Pomiary małych mocy oscyloskopem
Rosnące zapotrzebowanie rynku na produkty przenośne, mobilne, ekologiczne i które mogą pozostawać zasilane bateryjnie przez długi czas, napędza innowację nowych produktów. Kluczem jest niskie zużycie energii. Stale rosnąca potrzeba redukcji mocy zmusza zespoły inżynierów do opracowywania innowacyjnych metod i architektur. Kluczowym wymogiem dla napędzania innowacji o niskim poborze mocy jest możliwość pomiaru i scharakteryzowania zużycia energii przez urządzenie. Oscyloskopy zaprojektowane przy użyciu innowacyjnych technologii do rozwiązywania problemów związanych z pomiarami o małej mocy mogą znacznie zwiększyć zdolność inżyniera do uzyskania wglądu, zrozumienia, debugowania i scharakteryzowania tych projektów.
Ta nota aplikacyjna przedstawia kluczowe atrybuty pomiarów niskiego poboru mocy dla oscyloskopów, w tym funkcje oprogramowania i sondy. W przykładach wykorzysta oscyloskopy Infiniium z serii S firmy Keysight Technologies, i sondę prądową N2820A. Zasady zawarte w niniejszej nocie aplikacyjnej można zastosować do wszystkich oscyloskopów używanych do pomiarów małej mocy, rekomendujemy serie oscyloskopów MXR i EXR
Ograniczenia w pomiarach małej mocy
Istnieje wiele czynników wpływających na jakość pomiarów małej mocy. Niektóre wynikają z oscyloskopu, a inne z sondy. Podstawą pomiarów niskiego poboru mocy są sondy prądowe. Ponieważ moc = V * I, a napięcie w wielu zastosowaniach o niskim poborze mocy jest stabilne, pomiary prądu są dobrym wskaźnikiem zastępczym mocy. Historycznie rzecz biorąc, sondy prądowe były projektowane do pomiaru efektu Halla albo do zastosowania technologii transformatorowej, albo hybrydy między tymi dwiema metodami.. Pomiary małej mocy stanowią wyzwanie dla testów na kilka sposobów. Dwa największe wyzwania to zakres dynamiczny (na który wpływa szum) i czułość, jak pokazano na rysunku 1. Tradycyjne sondy prądowe mają ograniczony zakres dynamiczny, a całkowity zakres dynamiczny jest funkcją zarówno samej sondy, jak i oscyloskopu do którego jest ona podłączona. Przyjrzymy się bliżej każdemu z tych elementów i przedstawimy kilka najlepszych praktyk, które pomogą uzyskać możliwie najdokładniejszy pomiar prądu na urządzeniu o małej mocy.
Rysunek 1 Czułość pionowa jest kluczowym wyzwaniem przy pomiarach małej mocy. Skalowanie w celu zobaczenia mocy szczytowej i szumu.
Szum
Przyjrzyjmy się najpierw niektórym wyzwaniom związanym z niskim poborem mocy, związanym z oscyloskopem. Szum charakterystyczny dla oscyloskopu zmniejsza zdolność widzenia małych szczegółów sygnału. Przy wyższym skalowaniu pionowym oscyloskopy mają więcej szumów bezwzględnych. Przy niższych wartościach pełnego ekranu w pionie oscyloskopy mają niższy szum bezwzględny. Użytkownicy oscyloskopów nigdy nie będą w stanie zobaczyć szczegółów niższych niż szum oscyloskopu. Wartości szumów są zazwyczaj charakteryzowane i publikowane przez producentów oscyloskopów. Jednak podłączenie sondy prądowej do oscyloskopu spowoduje zwiększenie poziomu szumów. W przypadku oscyloskopów o wysokiej integralności sygnału, ogólny szum jest zwykle bardziej funkcją sondy niż samego oscyloskopu. Użytkownicy będą mogli zobaczyć sygnały, o ile wartości te przekraczają poziomy szumów oscyloskopu i podłączonych sond. Jeśli wartości szumów przekraczają najmniejszą rozdzielczość, szum będzie czynnikiem ograniczającym w pomiarach małej mocy. Techniki redukcji szumów zostaną omówione w dalszej części niniejszej noty aplikacyjnej.
Rysunek 2. Jeśli próbowałeś zrobić zoom na napięcie szyny zasilającej, aby zobaczyć dodatkowe szczegóły, prawdopodobnie wystąpiły problemy z szumem. Szum zakrywa szczegóły sygnału. Kluczem do sukcesu jest zmniejszenie ogólnego szumu systemu, aby wydobyć charakterystykę sygnału z szumu.
