Как пользоваться осциллографом?

[Oleg10011001]

GARMIN, по правде говоря, я не в теме. Что значит: "не согласован"? Где можно почитать об этом, а то я не могу найти? Это можно исправить? Проверил работу пробника на калибровочном меандре осциллографа и там все четко. Вот скрины осциллограмм периода калибровочного меандра и фронта его импульса:



****



З.Ы: Я вот смотрю на тот выброс и вижу, что он есть на обоих осциллограммах, просто на желтой он раз в 10 больше, но ведь там и на пробнике делитель в 10 раз больше... Может быть в этом все дело?

З.З.Ы: На всякий случай прилагаю вид периода меандра (на фронте которого был выброс) снятый родным пробником с делителем x10 и вторым пробником с делителем x100:

x10


x100


Можно ли уверено утверждать, что осциллограмма на втором скриншоте (с делителем x100) снята несогласованным с осциллографом пробником?

[Vlad_RK]

Oleg10011001 писал(а):

Что значит: "не согласован"? Где можно почитать об этом, а то я не могу найти?

Вопрос довольно сложный, касается теории длинных линий.
Эта высокочастотная болтанка возникает из-за несогласованности выходного сопротивления источника сигнала и входного сопротивления осциллографа. Происходит многократное отражение сигнала, что и фиксирует осциллограф.
Я когда-то интересовался этой проблемой и могу посоветовать хорошую книгу: "Джонсон Г. Конструирование высокоскоростных цифровых устройств". https://yadi.sk/i/8VuTObKr9qxmxA
Советую прочитать главы 1, 3, 4 и 6. Остальное по желанию.
Не могу почему-то залить книгу прямо сюда, пришлось использовать Яндекс.Диск.

Добавлено after 25 minutes 14 seconds:
Попробуйте снять со щупа осциллографа насадку с крючком и заземляющий провод с крокодилом, и подключиться щупом к источнику сигнала по кратчайшему расстоянию - болтанка на фронте импульса должна уменьшиться.

[Oleg10011001]

Vlad_RK писал(а):

Попробуйте снять со щупа осциллографа насадку с крючком и заземляющий провод с крокодилом, и подключиться щупом к источнику сигнала по кратчайшему расстоянию - болтанка на фронте импульса должна уменьшиться.

Вот такая картина получилась:



Время нарастания фронта импульса не изменилось и соответственно мне интересно, правильно ли я понимаю, что реальная полоса пропускания осциллографа оказалась заметно большей, чем заявлял производитель?

[Vlad_RK]

Это пробник с делителем x100?
Честно, я без понятия, какая реальная полоса у этого осциллографа, у меня его нет и покрутить его я не могу. Как и генератора, который вы используете.
Вы можете самостоятельно попробовать провести расчеты, используя главу 3 той книги, что я вам посоветовал (с.133). Там есть 2 примера расчетов.

Пример 3.1. Снижение крутизны фронта сигнала
Боб приобрел осциллограф с паспортной полосой пропускания 300 МГц и измерительный щуп с такой же полосой пропускания. Какое влияние подобная комбинация измерительных устройств окажет на сигнал с фронтами длительностью 2 нс?
Tr scope = 0,338/300 Мгц = 1,1 нс
Tr probe = 0,338/300 Мгц = 1,1 нс
Tr signal = 2,0 нс
Tdisplayed = (1,1^2 + 1,1^2 + 2,0^2)^1/2 = 2,5 нс
На осциллограмме, полученной с помощью осциллографа и измерительного щупа, приобретенных Бобом, фронты, имеющие фактическую длительность 2,0 нс, превратятся в фронты длительностью 2,5 нс.

