При измерении низкоуровневых сигналов выбор пробника осциллографа напрямую влияет на достоверность полученных результатов. Особенно это важно при исследовании шин питания, где уровень полезного сигнала может быть близок к собственному шумовому порогу измерительной системы.
Одним из распространённых решений являются пассивные пробники с коэффициентом ослабления 10×. Они удобны для измерения более высоких напряжений и позволяют расширить диапазон измерений осциллографа. Однако при работе со слабыми сигналами такое ослабление может привести к существенному ухудшению отношения сигнал/шум (SNR).
Основная проблема заключается в том, что полезный сигнал на входе пробника ослабляется в 10 раз, тогда как собственный шум измерительного тракта осциллографа не уменьшается пропорционально. В результате при измерении низкоуровневых сигналов отношение сигнал/шум может ухудшиться на 20 дБ.
Как коэффициент ослабления 10× влияет на измерения
Для демонстрации этого эффекта были выполнены измерения с использованием осциллографа Teledyne LeCroy HDO8108A и пассивного пробника Teledyne LeCroy PP023 с полосой пропускания 500 МГц.
В качестве альтернативы использовался BNC-пробник без делителя. Измерения проводились при разных условиях подключения наконечников пробников, что позволило оценить влияние электрических и магнитных полей, а также собственного шума измерительного тракта.
Осциллограф HDO8108A автоматически распознаёт подключённый пробник с коэффициентом ослабления 10× и корректирует отображаемое значение напряжения с учётом этого коэффициента. Поэтому измеренные сигналы можно сравнивать непосредственно в одном масштабе.
Измерение при разомкнутых наконечниках
При разомкнутых наконечниках пробники более чувствительны к воздействию электрических полей. Результаты измерений представлены на рисунке 1.
Пробник с ослаблением 10× зарегистрировал:
- 72 мВ пик-пик;
- 11 мВ RMS.
Коаксиальный BNC-пробник без делителя показал:
- 36 мВ пик-пик;
- 4,2 мВ RMS.
Оба пробника зарегистрировали сопоставимый уровень наведённых помех.
Рисунок 1. Осциллограммы сигнала при использовании пробника с ослаблением 10× и BNC-пробника с разомкнутыми наконечниками.
Измерение при замкнутых наконечниках
На втором этапе наконечники пробников были замкнуты между собой. В такой конфигурации измерительная система становится более чувствительной к магнитным полям.
Для пробника 10× были получены следующие значения:
- 33 мВ пик-пик;
- 1,6 мВ RMS.
Для коаксиального BNC-пробника:
- 24 мВ пик-пик;
- 1,2 мВ RMS.
Как и в первом эксперименте, уровень шумовой составляющей двух измерительных систем оказался сопоставимым.
Рисунок 2. Измерения с теми же пробниками при замкнутых между собой наконечниках.
Влияние экранирования на результат измерений
Следующий этап эксперимента включал применение правильного экранирования цепи от тестируемого устройства (DUT) до корпуса осциллографа.
После устранения внешних РЧ-наводок на сигнале BNC-пробника практически отсутствовал шум. Это подтверждает эффективность правильного экранирования измерительной цепи при работе с низкоуровневыми сигналами.
Однако при использовании пробника 10× результат оказался другим.
Обе осциллограммы отображались в одинаковом масштабе — 10 мВ/дел., относительно наконечников пробников. При этом пробник 10× демонстрировал уровень шума, примерно в 10 раз превышающий уровень шума BNC-пробника.
Рисунок 3. Результаты измерений после применения экранирования при замкнутых наконечниках пробников.
Почему пробник 10× ухудшает отношение сигнал/шум
Причина заключается в особенностях измерительного тракта.
Пробник с коэффициентом ослабления 10× уменьшает амплитуду измеряемого сигнала в 10 раз. При этом собственный шум усилителя осциллографа остаётся на прежнем уровне. Осциллограф компенсирует коэффициент деления при отображении измеренного напряжения, однако эта цифровая или масштабная коррекция не устраняет влияние собственного шумового порога измерительной системы.
В результате при измерении сигнала, близкого к уровню собственного шума осциллографа, происходит следующее:
полезный сигнал уменьшается в 10 раз → уровень собственного шума остаётся прежним → отношение сигнал/шум ухудшается.
С точки зрения отношения амплитуд сигнал/шум ослабление в 10 раз соответствует снижению SNR на 20 дБ.
Именно поэтому применение пробника 10× может быть критичным при исследовании малых пульсаций, шумов и других низкоуровневых составляющих на шинах питания.
Когда пробник 10× может быть неподходящим
Пробники с ослаблением 10× широко применяются в осциллографических измерениях и во многих задачах являются оптимальным выбором. Однако при работе с низкоуровневыми сигналами необходимо учитывать влияние коэффициента ослабления на отношение сигнал/шум.
Особенно внимательно следует подходить к выбору пробника, если измеряемый сигнал находится:
- на уровне собственного шума осциллографа;
- близко к шумовому порогу измерительного тракта;
- значительно ниже уровня сигнала, для которого пробник обеспечивает оптимальную чувствительность;
- на шинах питания с низким уровнем пульсаций и шумов.
В таких условиях пробник с меньшим или отсутствующим коэффициентом ослабления может обеспечить более высокое отношение сигнал/шум и более достоверное представление измеряемого сигнала.
Основной вывод
Пробник с ослаблением 10× не является универсальным решением для любых измерений. При работе с высокими напряжениями его применение оправдано и позволяет безопасно расширить диапазон измерений. Однако при исследовании низкоуровневых сигналов, особенно вблизи шумового порога осциллографа, коэффициент ослабления может существенно снизить отношение сигнал/шум.
При прочих равных условиях ослабление сигнала в 10 раз приводит к снижению отношения сигнал/шум на 20 дБ. Поэтому при измерении малых сигналов на шинах питания необходимо учитывать не только полосу пропускания и максимальное входное напряжение пробника, но и его влияние на чувствительность всей измерительной системы.
Правильный выбор пробника, минимизация паразитных наводок и корректное экранирование измерительной цепи позволяют повысить достоверность результатов и избежать искажений при анализе низкоуровневых сигналов.