Rozdzielczość
Innym czynnikiem ograniczającym widzenie małych sygnałów prądowych jest rozdzielczość oscyloskopu. Rozdzielczość to najmniejsza wartość, jaką może zmierzyć oscyloskop dla określonego ustawienia pionowej skali. Bieżącą rozdzielczość pomiaru oblicza się, dzieląc bieżącą wartość pełnego ekranu przez liczbę poziomów kwantyzacji oferowanych przez oscyloskop. Oscyloskopy z 8-bitowymi przetwornikami ADC oferują 2^8 lub 256 poziomów kwantyzacji. Oscyloskopy z 10-bitowymi przetwornikami ADC oferują 2^10 lub 1024 poziomy kwantyzacji. Sygnał pokazany na rysunku 3 przedstawia urządzenie mobilne, które przechodzi z trybu oszczędzania energii do stanu wyższego poboru mocy, a następnie z powrotem do trybu uśpienia. Aby wychwycić sygnał, oscyloskop musi być wyskalowany, aby wychwycić najwyższy poziom mocy. W tym przykładzie pełną skalę ustawiono na wartość 200 mA / działkę lub pełną skalę 1,6 A.W przypadku oscyloskopu 8-bitowego rozdzielczość w tym przykładzie wynosi 1,6 A podzielone przez 2^8 (256 poziomów kwantyzacji) lub 6,25 mA. Użytkownik nie będzie mógł zobaczyć szczegółów mniejszych niż ta wartość, gdy wymagana jest widoczność w trybie oszczędzania energii. W oscyloskopie 10-bitowym, takim jak Infiniium S-Series, w tym przykładzie rozdzielczość będzie wynosić 1,6 A podzielone przez 2^10 (1024 poziomów kwantyzacji) lub 1,56 mA. Użytkownik uzyska rozdzielczość czterokrotnie większą niż oscyloskop 8-bitowy, ale nadal nie będzie w stanie zobaczyć sygnałów mniejszych niż 1,56 mA w tym przykładzie.
Rysunek 3. Urządzenie mobilne wymaga skalowania oscyloskopu pionowego 200 mA / dz lub pełnego ekranu 1,6 A, aby uchwycić tryby wysokiej mocy, jak również tryby niskiego poboru mocy. Rozdzielczość oscyloskopu w tym przykładzie wynosi 1,6 A podzielone przez liczbę poziomów kwantyzacji zapewnianych przez przetwornik ADC oscyloskopu
Wpływ skalowania pionowego na rozdzielczość
Oprócz poziomów kwantyzacji i rozdzielczości oscyloskopu, skalowanie pionowe samego oscyloskopu ma wpływ na rozdzielczość. Na przykład skalowanie przebiegu w celu objęcia całego sygnału na ekranie oscyloskopu. Jeśli sygnał jest skalowany tak, aby zajmował tylko 1/2 pionowego obrazu na oscyloskopie 8-bitowym, właśnie zmniejszyłeś liczbę używanych bitów ADC z 8 do 7 i zobaczysz zmniejszoną rozdzielczość. Jeśli przeskalujesz przebieg tak, aby zajmował pełną skalę pionową, użyjesz wszystkich 8 bitów ADC oscyloskopu. Aby uzyskać najlepszą rozdzielczość, inżynierowie muszą używać najbardziej czułego ustawienia skalowania pionowego, zachowując przebieg na wyświetlaczu. Połączenie ADC, architektury front-end oscyloskopu i zastosowanej sondy określa, jak nisko może schodzić oscyloskop obsługujący skalowanie pionowe. W pewnym momencie każda rodzina oscyloskopów ma wartość pionową, gdzie skalowanie poza ten punkt nie zmniejsza szumu bezwzględnego. Raczej szum będzie wyraźniejszy niż oczekiwano - nawet jeśli pokrętła oscyloskopu pozwalają użytkownikowi wybrać mniejsze ustawienie. Producenci często określają to jako punkt, w którym oscyloskop przechodzi do sztucznego powiększania. Zmniejszenie skali pionowej oscyloskopu po prostu powiększa wyświetlany sygnał i nie powoduje żadnej dodatkowej rozdzielczości. W przypadku sondy prądowej 1: 1 podłączonej do złącza 50 Ω większość tradycyjnych oscyloskopów wykorzystuje powiększenie programowe poniżej 10 mA / działkę. Aby zmaksymalizować rozdzielczość dla pomiarów przy niskim poborze mocy, sprawdź, jak czułe może być pionowe skalowanie Twojego oscyloskopu przed przejściem do powiększania programowego. Na przykład, dla napięcia na złączu 50 Ω, oscyloskopy Infiniium serii S obsługują sprzętowe skalowanie pionowe do 2 mV / działkę. Jest to 3 ½ razy bardziej czułe niż poprzednia generacja Infiniium serii 9000. Weźmy przykład czułości rozdzielczości przy użyciu sondy prądowej. Z sondą prądową N2820A podłączoną z rezystorem czujnikowym 100 mΩ, oscyloskop serii S może być wyskalowany do 1 mA / dz, wartość pełnego ekranu wyniesie 8 mA. Rozdzielczość będzie wartością równą 8 mA podzieloną przez 1024 poziomy kwantyzacji czyli 8 μA.
Rysunek 3 (a). Dostosowanie skalowania pionowego do bardziej czułego ustawienia zwiększa rozdzielczość. To samo dotyczy oscyloskopu, który ma więcej bitów ADC. W tym przykładzie oscyloskop z serii S zapewnia czterokrotnie większą rozdzielczość prądu niż jego 8-bitowy odpowiednik, gdy oba mają to samo pionowe skalowanie 80 mA
Sondy prądowe z czujnikiem rezystancyjnym
Nawet jeśli masz oscyloskop o dużej rozdzielczości, niskim poziomie szumów i dużej liczbie bitów w ADC, Twoja zdolność do oglądania i wykonywania sygnałów i pomiarów o małej mocy będzie utrudniona przez zakres dynamiczny i czułość twojej sondy prądowej. Aby złagodzić ograniczenia zakresu dynamicznego, dostawcy oscyloskopów stworzyli sondy prądowe o lepszych możliwościach zakresu dynamicznego. Podstawą tych sond jest mały rezystor umieszczony w jednej linii z szyną zasilającą. Sondy nie wymagają tworzenia pierścienia wokół przewodnika, jak konwencjonalne sondy prądowe. Istnieje kilka metod ich podłączenia. Kiedy sondy z rezystorem czujnikowym są umieszczone szeregowo z szynami zasilającymi, prąd przepływa przez bardzo mały rezystor w głowicy sondy. Mierzony jest spadek napięcia na rezystorze i na podstawie znajomości wartości rezystora można obliczyć wartości prądu i w sposób ciągły prezentować je na oscyloskopie. Technologia sondowania powoduje bardzo małą zmianę napięcia szyny zasilającej. Sondy prądowe z rezystorem pomiarowym mają dodatkową możliwość rozwiązywania problemów z ograniczeniami zakresu dynamicznego. Spadek napięcia na rezystorze czujnikowym daje możliwości których nie da sonda cęgowa.