Пример 3.2. Расчет длительности фронта входного сигнала по измеренным данным
Если на экране осциллографа Боба сигнал имеет длительность фронтов 2,2 нс, то какова фактическая длительность фронта входного сигнала в этом случае?
Чтобы определить, какой должна быть длительность фронта входного сигнала, чтобы измеренная осциллографом длительность фронта составила 2,2 нс, воспользуемся формулой (3.1).
Tactual = (2,2^2 − 1,1^2 − 1,1^2)^1/2 = 1,6 нс
Фактическая длительность фронта входного сигнала, соответствующая измеренной с помощью осциллографа длительности фронта 2,2 нс, составляет 1,6 нс. Пожалуйста, рассматривайте результат, полученный в этом примере, с известной долей скепсиса. Он точен только при условии, что во входном сигнале отсутствует выброс, известно точное значение время нарастания переходной характеристики аппаратуры по уровням 10–90%, и при измерении полностью отсутствуют шумы. Лучшим способом определения длительности фронта входного сигнала является измерение с помощью более широкополосного измерительного щупа и более широкополосного осциллографа.
Но если уж другого выхода нет, описанная выше техника измерения позволяет в два, а то и в три раза расширить частотные возможности осциллографа Боба.

[Oleg10011001]

Vlad_RK писал(а):

Это пробник с делителем x100?
Честно, я без понятия, какая реальная полоса у этого осциллографа, у меня его нет и покрутить его я не могу. Как и генератора, который вы используете.

Да, использовался пробник с делителем x100 с полосой пропускания 250 MHz; именно о его несогласованности тут говорили. В качестве генератора сигнала использовалась плата Arduino UNO, сигнал снимался с ее 13 порта. Вы по прежнему считаете, что пробник не согласован с источником сигнала? Благодарю за формулы расчета.

[Vlad_RK]

Oleg10011001 писал(а):

Вы по прежнему считаете, что пробник не согласован с источником сигнала? Благодарю за формулы расчета.

Скорее всего не согласован - пробник-то не родной. На вашей осциллограмме родного пробника (Вт авг 13, 2019 23:08:46) белая линия, вроде бы, не имеет таких колебаний.
Вы уверены, что плата Arduino выдает чистый сигнал? Может быть эти колебания выходят с нее? Хотя, вряд ли... Посмотреть бы сигнал с Arduino на каком-нибудь супер-пупер высокочастотном высококлассном осциллографе, чтобы не грешить на нее.
А еще у пробника есть паразитные емкость и индуктивность, они также влияют.
Я все-таки думаю, эти паразитные резонансные колебания возникают из-за несогласованности выходного сопротивления Arduino и входного сопротивления щупа и осциллографа. Чтобы эти колебания полностью отсутствовали волновое сопротивление кабеля пробника должно быть равно входному сопротивлению осциллографа, только при этом условии не будет отраженного сигнала от осциллографа через кабель пробника обратно к Arduino. А так как и выходное сопротивление Arduino не равно волновому сопротивлению кабеля, то происходит еще одно отражение, уже от Arduino, и т.д. пока этот "звон" не затихнет.
Проверить это можно так: сейчас период "звона" равен где-то 6 нс, если увеличить длину кабеля пробника вдвое, то период звона должен увеличиться до 12 нс, а если уменьшить вдвое, то уменьшиться до 3 нс.
В главе 3 книги Джонсона написано про этот звон.

Почитайте еще про осциллографические щупы:

Таинственный мир осциллографических щупов.rar

(825.67 KiB) Скачиваний: 372

Я сохранил когда-то эту страницу, потому что показалась интересной, а сейчас тот сайт почему-то недоступен.
Адрес той страницы: http://6-lab.com/doug-ford-the-probes.html

[Света]

Vlad_RK писал(а):

Не могу почему-то залить книгу прямо сюда

https://sunduk.radiokot.ru/view/?id=1566565361

[AlexR77]

Vlad_RK, я когда купил 100 МГц щупы к своему usb осцилле на 60 МГц, тоже видел схожую картину в сравнении с комплектными на 60. Все щупы 1:10. Из накопанного нашел только, что индуктивность линии больше, поэтому идет выброс вверх. Щупы я сравнивал потом на 500 МГц ослике на работе, там картина аналогичная (выбросы даже больше). Правда, 100 МГц щупы чуток длиннее, но выброс на переднем фронте был в разы больше, чем на комплектных. А когда попробовал 500МГц щупы 1:100, выброс на них был посередке между моими старыми и новыми.

Причем если брать выход ТТЛ, выбросы огромны, а с выхода 50Ом генератора ощутимо слабее. То ли согласование линий, то ли потому что меандр с этого выхода сглаживается уже, фронты завалены.

[Vlad_RK]

AlexR77, да, в "Таинственном мире осциллографических щупов" как раз вопрос индуктивного выброса рассматривается подробно. Из-за индуктивности выброс и появляется - когда фронт резко заканчивается, она не дает току мгновенно установиться на одном уровне, а пытается поддержать его рост - это свойство индуктивности (как инерция). Отсюда первый выброс. А последующие колебания - это просто затухание первого всплеска. И, по-идее, чем круче фронт импульса, т.е. чем резче переход от фронта к вершине импульса, тем выброс должен быть сильнее. А чем сильнее завален фронт, тем выброс меньше.
Вопрос согласования сопротивлений кабеля щупа и осциллографа, наверное, можно и не рассматривать - для этого центральная жила кабеля изготавливается из высокоомного материала, как раз для гашения колебаний из-за отражения сигналов от концов кабеля.
И что со всем этим делать? Стоит ли покупать дорогие ВЧ щупы? Какой результат они дадут с вашим осциллографом? Или лучше использовать комплектные щупы? Наверное, лучше хороший осциллограф и комплектные щупы (уж если такие ВЧ переходные процессы для вас играют важную роль). Ну и еще умение правильно подключиться к исследуемой цепи и умение разобраться в том, что показывает нам осциллограф.

[AlexR77]

Vlad_RK, что с этим делать, никто так и не сказал. Я спрашивал, какими щупами измерять шум БП, где правда. Высокочастотные 300 Ом, комплектные 100, но влияет ли это ра отображение... Там, где читал про индуктивность, советовали некое согласование линий внести.

[ПростоНуб]

AlexR77, а эту рекомендацию читали?

[AlexR77]

ПростоНуб, конечно, еще и поржал над собой дважды. Первый раз, когда считал, что у ослика каналы изолированные, второй раз после этого документа. Но что делать с тем, что от TTL меандра идет выброс, никто толком не объяснил. Согласовывать линию, общая рекомендация.

Даже для замеров выхода БП мне нарисовали на хоботе несколько схем согласования для нагрузки 8 Ом. С расчетом АЧХ. До чего я в знаниях еще не дорос (последний раз я нечто такое в институте считал 20 лет назад).

Еще, кстати, предлагали дифф способ двумя щупами, я так делал и раньше, но земли щупов соединял между собой, а вроде как не стоит этого делать. Результат был какой-то странный.

[Даджаль]

Vlad_RK писал(а):

Вы уверены, что плата Arduino выдает чистый сигнал? Может быть эти колебания выходят с нее? Хотя, вряд ли... Посмотреть бы сигнал с Arduino на каком-нибудь супер-пупер высокочастотном высококлассном осциллографе, чтобы не грешить на нее.

Ардуинка вполне нормальные импульсы выдаёт. От пробника много зависит, особенно от способа его подключения.
Вот пробник на 1МОм:


Это на 100кОм:


А это подключение с помощью "прищепки" и крокодила земли:


И тот же пробник с низкоиндуктивной землей - фото только его, так как держать неудобно:

[Vlad_RK]

Даджаль писал(а):

А это подключение с помощью "прищепки" и крокодила земли:

Вот это наиболее интересно.
Если принять, что индуктивность заземляющего проводника 150 нГн и переход на кончик щупа от места подключения провода заземления добавляет еще порядка 50нГн, и период звона, насколько я рассмотрел, около 15 нс, то можно рассчитать паразитную емкость по формуле C = 1/(4𲃲L) = 28.4966 пФ. Это, наверное, общая емкость кабель+вход осциллографа.
Можно сказать, разобрались, что это за колебания на вершине импульса и откуда они берутся. Это не отражение от концов кабеля из-за несогласованности сопротивлений - его гасит высокое сопротивление самого кабеля. Тут я был не прав. Колебания значительно можно уменьшить, убрав заземляющий проводок с крокодилом, т.е. использовать специальное приспособление к щупу для подключения к схеме - это снизит паразитную индуктивность, а вот с паразитной емкостью посложнее, тут надо использовать активный щуп со сверхмалой емкостью, например, SIGLENT SAP1000 (1,2 пФ), но он дорогущий и низковольтный.
В общем, уменьшив паразитные С и L, от звона совсем не избавиться, но можно увести его частоту за пределы полосы пропускания осциллографа и он их просто не воспримет.

[AlexR77]

Vlad_RK, а сколько сопротивление самого щупа? У моих 100 и 300 Ом. Как раз 300 Ом более высокочастотный, и выброс у него трындец какой. Если с крокодилом, то может вылететь за экран осциллографа аж. А с пружинкой сильно меньше, но примерно 30-40% от амплитуды. Правда, пружинка самодельная, в комплекте нет. Опять же, если говорить о выходе несогласованном, тупо TTL (вернее, он на генераторе CMOS обозначен).

[Vlad_RK]

AlexR77 писал(а):

Vlad_RK, а сколько сопротивление самого щупа? У моих 100 и 300 Ом. Как раз 300 Ом более высокочастотный, и выброс у него трындец какой. Если с крокодилом, то может вылететь за экран осциллографа аж. А с пружинкой сильно меньше, но примерно 30-40% от амплитуды. Правда, пружинка самодельная, в комплекте нет. Опять же, если говорить о выходе несогласованном, тупо TTL (вернее, он на генераторе CMOS обозначен).

Насчет сопротивления это вы у Даджаля спросите - это его щуп, и его скрины.
Я тут смоделировал (Micro-Cap 12) ту же схему щупа, которая приведена в "Таинственном мире осциллографических щупов". Правда, скрины там отвратные, не видно ничего.
Выходное сопротивление генератора установил 30 Ом, потому как у Джонсона сказано: "Источник с внутренним сопротивлением 30 Ом по выходной мощности представляет собой приближенный эквивалент типичной нагрузочной способности стандартных элементов ТТЛ-логики." (с.36).


Подаю одиночный импульс 1В с фронтом 3 нс (задержка начала импульса 200 нс). Изменяю погонное сопротивление (Ом/м) кабеля от 100 Ом до 300 Ом с шагом 10 Ом (длина кабеля 1.2 м, т.е. сопротивление изменяется от 120 до 360 Ом). Чем меньше сопротивление, тем выше выброс (100 Ом), а для 300 Ом выброса нет вообще, но фронт завален.


А это АЧХ этого щупа от 1 МГц до 1 ГГц. Также изменяю погонное сопротивление (Ом/м) кабеля от 100 Ом до 300 Ом с шагом 10 Ом.

Последний раз редактировалось Vlad_RK Вс авг 25, 2019 13:52:22, всего редактировалось 1 раз.

[AlexR77]

Vlad_RK, а если индуктивность увеличить?
А то у меня именно 100 МГц щуп больше всех делает выброс. Вот фоткал (но землю там сложно было цеплять) на 500 МГц осцилле. Какой-то дорогой вч щуп (200 или 250 МГц, хоть и не помню точно маркировку, с контактом, который сам указывает режим 1:10), комплектный от usb на 60 МГц 100 Ом 1.0 метр в режиме 1:10 (на ослике вручную надо было ставить с ним, я что-то забыл, оставил 1:1, но вроде вход ослика не меняется?), а также более толстый покупной 100 МГц 300 Ом 1.2 метра с али.

[Vlad_RK]

AlexR77, чем больше индуктивность - тем больше выброс.

[Даджаль]

AlexR77 писал(а):

А то у меня именно 100 МГц щуп больше всех делает выброс.

Поди какой-нить HP6100? Дешманскими китаёзами вообще пользоваться нельзя. Я уже как-то давно выкладывал результаты тестов разных пробников (без учёта способа подключения массы, так как использовал коаксиальный переход на иглу).

AlexR77 писал(а):

Вот фоткал (но землю там сложно было цеплять) на 500 МГц осцилле. Какой-то дорогой вч щуп (200 или 250 МГц, хоть и не помню точно маркировку, с контактом, который сам указывает режим 1:10)

Это всё снято с помощью массовой пружинки? Или крокодил?

AlexR77 писал(а):

комплектный от usb на 60 МГц 100 Ом 1.0 метр в режиме 1:10 (на ослике вручную надо было ставить с ним, я что-то забыл, оставил 1:1, но вроде вход ослика не меняется?), а также более толстый покупной 100 МГц 300 Ом 1.2 метра с али.

Какие омы? Чёт я не понял - измеряется переходная характеристика с помощью высокоомных пассивных пробников в режиме 1:1?
Генератор импульсов пробовали прямо ко входу скопа 50-ти омным кабелем соединять? Картинки крайне ужасные.

Добавлено after 12 minutes 59 seconds:

AlexR77 писал(а):

а сколько сопротивление самого щупа? У моих 100 и 300 Ом

Не пойму, откуда омы у вас? Таки вы в режиме 1:1 измеряете сопротивление центральной жилы? В корне неправильно так работать. 1:1 в обычных пробниках существует для одного - измерения малых низкочастотных сигналов. Например, звуковых.
Существует класс высокочастотных пробников, которые с одной стороны представляют 50-ти омный кабель и на его конце резистор с малой индуктивностью, образуется делитель с сопротивлением входа скопа и этим самым резистором. Используется только с ВЧ скопами, имеющими 50-ти омный вход. Это не тож самое, что 1:1 режим в обычном пробнике для высокоомного входа.

Были сомнения в качестве выхода ардуинки, потому провёл минитест, который показал, что у ардуинок всё в норме.
Я привел фото и картинки с 2-х ВЧ активных пробников (1МОм 0.9пФ и 100кОм 0.7пф соответственно) и одного пассивного "честного китайца" на 350МГц HP6350 в нормальном режиме 10:1. Как видим, если пассивный пробник нормальный, то при правильном подключении (земля-пружинка) мы не видим особой разницы на столь неширокополосных сигналах.

[AlexR77]

Даджаль, так они все дешманские, что комплектные к usb осциллографу, что РТ8100 китайский на 100 МГц. Просто именно в 1:1 у них в разы отличается сопротивление в Омах, и мне непонятно, отчего так.

Конкретно эти фото, если память не изменяет, сняты с крокодилом с CMOS выхода (но и сам генератор довольно старый, практически списанный, нет ли у него каких фантазий на выходе, не знаю). С пружинкой выброс меньше, но все равно огромный на 100 МГц щупе (пружинку к BNC подключить хорошо еще та задача). В режиме 1:10 щупы конечно, в 1:1 там ничего не будет видно, фронты дикие. Только вход ослика не переключал (но вроде вход и не меняется у него?)

С выхода 50 Ом генератора все существенно лучше, но я думаю, там и меандр завален по фронтам, генератор макс. 10 МГц. Картинка становится более сглаженной. Но я не генератор проверял, хотел сравнить щупы 60 и 100 МГц. Потому как не мог понять, как измерять ими пульсации на выходе БП. В режиме 1:10 не хватает чувствительности usb осциллографа, а в 1:1 100 МГц щуп ощутимо меньше всплески на БП показывает. Не очень понимаю, связано это с большим сопротивлением в 1:1 или большей индуктивностью, или тем, что в 1:1 фронт у 100 МГц щупа больше, чем у 60 МГц...