Szerokopasmowy analizator małych prądów – Keysight CX3324A
Współcześni himalaiści, którzy dzisiaj nie mogą już cieszyć się tytułami pierwszych zdobywców szczytów (bo wszystkie zostały już wielokrotnie zdobyte) szukają nowych wyzwań. Są nimi nowe, dziewicze trasy podejść, czy nie spotykane wcześniej terminy wypraw (np. zimowe). Można w tym znaleźć pewną analogię do producentów aparatury pomiarowej, którzy nie są zainteresowani biciem rekordów „o milimetr”, a dowodów potwierdzania swojej klasy szukają w oferowaniu nowych, nie spotykanych wcześniej rozwiązań. Powstają więc przyrządy o innowacyjnych cechach i funkcjach pomiarowych. Keysight Technologies, firma którą z pewnością można zaliczyć do liderów branży elektroniki pomiarowej wpadła na taki właśnie pomysł. Jej konstruktorzy opracowali przyrząd, którego dokładnego odpowiednika raczej trudno szukać w ofertach innych producentów. Jest to precyzyjny analizator małych prądów wykonujący pomiary w szerokim paśmie częstotliwości. Jak zwykle w podobnych przypadkach powstała rodzina składająca się na dzień dzisiejszy z dwóch modeli: CX3322A i CX3324A. Konstrukcja jest oparta na specjalizowanym oscyloskopie 2- lub 4-kanałowym dostosowanym do współpracy z dedykowanymi czujnikami prądowymi. Oba modele charakteryzują się maksymalną szybkością próbkowania równą 1 GSa/s i zapewniają rozdzielczość 14- lub 16-bitową. Dostępne są modele o paśmie 50, 100 lub 200 MHz i rekordzie 16, 64 lub 256 Mpunktów/kanał.
Pierwsze pytanie, na które należało odpowiedzieć dotyczyło różnic między szerokopasmowymi pomiarami napięć i prądów? Z pomiarami napięć mamy do czynienia w oscyloskopach. Jest to technika bardzo dobrze opanowana i udokumentowana. Istnieją liczne rozwiązania sprzętowe często chronione patentami. Każdy producent dysponuje również bogatymi bibliotekami własnych funkcji pomiarowych, tworzonych i udoskonalanych przez lata.
Z pozoru problem jest błahy. Zależność między prądem i napięciem jest określana fundamentalnym prawem Ohma. Jeśli dobrze potrafimy mierzyć napięcie, to teoretycznie wystarczy znajomość parametrów włączonego do obwodu elektrycznego rezystora pomiarowego, aby określić natężenie prądu. Taki rezystor (bocznik) stanowi jednak „ciało obce” w obwodzie elektrycznym i generuje kilka problemów. Wywołuje niepożądany spadek napięcia zmieniający normalne warunki pracy obwodu, ogranicza zakres dynamiki, wprowadza dodatkowe szumy. Stosowane w oscyloskopach sondy prądowe wymagają kalibracji, ulegają namagnesowywaniu. W efekcie bardzo trudno jest prowadzić pomiary prądów o natężeniach rzędu mikroamperów, nie mówiąc już zupełnie o prądach jeszcze mniejszych. W tym kontekście osiągnięcia Keysighta wyglądają naprawdę imponująco. Analizatory CX3000A mierzą prądy nano-, a nawet pikoamperowe. Sam przyrząd charakteryzuje się pasmem pomiarowym do 200 MHz przy szybkości próbkowania do 1 GSa/s. Tajemnica sukcesu jest w znacznym stopniu zawarta w konstrukcji czujników prądowych, chociaż nie one jedne decydują o parametrach analizatora.
Sondy pomiarowe dla analizatora CX3324A
Keysight oferuje kilka typów prądowych sond pomiarowych dedykowanych dla analizatorów CX3000A. Dołączane jest do nich bogate wyposażenie dodatkowe w postaci różnych końcówek, kabelków masowych, rozgałęziaczy itp. Kabel połączeniowy każdej sondy jest zakończony wielostykowym wtykiem umieszczanym w jednym z czterech gniazd analizatora CX3324A. Styki są wykorzystywane nie tylko do przekazywania sygnałów pomiarowych, ale też do kodowania typu sondy. Brak niektórych styków we wtyku jest więc czymś zupełnie normalnym.
CX1101A – jednokanałowy czujnik prądu (fot. 1). Jest to podstawowy czujnik charakteryzujący się bardzo szerokim zakresem pomiarowym, rozciągającym się od 40 nA do 1 A (10 A z głowicą CX1206A) i maksymalnym napięciem wspólnym równym ±40 V. Pasmo pomiarowe tego czujnika jest równe 100 MHz.
Fot. 2. Dwukanałowy czujnik prądu CX1102A
CX1103A – niskoprądowy czujnik prądu do pomiarów w zakresie od 150 pA do 20 mA. Pasmo pomiarowe czujnika ma szerokość 200 MHz (fot. 3). Maksymalne napięcie wspólne jest równe 1,0 V z włączonym wejściem 50 W.
Fot. 3. Niskoprądowy czujnik prądu CX1103A
CX1151A – adapter dla pasywnej sondy napięciowej wykorzystywany do monitorowania napięcia. Maksymalne napięcie przy podziale 1:10 jest równe 80 V.
Sondy CX1101A i CX1102A są dwuelementowe. Składają się z zasadniczej części pomiarowej i dołączanego do niego wymiennego adaptera (głowicy) umożliwiającego zastosowanie odpowiednich końcówek pomiarowych.
Włożenie wtyku sondy do gniazda analizatora powoduje automatyczne rozpoznanie jej typu i uaktywnienie kanału.
Odsłaniamy rąbka tajemnicy
Zasadniczo istnieją dwie metody pomiaru prądu: kontaktowe lub bezkontaktowe. O ile do pomiaru napięcia wystarczy przyłożenie końcówek pomiarowych do wybranych punktów obwodu elektrycznego, to do pomiaru prądu niezbędne jest rozłączenie wybranego połączenia i wstawienie w to miejsce czujnika. Aby uniknąć tej niedogodności opracowano metody bezkontaktowe, w których pomiar natężenia prądu odbywa się pośrednio przez pomiar natężenia pola magnetycznego wytwarzanego przez przewód, przez który przepływa prąd. Wprawdzie w metodzie tej nie ma bezpośredniej ingerencji w obwód, ale niezbędne jest wydzielenie przynajmniej niewielkiego odcinka przewodu wiodącego mierzony prąd, wokół którego zakładana jest specjalna obejma (cęgi pomiarowe). Nie zawsze jest to możliwe, np. metoda bezkontaktowa zupełnie nie nadaje się do pomiaru prądu płynącego w ścieżkach obwodu drukowanego. Niedogodności tej nie mają metody kontaktowe, ale z kolei wymagają uwzględniania punktów pomiarowych w obwodzie umożliwiających dołączanie czujników. Na korzyść pomiarów kontaktowych przemawia dużo większa dokładność. Metody kontaktowe zastosowano w opisanych czujnikach dołączanych do analizatorów rodziny CX3300.
Klasyczny pomiar metodą kontaktowa polega na wyznaczaniu napięcia na tzw. rezystorze bocznikowym i obliczaniu na tej podstawie natężenia prądu (z prawa Ohma). W czujnikach CX3000 zwykły bocznik został zastąpiony specjalnym wysokoczęstotliwościowym, niskoprądowym obwodem pomiarowym dołączanym do niskoszumnego wzmacniacza. Czujniki CX1101A i CX1102A mają gniazda umożliwiające dołączanie do nich adapterów przystosowanych do różnych końcówek pomiarowych (tab. 1). Adaptery przedstawiono na fot. 4.
Tab. 1. Dane techniczne głowic współpracujących z czujnikami CX1101A i CX1102A
Fot. 4. Adaptery dla czujników serii CX3000A
Zasady wyboru sond i głowic pomiarowych
Bez wątpienia najważniejszym parametrem sondy stosowanej do określonego pomiaru jest jej zakres. Jego przekroczenie może spowodować uszkodzenie drogiego przyrządu lub jego akcesoriów. Nie mniej istotne są również inne parametry, takie jak pasmo pomiarowe i czułość. Należy jednak pamiętać, że zwiększanie czułości jest związane ze zwiększaniem rezystancji bocznika, a to powoduje ograniczenie pasma i vice versa. W rozwiązaniu zastosowanym przez Keysighta prosty rezystor bocznikowy zastąpiono bardziej złożonym układem pomiarowym, dzięki któremu w znacznym stopniu ograniczono niekorzystną zależność pasma od czułości.
Mierzone natężenie prądu jest limitowane od góry zakresem, a od dołu podłogą szumu. Zwykle przyjmuje się, że poziom ten stanowi 1/1000 zakresu pomiarowego, z czego wynika, że uzyskiwana czułość jest 3-cyfrowa. Poziom szumu może być zwiększany przez naturalne szumy otoczenia, może także wynikać z określonych warunków pomiarowych. Jak już wiadomo czujnik CX1102A zapewnia pracę 2-zakresową ze stopniem podziału 1/100. Takie rozwiązanie zwiększa efektywną czułość do 5 cyfr.
Optymalna konfiguracja układu pomiarowego
Kolejnym ważnym zagadnieniem jest wybór odpowiedniej konfiguracji połączeń. Ogólnie wyróżnia się metodę dołączenia czujnika od strony wysokiej lub niskiej (high lub low side) urządzenia badanego (rys. 5). Z pozoru obie metody są równoważne, jednak o ile konfiguracja High side może być z powodzeniem stosowana w przypadku źródeł stałoprądowych, o tyle dla obwodów ze źródłami prądu o charakterze impulsowym zalecana jest konfiguracja Low side. Czujniki CX1101A i CX1102A są dostosowane do pomiarów w połączeniu High side. Czujnik umieszczony po stronie wysokiej mierzy nie tylko prąd pobierany przez urządzenie badane (DUT), ale reaguje też na prądy ładujące wszelkie pojemności pasożytnicze okablowania i samego czujnika. Czujnik umieszczony po stronie niskiej mierzy wyłącznie prąd płynący przez DUT.
Bardzo ważnym zagadnieniem w pomiarach szerokopasmowych jest uziemienie. Sondy są wyposażone w końcówkę uziemiającą, która powinna być połączenia z chassis urządzenia. Połączenie to nie tylko minimalizuje szumy, ale jest istotne ze względów bezpieczeństwa. Może się ponadto zdarzyć, że przy jego braku nie będą spełnione gwarantowane napięcia wspólne. Dobrym nawykiem jest stosowanie końcówek uziemiających bez względu na rodzaj pomiaru. Połączenie końcówki uziemiającej jest inne dla połączeń low side niż dla połączeń high side, co zilustrowano na rys. 6.
Rys. 6. Połączenie kabelka uziemiającego w konfiguracji: a) High side, b) Low side
Niepokonana fizyka
Użytkownicy zawansowanych przyrządów pomiarowych, jak np. analizatora CX3324A muszą mieć świadomość pewnych konsekwencji wynikających wprost z praw fizyki. Jak już wiadomo, w opozycji do siebie stoją takie parametry jak czułość i pasmo pomiarowe. Dołączając poszczególne czujniki prądu do analizatora należy więc liczyć się ze zmianami efektywnego pasma pomiarowego. Analizatory CX3000A automatycznie rozpoznają dołączane do nich czujniki prądu, dzięki czemu użytkownik jest na bieżąco informowany o efektywnym paśmie dla przyjętej konfiguracji. Parametr ten wynika nie tylko z pasma samego przyrządu, ale ma na niego wpływ również każdy człon układu pomiarowego, np. sonda pomiarowa. Przykładowo: pasmo analizatora CX3324A jest równe 200 MHz, pasmo zastosowanego czujnika jest równe 100 MHz. Efektywna szerokość pasma mierzonego jest określona zależnością:
Z obliczenia wynika, że efektywne pasmo pomiarowe w przytoczonej konfiguracji jest równe ok. 89 MHz. Może być ono dodatkowo ograniczone po uruchomieniu wbudowanego ogranicznika pasma, a także na skutek zwiększenia czułości. Wraz ze wzrostem czułości zwiększa się oporność wejściowa czujnika, która w połączeniu z pojemnościami występującymi w mierzonym obwodzie elektrycznym ogranicza pasmo efektywne. Komplet aktualnych parametrów pracy analizatora uwzględniający wszystkie czynniki jest wyświetlany w dolnej części ekranu w okienkach informujących o konfiguracji każdego z czterech kanałów pomiarowych analizatora CX3324A (fot. 7).
Rys. 7. Informacja o parametrach aktywnych kanałów pomiarowych, m.in. o szerokości pasma
Reasumując, można sformułować zwięzłe zalecenia dotyczące konfiguracji analizatora, czujnika prądu i ogólnie układu pomiarowego, zapewniające uzyskiwanie maksymalnej czułości i pasma pomiarowego. Wynika z nich, że należy korzystać z możliwie największych zakresów pomiarowych i w miarę możliwości minimalizować pojemności odsprzęgające. Poziom szumów jest redukowany poprzez łączenie końcówki uziemiającej czujnika z masą i chassis DUT, jak również, jeśli to możliwe, przez stosowanie mat elektrostatycznych. W pomiarach bardzo małych prądów nawet najdrobniejszy czynnik może znacząco zmieniać wyniki pomiarów. Przykładem mogą być choćby wibracje i wstrząsy indukujące prądy w wielowarstwowych kondensatorach ceramicznych. Nie trzeba chyba też wspominać o zachowaniu jak najkrótszych połączeń między czujnikiem a DUT. Korzystne w niektórych przypadkach, szczególnie w pomiarach stałoprądowych, może być uruchamianie przed pomiarami dostępnej w oprogramowaniu firmowym analizatora CX3324A procedury kalibrującej.
14- i 16-bitowa rozdzielczość pomiaru
Analizatory CX3000A umożliwiają wykonywanie pomiarów z 14- lub 16-bitową rozdzielczością. Rozdzielczość 16-bitowa jest wybierana przyciskiem „High Reso”. Pomiar w tym trybie charakteryzuje się niższym poziomem podłogi szumów, szczególnie w dolnej części pasma, ale też znacznym zmniejszeniem pasma efektywnego (np. z 200 MHz do 15 MHz). Maksymalna szybkość próbkowania w pomiarach z rozdzielczością 14-bitową jest równa 1 GSa/s, zaś podczas pomiarów 16-bitowych maksymalna prędkość próbkowania jest równa 75 MSa/s. Jeżeli szerokość pasma pomiarowego nie jest parametrem krytycznym, to warto korzystać z możliwości włączania wbudowanego ogranicznika pasma znacząco obniżającego podłogę szumu. Wśród dostępnych funkcji pomiarowych analizatora CX3324A warte uwagi są filtry dolno- i górnoprzepustowe, a także funkcja wygładzająca przebiegi. Skuteczną eliminację szumów dla przebiegów okresowych uzyskuje się także przez zastosowanie funkcji uśredniania.
Praca z analizatorem
Szerokopasmowy analizator małych prądów jest to, jak już wiemy, specjalizowany oscyloskop zoptymalizowany pod kątem pomiarów prądu. Przyrząd ma dość duże wymiary, o czym w dużym stopniu decyduje wyświetlacz LCD WGXA o przekątnej 14,1 cala z panelem dotykowym multi touch. Oprócz czujników prądu i różnorodnych głowic, do których dołączane są rozmaite końcówki pomiarowe, wyposażenie zawiera klawiaturę i myszkę USB. Wszystkie akcesoria, których jest całkiem sporo, są przechowywane i mogą być przewożone w firmowych teczkach, pokrowcach i małych walizeczkach.
Czynności operatorskie w zasadzie mogą być prowadzone w oparciu o przyciski ekranowe. Jest to metoda bardzo wygodna. Ułatwieniem jest też możliwość korzystania z myszki i klawiatury. Nie zrezygnowano jednak z tradycyjnych elementów regulacyjnych, czyli pokręteł i przycisków mechanicznych dostępnych na panelu czołowym analizatora (fot. 8).
Fot. 8. Elementy regulacyjne analizatora CX3324A dostępne na płycie czołowej przyrządu
Na wzór oscyloskopu
Obsługa analizatora CX3324A jest bardzo podobna do obsługi typowego oscyloskopu cyfrowego. Mamy więc pokrętła wyboru kanałów, czułości i przesunięcia pionowego, podstawy czasu i przesunięcia poziomego. Uwagę zwraca bogactwo warunków wyzwalania nie gorsze niż w dobrym oscyloskopie cyfrowym (rys. 9). Do wyboru są takie opcje jak: typowe wyzwalanie zboczem, szybkością narastania, impulsami glitch, szerokością impulsów, wyzwalanie typu Runt, Timeout, Pattern, State, Window.
Rys. 9. Typy wyzwalania analizatora CX3324A
Podobieństwa do oscyloskopu cyfrowego można doszukać się również w opcjach wyświetlania przebiegów oraz w zestawie narzędzi pomiarowych. Wykresy są tworzone z odcinków liniowych, punktów, powiększonych punktów (diamentów), obszarów, a także metodą gradacji (rys. 10). W lokalizowaniu fluktuacji sygnału dobrze sprawdza się sztuczna poświata (persystencja). Czas poświaty jest wybierany spośród wielu predefiniowanych wartości.