Sondy z opornikiem pomiarowym często posiadają dwa różne obwody wzmacniające. Jeden obwód o niskim wzmocnieniu zapewnia konwencjonalny widok sygnału prądowego, prezentując cały sygnał oscyloskopowi. Drugi obwód zapewnia widok z większym wzmocnieniem określonego pionowego obszaru przebiegu. Pozwala to sondzie na dramatyczny wzrost zakresu dynamiki nawet do 20000: 1 i obserwacje prądów o wartości zaledwie 500 nA.
Aby dowiedzieć się więcej na temat tradycyjnych sondach prądowych w porównaniu z technologią rezystorów pomiarowych do wykonywania pomiarów o małej mocy, należy zapoznać się z notą aplikacyjną „Revolutionary Probing Technology in Current Probes to Make Low-Power Measure-ments”
Rysunek 4a Sonda prądowa z rezystorem pomiarowym N2820
Rysunek 4(b). Sondy są dostarczane z zdefiniowanymi głowicami sondy, które mają rezystory czujnikowe 20 mΩ i 100 mΩ. Sonda umożliwia użytkownikom jednoczesne oglądanie oddalonego widoku z widokiem przybliżonym aktywności przy niskim poborze mocy, jak pokazano na rysunku 4 (b).
Ograniczenie szumu
Nota aplikacyjna omawiała do tej pory wyzwania związane z wykonywaniem pomiarów mocy, gdy wartości sygnału są ukryte w szumie sondy / oscyloskopu. Sondy prądowe generalnie mają więcej szumów niż oscyloskop. Ocena zdolności Twojego oscyloskopu do redukcji ogólnego szumu jest krytyczna w przypadku pomiarów o małej mocy.
Ograniczanie szerokości pasma jest jednym ze sposobów redukcji niepożądanych szumów szerokopasmowych. Obecne sondy mają odpowiedzi częstotliwościowe, które ograniczają szerokość pasma. Na przykład sonda prądowa może mieć ograniczenie przepustowości wynoszące 3 MHz. Włączenie filtru analogowego 20 MHz w oscyloskopie nie spowoduje dalszego zmniejszenia ogólnej szerokości pasma, ale wyeliminuje dodatkowe szumy szerokopasmowe.
Jeśli sygnał jest okresowy włączenie uśredniania znacznie zmniejszy szum sygnałów o małej mocy. Uśrednianie to doskonała technika redukcji szumów, a im więcej średnich, tym większa redukcja szumów. Użytkownicy muszą pamiętać, że uśrednianie ma zastosowanie tylko do powtarzających się sygnałów i że chociaż uśrednianie wpływa na wyświetlanie przebiegi, nie zmniejsza szumu sygnału na ścieżce przetwarzania sygnału.
Jeśli Twój sygnał nie jest powtarzalny, tryb wysokiej rozdzielczości to kolejna technika, która może pomóc w redukcji szumów. Tryb wysokiej rozdzielczości łączy sąsiednie próbki i w celu redukcji szumów. Ta technika nadpróbkowania działa na sygnałach, które nie są powtarzalne lub można ją zastosować w połączeniu z uśrednianiem. Kompromisem związanym z włączeniem trybu wysokiej rozdzielczości jest ograniczenie ogólnego pasma, jeśli Twój oscyloskop nie jest zaprojektowany z nadmiernym stosunkiem próbkowania do pasma.
Sygnał oryginalny
Ten sam sygnał z pasmem ograniczonym do 20 MHz
Ten sam sygnał z dodatkowym uśrednianiem
Obliczenia mocy
Po podłączeniu do wejść oscyloskopu sondy prądowe zgłaszają wzmocnienie prądowe. Często napięcie z szyny zasilającej pozostaje na prawie stałym poziomie, dzięki temu z wykorzystaniem tylko sondy prądowej możemy całkiem dokładnie określić pobór mocy bez wykorzystania dodatkowej sondy prądowej. Przejścia między stanami niskiego i wyższego poboru mocy zazwyczaj skutkują zmianami wartości napięcia. Aby dokonać dokładniejszych pomiarów mocy, często pożądane jest jednoczesne podłączenie sond do pomiaru napięcia i prądu. Użytkownicy mogą następnie użyć funkcji matematycznych, pomnożyć wyniki, aby wyświetlić chwilowe lub skuteczne wartości mocy. Pomiary niskiego poboru mocy mogą mieć dodatkowe wymagania obliczeniowe, szczególnie podczas pomiaru zużycia energii w ustalonym okresie czasu lub w określonym trybie. Z tego powodu ważne jest, aby ocenić, jakie funkcje matematyczne i bramkowania są dostępne dla Twojego oscyloskopu. Użytkownik może potrzebować pomnożenia jakiejś stałej z prądem z kanału 1 i dodać tę wartość do drugiej stałej pomnożonej przez wyniki prądu z kanału 2. Może też chcieć pomnożyć prąd razy napięcie i zintegrować ten pomiar mocy w pewnym okresie czasu. Z tego powodu użytkownicy będą chcieli zobaczyć, jakie możliwości matematyczne są dostępne dla określonej rodziny oscyloskopów.
