание, что методы коррекции пробников, предлагаемые производителями, применимы лишь к стандартным конфигурациям пробников и сменных наконечников. Специальные или доработанные наконечники существенно меняют поведение пробника, затрудняя коррекцию АЧХ или вообще делая ее невозможной.

Заключение

Система передачи сигнала, связывающая исследуемое устройство с пробником и с осциллографом, порождает погрешности измерений. Для достижения максимальной достоверности измерения сигналов рекомендуется калибровать пробник вместе с осциллографом.