Создание генератора с очень крутыми фронтами (или измерение пульса вашего осциллографа)

Недавно я приобрел новый осциллограф для домашнего использования. Это осциллограф с полосой 250 МГц, но мне было любопытно, какова фактическая частота среза по уровню –3 дБ, поскольку у большинства осциллографов она немного больше верхнего предела, указанного в документации. Имеющиеся у меня генераторы сигналов либо не дотягивали до этих частот, либо их амплитуды на этих частотах вызывали сомнения. Это означало, что у меня не было возможности подать синусоиду и повышать ее частоту до тех пор, пока амплитуда не упадет на 3 дБ, чтобы найти истинную полосу пропускания. Значит, мне нужен был другой способ определения полосы пропускания.

Возможно, вам знакомо использование импульсов с быстрым нарастанием для измерения полосы пропускания осциллографа. (Как это взаимосвязано, можно прочитать в [1]). Суть в том, что вы посылаете в осциллограф импульс с крутым нарастающим и/или спадающим фронтом и измеряете время нарастания или спада на самой высокой доступной скорости развертки. Затем можно рассчитать полосу пропускания осциллографа с помощью формулы (1):

(1)

Примечание. Существует много дискуссий по поводу использования в формуле числа 0.35. Некоторые утверждают, что оно должно быть 0.45 или даже 0.40. На самом деле все сводится к реализации антиалайзингового фильтра перед АЦП в осциллографе. Если это простой однополюсный фильтр, число должно быть 0.35. В более новых и более дорогих осциллографах может использоваться фильтр с более резким спадом, и указывается, что это значение равно 0.45. Поскольку мой новый осциллограф не относится к числу дорогих приборов лабораторного уровня, я предполагаю, что фильтр однополюсный, и правильное число – 0.35.

Хорошо, теперь мне нужно было найти генератор прямоугольных импульсов с крутыми фронтами. Если предположить, что мой осциллограф имеет полосу пропускания 300 МГц, то он способен показывать время нарастания около

(2)

Время нарастания, фактически наблюдаемое на экране, будет больше максимального, поскольку наблюдаемое время нарастания представляет собой комбинацию максимального времени нарастания осциллографа и времени нарастания генератора импульсов. Фактически, эта связь основана на формуле «корень из суммы квадратов» (3), показанной ниже:

(3)

где

R_V – время нарастания, наблюдаемое на осциллографе,
R_P – время нарастания генератора импульсов,
R_M – минимальное время нарастания осциллографа, ограниченное его полосой пропускания.

Если время R_P намного меньше, чем R_M, то мы можем игнорировать его, поскольку оно мало что добавит к R_V. Например, золотым стандартом для подобных испытаний является 40-пикосекундный генератор импульсов компании Leo Bodnar Electronics. Если бы мы использовали его, формула показала бы следующее ожидаемое время нарастания осциллографа:

(4)

Как видите, в данном случае время нарастания генератора импульсов вносит незначительный вклад во время нарастания, наблюдаемое на экране.

Но как бы ни был хорош генератор Bondar, мне не хотелось тратить столько денег на устройство, которое я буду использовать всего несколько раз. Все, что мне было нужно, – это простой генератор импульсов с разумной скоростью нарастания – что-то в диапазоне 500 пс или лучше.

Я изучил доступные мне генераторы, но самое быстрое время нарастания составляло около 3 нс, что было бы слишком много, поэтому я решил сделать импульсный генератор самостоятельно. Существует несколько конструкций генераторов быстрых импульсов, в некоторых из которых используются дискретные компоненты, а в некоторых – микросхемы с триггерами Шмитта, но они не совсем соответствовали тому, что я хотел. То, что я в итоге разработал, основано на микросхеме LTC6905-80 компании Analog Devices. В техническом описании указано, что она может выдавать импульсы с временем нарастания 500 пс – подробнее об этом позже. Но достаточно ли быстро 500 пс? Давайте изучим этот вопрос.

Что произойдет, если мы используем импульс с временем нарастания в диапазоне 500 пс? Тогда

(5)

Даже если в окончательном варианте удастся достичь времени нарастания 500 пс, эта величина будет слишком велика, чтобы ею пренебрегать, поскольку она может привести к ошибке в пределах 10%. Но если бы мы предположили, чему равно время R_P (или, еще лучше, предварительно измерили его), мы могли бы удалить его постфактум.

Как уже говорилось ранее, время нарастания, которое будет видно на экране осциллографа, рассчитывается по формуле (1). Манипулируя этим, мы можем увидеть, что максимальное время нарастания равно

(6)

Таким образом, если мы сможем определить время нарастания генератора, мы сможем вычесть его. В этом случае «определение» может быть достаточно точным предположением, моделированием в LTspice или измерением на каком-то другом оборудовании. Обоснованное предположение таково: на основании технического описания LTC6905 я смогу получить в схеме время нарастания порядка 500 пс. Вариант с LTspice не сработал, поскольку я не смог получить разумное число в результате моделирования – возможно, это субъективная ошибка. Однако мне повезло, и я ненадолго получил доступ к осциллографу очень высокого класса. Результатами я поделюсь позже в статье. Но давайте начнем с рассмотрения конструкции. Сначала схема, показанная на Рисунке 1.

Первое, что вы можете заметить, это то, что она очень проста: микросхема, конденсатор, резистор и разъем BNC. Микросхема LTC6905 генерирует прямоугольные импульсы фиксированной частоты и фиксированного коэффициента заполнения 50%. Версия микросхемы, которую я использовал, в зависимости от состояния вывода 4 (DIV) выдает на выходе 80, 40 или 20 МГц. В данной схеме этот вывод заземлен, что задает выходную частоту 20 МГц. Резистор сопротивлением 33 Ом вместе с внутренним выходным сопротивлением микросхемы 17 Ом образует сопротивление 50 Ом, соответствующее импедансу разъема BNC. Согласование импедансов уменьшает любые выбросы или звон на фронтах выходных импульсов. При использовании генератора с 50-омным входом осциллографа пиковый выходной ток составит 50 мА, а средний – примерно 25 мА. Казалось, что для микросхемы это много, но в техническом описании LTC6905 указано, что ее выход может быть закорочен бесконечно долго. Я также проверил температуру микросхемы с помощью тепловизора, и она была минимальной.

Я также попробовал несколько вариантов схемы с использованием различных номиналов резисторов, а некоторые – с комбинацией резисторов и конденсаторов, включенных последовательно между выводом 5 и разъемом BNC. Идея заключалась в том, чтобы уменьшить емкость со стороны выхода микросхемы. Осциллограф имеет входной импеданс порядка 15 пФ (параллельно с сопротивлением 1 МОм), и добавление последовательного конденсатора может уменьшить его. Импульсы действительно были быстрее, но со значительными выбросами.

Рисунок 1.	Схема генератора прямоугольных импульсов на основе микросхемы LTC6905, конденсатора, резистора и разъема BNC.

Итак, на Рисунке 1 представлена конструкция, которую я воплотил в жизнь. Единственное, что к этому нужно добавить – разъем BNC, корпус (с 4 винтами) и USB-кабель для питания устройства. Простота конструкции и то, что микросхема выполнена в миниатюрном корпусе SOT-23, позволяют создать очень компактное устройство, показанное на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Основанный на схеме на Рисунке 1 прототип Tiny Pulser с корпусом, напечатанным на 3D-принтере, имеет размер примерно с кубик сахара.

Рисунок 3.	Печатная плата Tiny Pulser в корпусе, где видны разъем BNC, микросхема и пассивные компоненты, использованные в схеме на Рисунке 1.

Напечатанный на 3D-принтере корпус имеет размер примерно с кубик сахара, поэтому я назвал устройство «Tiny Pulser» (Крошечный генератор). На Рисунке 3 показана печатная плата в корпусе, а на Рисунке 4 – собранная печатная плата.

Печатная плата представляет собой адаптер 6-выводного корпуса SOT-23, доступный у различных продавцов. Как можно видеть на Рисунке 4, к плате нужно припаять всего несколько предметов, включая перемычку. К ней присоединены три провода, включая +5 В и землю от кабеля USB. Другой земляной провод нужно припаять к корпусу BNC. Для этого мне пришлось достать старый 100-ваттный паяльный пистолет Radio Shack, чтобы добиться достаточного нагрева хвостовика BNC. Помогло также царапанье поверхности. Затем печатная плата прикрепляется к разъему BNC путем припаивания выходной площадки печатной платы (обратная сторона) к хвостовику BNC.

Рисунок 4.	Для монтажа Tiny Pulser на печатной плате адаптера 6-выводного корпуса SOT-23 требуется всего несколько паек.

Как же это работает? Наилучшие характеристики достигаются при использовании 50-омного входа осциллографа и измерении времени спада, который был немного быстрее, чем нарастание. На Рисунке 5 мы видим последовательность импульсов частотой 20 МГц, а снимок экрана на Рисунке 6 показывает время спада 1.34 нс.

Рисунок 5.	Последовательность импульсов Tiny Pulser частотой 20 при использовании 50-омного входа осциллографа.

Можно видеть, что последовательность импульсов довольно чистая, с небольшими выбросами. Обратите внимание, что время спада 1.34 нс представляет собой комбинацию времени спада осциллографа и времени спада Tiny Pulser. Теперь нужно выяснить фактическое время спада Tiny Pulser.

Рисунок 6.	Измерение времени спада (1.34 нс) схемы Tiny Pulser, выполненное на 50-омном входе осциллографа.

Как я уже сказал, для измерения времени нарастания и спада у меня появилась возможность использовать мощный осциллограф (2.5 ГГц, 20 Гвыб/с). Результаты показаны на Рисунке 7 (простите за плохое изображение).

Рисунок 7.	Фотография экрана профессионального осциллографа (2.5 ГГц, 20 Гвыб/с) при измерении времени нарастания и спада Tiny Pulser.