Rysunek 6. Gdy kanał 1 jest podłączony do sondy prądowej, a kanał 2 jest podłączony do sondy napięciowej, można użyć funkcji matematycznej do obliczenia mocy chwilowej lub skutecznej. Oscyloskopu Infiniium zapewniają właściwe jednostki i pokażą „waty” podczas wykonywania obliczeń mocy, jak pokazano powyżej
Rysunek 7. Oscyloskopy Infiniium oferują 16 niezależnych funkcji matematycznych. Funkcji całkowania można użyć do obliczenia całkowitej energii pod określonym przebiegiem mocy.
Bramkowanie
Bramkowanie to funkcja zapewniana przez oscyloskopy, która jest pomocna przy pomiarach o małej mocy. Użytkownicy mogą określić obszar bramkowany, a wyniki pomiarów można ustawić jako unikalne dla tego określonego obszaru poziomego. Wybierając oscyloskop do pomiarów małej mocy, dowiedz się, jakie są jego możliwości bramkowania. Ile bramek? Jak łatwo jest dokonać pomiarów w każdym zamkniętym obszarze? Oscyloskopy Infiniium z serii S oferują 16 niezależnych funkcji matematycznych. Każda funkcja może działać na kanale lub na innej funkcji. Dostępnych jest wiele operatorów matematycznych, w tym mnożenie, dodawanie, całkowanie, różniczkowanie i inne wymagane do obliczania mocy. Pomiary można wykonywać na kanałach lub na funkcjach matematycznych. Ułatwia to raportowanie wyników. Rysunek 9 przedstawia przykład pomiaru mocy USB. Wyniki pomiarów w tym przykładzie są podawane w watach dla mocy, kulombach dla ładunku i dżulach dla energii. Wszystkie wartości jednostkowe zostały obliczone automatycznie przez silnik analityczny oscyloskopu i informacje, które sondy zostały zidentyfikowane jako sondy prądowe, a które jako napięciowe.
Rysunek 8. Infiniium S-Series oferuje bramkowanie pomiarowe lub dowolny określony region, wykorzystując jedną z 16 dostępnych funkcji matematycznych jako bramkę. Pomiary i analizy mogą być wykonywane indywidualnie dla każdego obszaru bramkowanego. W powyższym przykładzie do pomarańczowego przebiegu zastosowano bramkę. Obszar z bramką jest zaznaczony na zielono
Rysunek 9. Infiniium S-Series firmy Keysight zapewnia obliczenia, bramkowanie i pomiary w celu raportowania pomiarów niskiego poboru mocy w odpowiednich jednostkach, takich jak waty, dżule i kulomby. Ten rysunek przedstawia pomiar mocy USB. Kanał 1 został podłączony do szyny zasilającej w celu pomiaru napięcia, podczas gdy kanał 2 zapewnia pomiar prądu. Wyniki pomiarów mocy, energii i ładunku ustalono unikalnie dla wyznaczonych obszarów.
Tryb Przewijania
Kolejną przydatną funkcją oscyloskopu do testowania niskich poborów mocy jest tryb przewijania. W tym trybie oscyloskop działa z dużo wolniejszym ustawieniem podstawy czasu. Aktualizacje pokazują przebiegi przesuwające się od prawej do lewej na wyświetlaczu. Dzięki temu użytkownicy mogą zobaczyć zmiany w dłuższym okresie w czasie rzeczywistym - często w ciągu kilkudziesięciu sekund. Na przykład podłączenie oscyloskopu w trybie przewijania do telefonu komórkowego będzie pokazywać ciągły stan niskiego poboru mocy z częstymi stanami wysokiego poboru pojawiającymi się okresowo np. gdy telefon dokonuje krótkotrwałej wymiany z pobliską stacją bazową. Tryb przewijania umożliwia inżynierom uzyskanie wysokiego poziomu podglądu aktywności mocy w czasie rzeczywistym. W dowolnym momencie, gdy zajdzie interesujące zdarzenie, użytkownik może nacisnąć stop na oscyloskopie, a na jego wyświetlaczu pojawi się czynność prowadząca do określonego zdarzenia.
Rysunek 10. Tryb przewijania zapewnia możliwość ciągłego przeglądania dużych ilości danych. Tryb ten może być szczególnie przydatny do oglądania zmian mocy w czasie rzeczywistym.
Podsumowanie
Jeśli opracowujesz technologie lub produkty o niskim poborze mocy, wybór oscyloskopu i sond prądowych znacząco wpłynie na Twoje możliwości testowania i analizowania. Kilka innowacji w oscyloskopach i technologii sond prądowych ma na celu lepsze testowanie projektów. Sondy prądowe N2820A i oscyloskopy Infiniium zapewniają możliwości niespotykane nigdzie indziej do pomiarów przy niskim poborze mocy. Obejmuje to 10-bitowy przetwornik ADC dla zwiększonej rozdzielczości, skalowanie pionowe do 2 mV / dz dla sond napięciowych 1: 1, aby lepiej widzieć szczegóły małych sygnałów, rezystor czujnikowy i obwody o dużym wzmocnieniu do pomiaru małych wartości prądu, zaawansowana matematyka, do 16 niezależnych regionów bramkowanych, pomiary zarówno przebiegów, jak i funkcji matematycznych, filtry ograniczające szerokość pasma oraz tryb wysokiej rozdzielczości i uśrednianie w celu redukcji szumów.
Ta nota aplikacyjna przedstawia kluczowe atrybuty pomiarów niskiego poboru mocy dla oscyloskopów, w tym funkcje oprogramowania i sondy. W przykładach wykorzysta oscyloskopy Infiniium z serii S firmy Keysight Technologies, i sondę prądową N2820A. Zasady zawarte w niniejszej nocie aplikacyjnej można zastosować do wszystkich oscyloskopów używanych do pomiarów małej mocy, rekomendujemy serie oscyloskopów MXR i EXR
Ograniczenia w pomiarach małej mocy
Istnieje wiele czynników wpływających na jakość pomiarów małej mocy. Niektóre wynikają z oscyloskopu, a inne z sondy. Podstawą pomiarów niskiego poboru mocy są sondy prądowe. Ponieważ moc = V * I, a napięcie w wielu zastosowaniach o niskim poborze mocy jest stabilne, pomiary prądu są dobrym wskaźnikiem zastępczym mocy. Historycznie rzecz biorąc, sondy prądowe były projektowane do pomiaru efektu Halla albo do zastosowania technologii transformatorowej, albo hybrydy między tymi dwiema metodami.. Pomiary małej mocy stanowią wyzwanie dla testów na kilka sposobów. Dwa największe wyzwania to zakres dynamiczny (na który wpływa szum) i czułość, jak pokazano na rysunku 1. Tradycyjne sondy prądowe mają ograniczony zakres dynamiczny, a całkowity zakres dynamiczny jest funkcją zarówno samej sondy, jak i oscyloskopu do którego jest ona podłączona. Przyjrzymy się bliżej każdemu z tych elementów i przedstawimy kilka najlepszych praktyk, które pomogą uzyskać możliwie najdokładniejszy pomiar prądu na urządzeniu o małej mocy.
Rysunek 1 Czułość pionowa jest kluczowym wyzwaniem przy pomiarach małej mocy. Skalowanie w celu zobaczenia mocy szczytowej i szumu.
Szum
Przyjrzyjmy się najpierw niektórym wyzwaniom związanym z niskim poborem mocy, związanym z oscyloskopem. Szum charakterystyczny dla oscyloskopu zmniejsza zdolność widzenia małych szczegółów sygnału. Przy wyższym skalowaniu pionowym oscyloskopy mają więcej szumów bezwzględnych. Przy niższych wartościach pełnego ekranu w pionie oscyloskopy mają niższy szum bezwzględny. Użytkownicy oscyloskopów nigdy nie będą w stanie zobaczyć szczegółów niższych niż szum oscyloskopu. Wartości szumów są zazwyczaj charakteryzowane i publikowane przez producentów oscyloskopów. Jednak podłączenie sondy prądowej do oscyloskopu spowoduje zwiększenie poziomu szumów. W przypadku oscyloskopów o wysokiej integralności sygnału, ogólny szum jest zwykle bardziej funkcją sondy niż samego oscyloskopu. Użytkownicy będą mogli zobaczyć sygnały, o ile wartości te przekraczają poziomy szumów oscyloskopu i podłączonych sond. Jeśli wartości szumów przekraczają najmniejszą rozdzielczość, szum będzie czynnikiem ograniczającym w pomiarach małej mocy. Techniki redukcji szumów zostaną omówione w dalszej części niniejszej noty aplikacyjnej.
Rysunek 2. Jeśli próbowałeś zrobić zoom na napięcie szyny zasilającej, aby zobaczyć dodatkowe szczegóły, prawdopodobnie wystąpiły problemy z szumem. Szum zakrywa szczegóły sygnału. Kluczem do sukcesu jest zmniejszenie ogólnego szumu systemu, aby wydobyć charakterystykę sygnału z szumu.
Rozdzielczość
Innym czynnikiem ograniczającym widzenie małych sygnałów prądowych jest rozdzielczość oscyloskopu. Rozdzielczość to najmniejsza wartość, jaką może zmierzyć oscyloskop dla określonego ustawienia pionowej skali. Bieżącą rozdzielczość pomiaru oblicza się, dzieląc bieżącą wartość pełnego ekranu przez liczbę poziomów kwantyzacji oferowanych przez oscyloskop. Oscyloskopy z 8-bitowymi przetwornikami ADC oferują 2^8 lub 256 poziomów kwantyzacji. Oscyloskopy z 10-bitowymi przetwornikami ADC oferują 2^10 lub 1024 poziomy kwantyzacji. Sygnał pokazany na rysunku 3 przedstawia urządzenie mobilne, które przechodzi z trybu oszczędzania energii do stanu wyższego poboru mocy, a następnie z powrotem do trybu uśpienia. Aby wychwycić sygnał, oscyloskop musi być wyskalowany, aby wychwycić najwyższy poziom mocy. W tym przykładzie pełną skalę ustawiono na wartość 200 mA / działkę lub pełną skalę 1,6 A.W przypadku oscyloskopu 8-bitowego rozdzielczość w tym przykładzie wynosi 1,6 A podzielone przez 2^8 (256 poziomów kwantyzacji) lub 6,25 mA. Użytkownik nie będzie mógł zobaczyć szczegółów mniejszych niż ta wartość, gdy wymagana jest widoczność w trybie oszczędzania energii. W oscyloskopie 10-bitowym, takim jak Infiniium S-Series, w tym przykładzie rozdzielczość będzie wynosić 1,6 A podzielone przez 2^10 (1024 poziomów kwantyzacji) lub 1,56 mA. Użytkownik uzyska rozdzielczość czterokrotnie większą niż oscyloskop 8-bitowy, ale nadal nie będzie w stanie zobaczyć sygnałów mniejszych niż 1,56 mA w tym przykładzie.
Rysunek 3. Urządzenie mobilne wymaga skalowania oscyloskopu pionowego 200 mA / dz lub pełnego ekranu 1,6 A, aby uchwycić tryby wysokiej mocy, jak również tryby niskiego poboru mocy. Rozdzielczość oscyloskopu w tym przykładzie wynosi 1,6 A podzielone przez liczbę poziomów kwantyzacji zapewnianych przez przetwornik ADC oscyloskopu
Wpływ skalowania pionowego na rozdzielczość
Oprócz poziomów kwantyzacji i rozdzielczości oscyloskopu, skalowanie pionowe samego oscyloskopu ma wpływ na rozdzielczość. Na przykład skalowanie przebiegu w celu objęcia całego sygnału na ekranie oscyloskopu. Jeśli sygnał jest skalowany tak, aby zajmował tylko 1/2 pionowego obrazu na oscyloskopie 8-bitowym, właśnie zmniejszyłeś liczbę używanych bitów ADC z 8 do 7 i zobaczysz zmniejszoną rozdzielczość. Jeśli przeskalujesz przebieg tak, aby zajmował pełną skalę pionową, użyjesz wszystkich 8 bitów ADC oscyloskopu. Aby uzyskać najlepszą rozdzielczość, inżynierowie muszą używać najbardziej czułego ustawienia skalowania pionowego, zachowując przebieg na wyświetlaczu. Połączenie ADC, architektury front-end oscyloskopu i zastosowanej sondy określa, jak nisko może schodzić oscyloskop obsługujący skalowanie pionowe. W pewnym momencie każda rodzina oscyloskopów ma wartość pionową, gdzie skalowanie poza ten punkt nie zmniejsza szumu bezwzględnego. Raczej szum będzie wyraźniejszy niż oczekiwano - nawet jeśli pokrętła oscyloskopu pozwalają użytkownikowi wybrać mniejsze ustawienie. Producenci często określają to jako punkt, w którym oscyloskop przechodzi do sztucznego powiększania. Zmniejszenie skali pionowej oscyloskopu po prostu powiększa wyświetlany sygnał i nie powoduje żadnej dodatkowej rozdzielczości. W przypadku sondy prądowej 1: 1 podłączonej do złącza 50 Ω większość tradycyjnych oscyloskopów wykorzystuje powiększenie programowe poniżej 10 mA / działkę. Aby zmaksymalizować rozdzielczość dla pomiarów przy niskim poborze mocy, sprawdź, jak czułe może być pionowe skalowanie Twojego oscyloskopu przed przejściem do powiększania programowego. Na przykład, dla napięcia na złączu 50 Ω, oscyloskopy Infiniium serii S obsługują sprzętowe skalowanie pionowe do 2 mV / działkę. Jest to 3 ½ razy bardziej czułe niż poprzednia generacja Infiniium serii 9000. Weźmy przykład czułości rozdzielczości przy użyciu sondy prądowej. Z sondą prądową N2820A podłączoną z rezystorem czujnikowym 100 mΩ, oscyloskop serii S może być wyskalowany do 1 mA / dz, wartość pełnego ekranu wyniesie 8 mA. Rozdzielczość będzie wartością równą 8 mA podzieloną przez 1024 poziomy kwantyzacji czyli 8 μA.
Rysunek 3 (a). Dostosowanie skalowania pionowego do bardziej czułego ustawienia zwiększa rozdzielczość. To samo dotyczy oscyloskopu, który ma więcej bitów ADC. W tym przykładzie oscyloskop z serii S zapewnia czterokrotnie większą rozdzielczość prądu niż jego 8-bitowy odpowiednik, gdy oba mają to samo pionowe skalowanie 80 mA
Sondy prądowe z czujnikiem rezystancyjnym
Nawet jeśli masz oscyloskop o dużej rozdzielczości, niskim poziomie szumów i dużej liczbie bitów w ADC, Twoja zdolność do oglądania i wykonywania sygnałów i pomiarów o małej mocy będzie utrudniona przez zakres dynamiczny i czułość twojej sondy prądowej. Aby złagodzić ograniczenia zakresu dynamicznego, dostawcy oscyloskopów stworzyli sondy prądowe o lepszych możliwościach zakresu dynamicznego. Podstawą tych sond jest mały rezystor umieszczony w jednej linii z szyną zasilającą. Sondy nie wymagają tworzenia pierścienia wokół przewodnika, jak konwencjonalne sondy prądowe. Istnieje kilka metod ich podłączenia. Kiedy sondy z rezystorem czujnikowym są umieszczone szeregowo z szynami zasilającymi, prąd przepływa przez bardzo mały rezystor w głowicy sondy. Mierzony jest spadek napięcia na rezystorze i na podstawie znajomości wartości rezystora można obliczyć wartości prądu i w sposób ciągły prezentować je na oscyloskopie. Technologia sondowania powoduje bardzo małą zmianę napięcia szyny zasilającej. Sondy prądowe z rezystorem pomiarowym mają dodatkową możliwość rozwiązywania problemów z ograniczeniami zakresu dynamicznego. Spadek napięcia na rezystorze czujnikowym daje możliwości których nie da sonda cęgowa.
Sondy z opornikiem pomiarowym często posiadają dwa różne obwody wzmacniające. Jeden obwód o niskim wzmocnieniu zapewnia konwencjonalny widok sygnału prądowego, prezentując cały sygnał oscyloskopowi. Drugi obwód zapewnia widok z większym wzmocnieniem określonego pionowego obszaru przebiegu. Pozwala to sondzie na dramatyczny wzrost zakresu dynamiki nawet do 20000: 1 i obserwacje prądów o wartości zaledwie 500 nA.
Aby dowiedzieć się więcej na temat tradycyjnych sondach prądowych w porównaniu z technologią rezystorów pomiarowych do wykonywania pomiarów o małej mocy, należy zapoznać się z notą aplikacyjną „Revolutionary Probing Technology in Current Probes to Make Low-Power Measure-ments”
Rysunek 4a Sonda prądowa z rezystorem pomiarowym N2820
Rysunek 4(b). Sondy są dostarczane z zdefiniowanymi głowicami sondy, które mają rezystory czujnikowe 20 mΩ i 100 mΩ. Sonda umożliwia użytkownikom jednoczesne oglądanie oddalonego widoku z widokiem przybliżonym aktywności przy niskim poborze mocy, jak pokazano na rysunku 4 (b).
Ograniczenie szumu
Nota aplikacyjna omawiała do tej pory wyzwania związane z wykonywaniem pomiarów mocy, gdy wartości sygnału są ukryte w szumie sondy / oscyloskopu. Sondy prądowe generalnie mają więcej szumów niż oscyloskop. Ocena zdolności Twojego oscyloskopu do redukcji ogólnego szumu jest krytyczna w przypadku pomiarów o małej mocy.
Ograniczanie szerokości pasma jest jednym ze sposobów redukcji niepożądanych szumów szerokopasmowych. Obecne sondy mają odpowiedzi częstotliwościowe, które ograniczają szerokość pasma. Na przykład sonda prądowa może mieć ograniczenie przepustowości wynoszące 3 MHz. Włączenie filtru analogowego 20 MHz w oscyloskopie nie spowoduje dalszego zmniejszenia ogólnej szerokości pasma, ale wyeliminuje dodatkowe szumy szerokopasmowe.
Jeśli sygnał jest okresowy włączenie uśredniania znacznie zmniejszy szum sygnałów o małej mocy. Uśrednianie to doskonała technika redukcji szumów, a im więcej średnich, tym większa redukcja szumów. Użytkownicy muszą pamiętać, że uśrednianie ma zastosowanie tylko do powtarzających się sygnałów i że chociaż uśrednianie wpływa na wyświetlanie przebiegi, nie zmniejsza szumu sygnału na ścieżce przetwarzania sygnału.
Jeśli Twój sygnał nie jest powtarzalny, tryb wysokiej rozdzielczości to kolejna technika, która może pomóc w redukcji szumów. Tryb wysokiej rozdzielczości łączy sąsiednie próbki i w celu redukcji szumów. Ta technika nadpróbkowania działa na sygnałach, które nie są powtarzalne lub można ją zastosować w połączeniu z uśrednianiem. Kompromisem związanym z włączeniem trybu wysokiej rozdzielczości jest ograniczenie ogólnego pasma, jeśli Twój oscyloskop nie jest zaprojektowany z nadmiernym stosunkiem próbkowania do pasma.
Sygnał oryginalny
Ten sam sygnał z pasmem ograniczonym do 20 MHz
Ten sam sygnał z dodatkowym uśrednianiem
Obliczenia mocy
Po podłączeniu do wejść oscyloskopu sondy prądowe zgłaszają wzmocnienie prądowe. Często napięcie z szyny zasilającej pozostaje na prawie stałym poziomie, dzięki temu z wykorzystaniem tylko sondy prądowej możemy całkiem dokładnie określić pobór mocy bez wykorzystania dodatkowej sondy prądowej. Przejścia między stanami niskiego i wyższego poboru mocy zazwyczaj skutkują zmianami wartości napięcia. Aby dokonać dokładniejszych pomiarów mocy, często pożądane jest jednoczesne podłączenie sond do pomiaru napięcia i prądu. Użytkownicy mogą następnie użyć funkcji matematycznych, pomnożyć wyniki, aby wyświetlić chwilowe lub skuteczne wartości mocy. Pomiary niskiego poboru mocy mogą mieć dodatkowe wymagania obliczeniowe, szczególnie podczas pomiaru zużycia energii w ustalonym okresie czasu lub w określonym trybie. Z tego powodu ważne jest, aby ocenić, jakie funkcje matematyczne i bramkowania są dostępne dla Twojego oscyloskopu. Użytkownik może potrzebować pomnożenia jakiejś stałej z prądem z kanału 1 i dodać tę wartość do drugiej stałej pomnożonej przez wyniki prądu z kanału 2. Może też chcieć pomnożyć prąd razy napięcie i zintegrować ten pomiar mocy w pewnym okresie czasu. Z tego powodu użytkownicy będą chcieli zobaczyć, jakie możliwości matematyczne są dostępne dla określonej rodziny oscyloskopów.
