Jste zde

Z(a)traceno v šumu

Jan Robenek, 10. Únor 2009 - 0:00
Ilustr_obr.jpg

Nebývá dobrým zvykem dovolovat elektronice aby se nám dlouhodobě systematicky vysmívala přímo do očí. Co když ale na smeč nahráváme my sami a kdekterý kousek vodiče, polovodiče i izolantu pak má osobní příležitost se nám škodolibě pošklebovat, seč mu vlastní fyzikální síly stačí?

V úvodním dílu našeho zamyšlení nad správným využitím osciloskopických sond byly předloženy první tři z celkového počtu osmi postřehů, které zahrnovaly 

  • vhodný výběr mezi pasivním a aktivním přístupem
  • kontrolu způsobu zatěžování pomocí druhé sondy
  • vlastní kompenzaci

Dnes prozkoumáme další dvě oblasti v podobě

  • měření malých proudů na nestydatém šumovém pozadí
  • potlačení nežádoucích vazeb 

 

4) Měření malých proudů

Nebývalé rozšíření bateriově napájených zařízení si v posledních letech žádá stále citlivější měření proudu, které by s dostatečnou přesností prokázalo, že proudová spotřeba nového produktu skutečně nepřekračuje své přípustné limity. Jednoduchý způsob, jak toho dosáhnout a přitom nemuset přerušovat vodiče či jinak zasahovat do testovaného zařízení, představují bezkontaktní sondy pro měření proudu, třeba pomocí osciloskopu (clamp-on). Typickým zástupcem se tak mohou stát např. proudové sondy N2780A, N2781A, N2782A či N2783A z dílny Agilent Technologies.

 

Proudové sondy Agilent Technologies

 

Popis sond N2782A / N2783A

 

Protože každá pěkná věc má také své stinné stránky, sluší se i zde poznamenat, že pokud měřený proud dosahuje řádu jednotek mA nebo ještě méně, začíná být celý vyhodnocovací proces o něco obtížnější, protože s klesající velikostí měřeného proudu začíná na povrch výrazně vyplouvat vlastní šum osciloskopu.

 

Každý osciloskop se z principu bude vyznačovat nejméně jednou nežádoucí vlastností, kterou v našem případě s přehledem vytváří vlastní vertikální šum přístroje (Vertical Noise), znehodnocující přesnost měření každého signálu, nízkoúrovňového zvláště. Protože se od osciloskopu navíc taktně očekává práce v širokopásmovém prostředí, nezbývá než s tímto faktorem počítat již od prvního zapnutí napájení a pečlivě vyhodnocovat vyšší šumové pozadí v případě narůstající šířky použitelného frekvenčního pásma. Vlastní šum typického 500 MHz osciloskopu, měřícího na svém nejcitlivějším rozsahu vyjádřeném v obecných jednotkách voltů na dílek, přitom dosahuje přibližně 2 mV špička – špička, což pro malé amplitudy měřeného proudu nebo napětí obecně představuje vyloženou katastrofu.

 

Na druhé straně pak stojí výše zmíněné moderní AC/DC proudové sondy typu N2783A s kmitočtovým rozsahem 100 MHz, schopné změřit stejnosměrnou velikost proudu 5 mA s chybou 3 %. Jestliže proudová sonda poskytuje na svém výstupu 100 mV na 1 A měřeného proudu, zatíží vlastní šum osciloskopu o velikosti 2 mVp-p výraznou měrou proudy o velikosti již 20 mA, nižší raději ani nepočítaje!

 

Přesnost měření proudové sondy N2783A může docela dobře znehodnotit samotný osciloskop svým nesnesitelným šumovým pozadím

 

Jak se tedy bránit a minimalizovat chybu způsobenou vlastním šumem osciloskopu? Moderní digitální přístroje nabízí hned několik možných řešení:

 

Omezení šířky pásma (Bandwidth Limit Filter)

Téměř všechny digitální osciloskopy umožňují vylepšit vertikální rozlišení odfiltrováním nežádoucího šumu, pronásledujícího vstupní měřený průběh, za současného snížení použitelné šířky pásma. To co nepotřebuji zkrátka a jednoduše neměřím. Většinu HW, příp. SW filtrů lze aktivovat nebo zakázat dle vlastního uvážení.

 

Sběr dat ve vysokém rozlišení (High Resolution Acquisition Mode)

Většina digitálních osciloskopů pracuje v běžném módu s vertikálním rozlišením 8 bitů. Vysoká přesnost obvykle nebývá stěžejním požadavkem na tento druh přístrojů, které ve srovnání s jinými měřidly navíc dokážou zobrazit časový průběh měřených veličin. Některé osciloskopy však nabízí mnohem větší vertikální rozlišení a to až 12 – 16 bitů, čímž ještě více omezují neblahý vliv vertikálního šumu při současném vylepšení celkové přesnosti. Zmíněné módy vysokého rozlišení se nejlépe uplatní v rámci pomalejších dějů, kdy přístroj ještě stačí vykreslovat velký počet zachycených bodů. Vedle možného průměrování sousedních hodnot tak určitou nepříjemností zůstává snížená vzorkovací rychlost včetně použitelné šířky pásma.