Вы видите, что Tiny Pulser выдает очень чистый импульс с временем нарастания 510 пс и временем спада 395 пс. Теперь у нас есть вся информация, необходимая для расчета полосы пропускания. (Выведенные нами формулы применимы как к времени спада, так и к времени нарастания, поэтому мы не будем менять имена переменных). Используя измеренное время спада осциллографа и время спада Tiny Pulser, равное 395 пс, мы по формуле (6) рассчитаем полосу пропускания осциллографа, вычислив сначала максимальное время спада осциллографа:

(7)

А теперь используем это, чтобы рассчитать полосу пропускания с помощью формулы (1):

(8)

Интуиция подсказывает, что это разумное число для осциллографа, продаваемого как модель с полосой 250 МГц.

Я протестировал другой имеющийся у меня осциллограф с номинальной полосой 200 МГц. Он показал время спада 1.51 нс, что соответствует полосе 240 МГц. Это число с точностью до нескольких процентов совпадает с другими числами, найденными мною в Интернете. Похоже, что Tiny Pulser хорошо подходит для измерения полосы пропускания осциллографа!

Еще одно применение быстрого импульса

Более известное применение быстронарастающих импульсов, вероятно, связано с импульсным рефлектометром. Рефлектометр используется для измерения длины, расстояния до места повреждения или расстояния до места изменения импеданса кабеля. Чтобы сделать это с помощью Tiny Pulser, добавьте к осциллографу тройниковый переходник BNC и подключите проверяемый кабель (коаксиальный, двухжильный, витую пару, и т. д.) к одной стороне тройника. (При необходимости используйте переходник с BNC на разъем типа «банан»). Не закорачивайте конец провода. Затем подключите Tiny Pulser к другой стороне тройника, как показано на Рисунке 8.

Рисунок 8.	Рефлектометрическая установка, использующая Tiny Pulser с тройниковым переходником BNC для подключения схемы (например, через коаксиальный кабель, витую пару и т. д.).

Теперь подайте питание на Tiny Pulser и установите скорость развертки, равной примерно 10 нс/дел, чтобы увидеть что-то похожее на верхнюю часть экрана на Рисунке 9. Я обнаружил, что для провода, который я тестировал, лучше подходит высокоомный вход осциллографа, а не 50-омный. Это может зависеть от провода, который вы тестируете. Можно видеть, что прямоугольные импульсы искажены из-за отражений сигнала от конца провода. Если в осциллографе есть функция математической обработки для отображения производной (или дифференциала) кривой, происходящее будет представлено яснее. Это можно увидеть на нижней осциллограмме на Рисунке 9, когда я подключил 135-сантиметровый кусок витой пары диаметром 0.5 мм.

Рисунок 9.	Использование высокоимпедансного входа осциллографа в рефлектометрическом тесте 135-сантиметрового отрезка провода диаметром 0.5 мм. Функция математической обработки отображает производную кривой, позволяя видеть результаты более ясно.

Чтобы определить время отражения, измерьте расстояние от начала нарастания (или спада) импульса до искаженной части импульса, где он снова начинает нарастать (или спадать). Или, если вы используете математическую дифференциальную функцию, измерьте время от высокого выступа до меньшего – я считаю, что это гораздо легче увидеть.

На Рисунке 9 задний фронт импульса отмечен курсором AX, а отраженный импульс – курсором BX. Справа мы видим, что время между этими импульсами составляет 13.2 нс.

Теперь можно рассчитать длину кабеля или расстояние до места изменения импеданса, но сначала нам нужна скорость волнового фронта в проводе. Для этого потребуется коэффициент укорочения тестируемого кабеля. Для получения скорости волнового фронта значение этого коэффициента умножается на скорость света. Коэффициент укорочения для некоторых кабелей можно найти в (2).

В случае Рисунка 9 коэффициент укорочения равен 0.707. Умножив это на скорость света в сантиметрах, мы получим 21.18 см/нс. Тогда умножение 13.2 нс на 21.18 см/нс дает 280 сантиметров. Но это время прохождения импульса по проводу в прямом и обратном направлениях, поэтому мы делим расстояние на 2 и получаем 140 сантиметров. Также несколько сантиметров приходятся на разъем, поэтому ответ очень близок к 135 сантиметрам провода.

Обратите внимание, что, поскольку частота импульсов Tiny Pulser составляет 20 МГц, мы ограничены идентификацией отражений примерно до 22 нс, после чего импульсы отражения будут смешиваться со следующим генерируемым импульсом. Это примерно 230 сантиметров кабеля.

Последняя хитрость

Интересным применением рефлектометра является определение импеданса кабеля. Для этого добавьте потенциометр на конец кабеля и регулируйте его до тех пор, пока отражения рефлектометра не исчезнут, и прямоугольные импульсы не будут выглядеть относительно восстановленными. Затем измерьте сопротивление потенциометра – это и будет импеданс кабеля.

Ссылки

1. Back to Basics: Bandwidth and Rise Time
2. Коэффициент укорочения

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices LTC6905