Rysunek 6. Gdy kanał 1 jest podłączony do sondy prądowej, a kanał 2 jest podłączony do sondy napięciowej, można użyć funkcji matematycznej do obliczenia mocy chwilowej lub skutecznej. Oscyloskopu Infiniium zapewniają właściwe jednostki i pokażą „waty” podczas wykonywania obliczeń mocy, jak pokazano powyżej
Rysunek 7. Oscyloskopy Infiniium oferują 16 niezależnych funkcji matematycznych. Funkcji całkowania można użyć do obliczenia całkowitej energii pod określonym przebiegiem mocy.
Bramkowanie
Bramkowanie to funkcja zapewniana przez oscyloskopy, która jest pomocna przy pomiarach o małej mocy. Użytkownicy mogą określić obszar bramkowany, a wyniki pomiarów można ustawić jako unikalne dla tego określonego obszaru poziomego. Wybierając oscyloskop do pomiarów małej mocy, dowiedz się, jakie są jego możliwości bramkowania. Ile bramek? Jak łatwo jest dokonać pomiarów w każdym zamkniętym obszarze? Oscyloskopy Infiniium z serii S oferują 16 niezależnych funkcji matematycznych. Każda funkcja może działać na kanale lub na innej funkcji. Dostępnych jest wiele operatorów matematycznych, w tym mnożenie, dodawanie, całkowanie, różniczkowanie i inne wymagane do obliczania mocy. Pomiary można wykonywać na kanałach lub na funkcjach matematycznych. Ułatwia to raportowanie wyników. Rysunek 9 przedstawia przykład pomiaru mocy USB. Wyniki pomiarów w tym przykładzie są podawane w watach dla mocy, kulombach dla ładunku i dżulach dla energii. Wszystkie wartości jednostkowe zostały obliczone automatycznie przez silnik analityczny oscyloskopu i informacje, które sondy zostały zidentyfikowane jako sondy prądowe, a które jako napięciowe.
Rysunek 8. Infiniium S-Series oferuje bramkowanie pomiarowe lub dowolny określony region, wykorzystując jedną z 16 dostępnych funkcji matematycznych jako bramkę. Pomiary i analizy mogą być wykonywane indywidualnie dla każdego obszaru bramkowanego. W powyższym przykładzie do pomarańczowego przebiegu zastosowano bramkę. Obszar z bramką jest zaznaczony na zielono
Rysunek 9. Infiniium S-Series firmy Keysight zapewnia obliczenia, bramkowanie i pomiary w celu raportowania pomiarów niskiego poboru mocy w odpowiednich jednostkach, takich jak waty, dżule i kulomby. Ten rysunek przedstawia pomiar mocy USB. Kanał 1 został podłączony do szyny zasilającej w celu pomiaru napięcia, podczas gdy kanał 2 zapewnia pomiar prądu. Wyniki pomiarów mocy, energii i ładunku ustalono unikalnie dla wyznaczonych obszarów.
Tryb Przewijania
Kolejną przydatną funkcją oscyloskopu do testowania niskich poborów mocy jest tryb przewijania. W tym trybie oscyloskop działa z dużo wolniejszym ustawieniem podstawy czasu. Aktualizacje pokazują przebiegi przesuwające się od prawej do lewej na wyświetlaczu. Dzięki temu użytkownicy mogą zobaczyć zmiany w dłuższym okresie w czasie rzeczywistym - często w ciągu kilkudziesięciu sekund. Na przykład podłączenie oscyloskopu w trybie przewijania do telefonu komórkowego będzie pokazywać ciągły stan niskiego poboru mocy z częstymi stanami wysokiego poboru pojawiającymi się okresowo np. gdy telefon dokonuje krótkotrwałej wymiany z pobliską stacją bazową. Tryb przewijania umożliwia inżynierom uzyskanie wysokiego poziomu podglądu aktywności mocy w czasie rzeczywistym. W dowolnym momencie, gdy zajdzie interesujące zdarzenie, użytkownik może nacisnąć stop na oscyloskopie, a na jego wyświetlaczu pojawi się czynność prowadząca do określonego zdarzenia.
Rysunek 10. Tryb przewijania zapewnia możliwość ciągłego przeglądania dużych ilości danych. Tryb ten może być szczególnie przydatny do oglądania zmian mocy w czasie rzeczywistym.
Podsumowanie
Jeśli opracowujesz technologie lub produkty o niskim poborze mocy, wybór oscyloskopu i sond prądowych znacząco wpłynie na Twoje możliwości testowania i analizowania. Kilka innowacji w oscyloskopach i technologii sond prądowych ma na celu lepsze testowanie projektów. Sondy prądowe N2820A i oscyloskopy Infiniium zapewniają możliwości niespotykane nigdzie indziej do pomiarów przy niskim poborze mocy. Obejmuje to 10-bitowy przetwornik ADC dla zwiększonej rozdzielczości, skalowanie pionowe do 2 mV / dz dla sond napięciowych 1: 1, aby lepiej widzieć szczegóły małych sygnałów, rezystor czujnikowy i obwody o dużym wzmocnieniu do pomiaru małych wartości prądu, zaawansowana matematyka, do 16 niezależnych regionów bramkowanych, pomiary zarówno przebiegów, jak i funkcji matematycznych, filtry ograniczające szerokość pasma oraz tryb wysokiej rozdzielczości i uśrednianie w celu redukcji szumów.