 

Průměrování (Averaging Mode)

Pokud měříme periodicky se opakující nebo rovnou stejnosměrný průběh, můžeme data nechat zprůměrovat a účinně tak snížit vertikální šum přístroje včetně jiného nahodilého rušení. Na rozdíl od předchozího sběru dat ve vysokém rozlišení již nedochází ke snižování vzorkovací rychlosti ani použitelné šířky pásma měřeného signálu. Určitou nevýhodou však může být pomalejší odezva na jakoukoli změnu průběhu (Update). Každopádně, vhodnou volbou parametrů průměrování můžeme dosáhnout nejlepšího potlačení šumu ze všech tří zmiňovaných metod.

 

Šumět nebo nešumět?

 

Nyní, když jsme výraznou měrou dokázali vyřadit ze hry šumové pozadí osciloskopu, pokusíme se vylepšit přesnost a citlivost připojené proudové sondy. Přestože na trhu existuje celá řada různých druhů, jeví se nejlepší volbou právě zmíněná bezkontaktní (clamp-on) AC/DC zařízení. Jak je ale správně používat?

 

Popis proudové sondy N2780A / N2781A

 

Vyloučení vlivu magnetismu (Demagnetize / Degauss) a stejnosměrného offsetu

Chceme-li přesně měřit malé elektrické proudy, potřebujeme nutně potlačit zbytkový magnetismus proudové sondy demagnetizováním jejího jádra. Můžeme říci, že se jedná o určitou obdobu odstranění nežádoucího magnetického pole televizních obrazovek včetně CRT monitorů, kterým jsme tak ještě v dobách nedávno minulých běžně zlepšovali kvalitu obrazu, případně tak činíme až dodnes.

 

Demagnetizace včetně zrušení stejnosměrného offsetu patří k rutinním záležitostem při měření proudovou sondou

 

Další chybu během samotného měření vnáší napěťový offset, který bude přímo úměrný vyskytujícímu se zbytkovému magnetismu. Z tohoto důvodu je důležité demagnetizovat jádro při každém připojení sondy k velkým vstupním proudům nebo samotnému napájecímu napětí. Nežádoucí napěťový offset včetně teplotního driftu pak minimalizujeme nastavením „nuly“ (Zero Adjustment).

 

Zlepšení citlivosti sondy

Proudová sonda měří pole generované elektrickým proudem tekoucím ve vodiči. Výstupní napětí je pak úměrné velikosti měřeného proudu. Měříme-li stejnosměrné, příp. také nízkofrekvenční střídavé signály malé amplitudy, můžeme elegantním způsobem navýšit celkovou citlivost měření navinutím několika závitů aktivního vodiče pod proudem okolo sondy, přičemž velikost signálu se přímo znásobí počtem závitů.

 

Citlivost sondy navýšíme navinutím několika závitů vodiče, kterým protéká měřený proud

 

Pokud vyrobíme pět závitů a osciloskop naměří 25 mA, bude skutečný proud 5x menší, tj. 5 mA. V tomto případě jsme vylepšili citlivost proudové sondy pětinásobně.

 

5) Potlačení nežádoucích vazeb

Máme-li osciloskopickou sondu vyživovanou měřeným signálem, můžeme pro účely dalšího pokusu zkusit hýbat s přívodním kabelem od sondy k osciloskopu. Vodič přitom můžeme vzít přímo do ruky. Budeme-li následně pozorovat výraznější změny časového průběhu, pravděpodobně dojdeme k možnému závěru, že se projevy okolní energie navázaly přímo do našeho měřícího okruhu. Nic neobvyklého, ale co s tím?

 

Účinné a zároveň také obecně užívané řešení spočívá v použití obyčejného feritového jádra, které může zvýšit přesnost měření tím, že potlačí naindukované rušení. Jednoduchá úprava vytvořila změnu v impedančních poměrech sledovaného vodiče, přičemž prakticky neovlivnila užitečný signál. Kde ale jádro umístit?

 

První věc, která by mohla napadnout, směřuje na konec přívodu co nejblíže k osciloskopu. Pochopitelně, sonda tak ušetří na váze a navíc s ní půjde lépe manipulovat, což rozhodně není na škodu. Z hlediska potlačení rušení se však jedná o nejméně vhodný případ, který výrazně snižuje celkovou účinnost vysokofrekvenčního „čistícího“ procesu.

 

Použití feritového jádra na přívodním kabelu může zlepšit přesnost měření

 

Další řešení spočívá ve zkrácení délky zemního vodiče u jednoduchých sond typu single-ended. Nejlepších výsledků však stejně dosáhneme až zapojením rozdílové sondy. Přívodní kabel skutečně ovlivňuje měřený signál a vysoké kmitočty tento fakt pouze zvýrazňují. Neznalost zákonů neomlouvá, přičemž trestné body v tomto případě reprezentuje rozčarování z neopakovatelných výsledků a samotné kvality měření vůbec. 

 

Závěr:

Článek se zamýšlí nad efektivním využitím proudových sond, které musí překonávat nástrahy magnetického pole, napěťového offsetu a všudypřítomného šumového pozadí. Pozornost je také věnována umrtvování nežádoucích rušivých vazeb. 

Použitá literatura:

Download a odkazy:

 

Hodnocení článku: