Как измерительный щуп осциллографа влияет на звон?
Наверняка, когда вы измеряли какой-то импульс или переменный сигнал с прямоугольными импульсами, то замечали, что на их фронтах наблюдается звон.
Это может быть вызвано как самой схемой/платой, так и влиянием щупа осциллографа.
Что происходит?
Когда вы подключаете щуп для измерения сигнала, нужно помнить, что и щуп, и осциллограф имеют свою внутреннюю схему. Ключевые элементы в ней - это входная емкость и входное сопротивление. И как бы ни старались производители оборудования, эта внутренняя схема так или иначе влияет на измеряемый сигнал и на результаты, которые мы видим на экране.
На рисунке ниже показана эквивалентная схема, которую формирует щуп вместе с осциллографом и тут важно обратить внимание на паразитную индуктивность провода земли.
Чаще всего земля щупа - это 15-сантиметровый провод с крокодилом на конце. Им очень удобно цепляться к плате и спокойно тыкаться в нужные точки схемы. Проблема заключается в том, что у этого провода - относительно большая паразитная индуктивность.
Вместе с остальной схемой они образуют последовательный колебательный контур, эквивалентная схема которого на рисунке ниже.
- Сигнал резко меняет напряжение с 0 до Vcc
- Во время переходного процесса через конденсатор и индуктивность начинает протекать ток
- Образовываются колебания энергии, создающие тот самый звон
Как измерять правильно?
Если нужно увидеть чистый сигнал с минимальным влиянием щупа, то вместо провода с крокодилом лучше всего использовать "короткую землю" или пружинку, которая обычно идет в комплекте вместе с самим щупом.
У такой земли значительно меньшая паразитная индуктивность, а значит, для колебаний нужна еще более высокая частота/еще более быстрой фронт нарастания сигнала.
Правда, при работе с ней нужно быть аккуратным: тыкаться ей в землю очень неудобно, а сам вывод пружины нет-нет да отлетает куда-то в сторону. По закону подлости это может произойти на шину питания. Однажды я так неудачно закоротил питание и результат на фото ниже.
Насколько велика разница?
На осциллограммах ниже показаны измерения одного и того же импульса, но с разной длиной заземлением щупа: 15см, 63см и с заземлением через шасси.
- 15см - это стандартное заземление щупа
- 63см - это что-то экзотическое, используется при измерениях в больших (физически) системах
- Шасси - это тот случай, когда некуда подцепиться крокодилом на плате, и вы цепляетесь к металлическому выводу осциллографа
Я измерял сигнал с длинным заземлением и не видел никакого звона!
Чтоб длинное заземление спровоцировало звон, нужно как минимум две вещи:
Чем короче фронт, тем форма импульса ближе к прямоугольной. А прямоугольная форма содержит в себе всякие высокие частоты второго и далее порядков. Поэтому, чтоб вызвать индуктивность заземления начала как-то ощутимо звенеть, на неё должна воздействовать частота с достаточной энергией.
Чем больше индуктивность, тем меньшая частота может вызватьзаметное колебание.
Так, например, щуп с входной емкостью 11pF и стандартным 15-см заземлением при воздействии быстрого импульса начнет звенеть от частоты около 140МГц.
Если у вас осциллограф с полосой пропускания 100МГц, то звон на частоте 140МГц вы не увидите. Будет казаться, что всё более-менее окей.
Если же - с полосой пропускания 50МГц, вы не увидите и более низкочастотный звон.
Поэтому важно не только сгенерировать звон, но еще и увидеть его!
Источники
[1] ABC of Probes