Rys. 10. Opcje wyświetlania przebiegów
Nazwa przyrządu – analizator – zobowiązuje do udostępnienia użytkownikowi specjalistycznych funkcji pomiarowych i analitycznych. Do narzędzi klasycznych należą kursory ekranowe. Kursory przecinające się pokazują jednocześnie parametr czasowy i informację o natężeniu prądu we wskazywanym punkcie przebiegu. Kursory obszarowe są dobrym narzędziem do wyznaczania ładunku elektrycznego. Kursory różnicowe, jak sama nazwa wskazuje, określają różnicę pomiędzy parametrami prądowymi oraz czasowymi w dwóch wskazanych punktach przebiegu. Oscylogramy mogą być opisywane komentarzami użytkownika.
Badanie złożonych przebiegów prądowych wymaga często wykonywania różnych obliczeń matematycznych. W analizatorze CX3324A są to proste operacje matematyczne, takie jak dodawanie, odejmowanie, mnożenie, dzielenie itp., ale też takie funkcje jak pierwiastkowanie, obliczanie średniej, całkowanie, różniczkowanie, wyznaczanie wartości maksymalnych i minimalnych. Odrębną klasę funkcji analitycznych stanowią funkcje wygładzające i filtrujące przebiegi. Są one realizowane programowo, nie ingerują więc w przebieg mierzony
Pozostają jeszcze funkcje analityczne spotykane w cyfrowych przyrządach pomiarowych. Należą do nich: analiza widmowa (FFT), histogram, CDF i CCDF obliczające prostą i odwróconą dystrybuantę, pozwalające określać statystyczny rozkład poszczególnych amplitud w sygnale oraz badać stosunek wartości szczytowej do średniej.
Pomiary z dynamiką 100 dB
Współczesne urządzenia elektroniczne, zwłaszcza mobilne, charakteryzują się bardzo dużymi różnicami pobieranego ze źródła zasilającego prądu. W stanach uśpienia są to natężenia rzędu pojedynczych mikroamperów, podczas gdy w czasie pracy mogą przekraczać kilkadziesiąt, czy nawet kilkaset miliamperów. W pomiarach takich urządzeń zalecane jest korzystanie z dwukanałowego czujnika CX1102A umożliwiającego wykonywanie pomiarów na dwóch różnych zakresach. Przydatna jest też funkcja powiększania przebiegów – Zoom. Funkcja ta działa tylko dla jednego obszaru.
Profiler – narzędzie analityczne do pomiarów poboru prądu i mocy przez urządzenia pracujące w różnych stanach
Oprogramowanie firmowe analizatora CX3324A zawiera specjalną funkcję przeznaczoną do analizy poboru prądu przez badane urządzenie. Po zdefiniowaniu przez użytkownika odpowiedniego profilu prądowego, czyli określeniu charakterystycznych progów prądowych, funkcja oblicza dla każdego segmentu szereg charakterystycznych parametrów, m.in.: wartość średnią, minimalną i maksymalną, czas trwania segmentu, wartość kumulowaną itp. Wyniki są wyświetlane w złączanej tabeli, sporządzany jest też wykres (rys. 12).
Rys. 12. Raport generowany przez funkcję Profiler
Pierwsze pytanie, na które należało odpowiedzieć dotyczyło różnic między szerokopasmowymi pomiarami napięć i prądów? Z pomiarami napięć mamy do czynienia w oscyloskopach. Jest to technika bardzo dobrze opanowana i udokumentowana. Istnieją liczne rozwiązania sprzętowe często chronione patentami. Każdy producent dysponuje również bogatymi bibliotekami własnych funkcji pomiarowych, tworzonych i udoskonalanych przez lata.
Z pozoru problem jest błahy. Zależność między prądem i napięciem jest określana fundamentalnym prawem Ohma. Jeśli dobrze potrafimy mierzyć napięcie, to teoretycznie wystarczy znajomość parametrów włączonego do obwodu elektrycznego rezystora pomiarowego, aby określić natężenie prądu. Taki rezystor (bocznik) stanowi jednak „ciało obce” w obwodzie elektrycznym i generuje kilka problemów. Wywołuje niepożądany spadek napięcia zmieniający normalne warunki pracy obwodu, ogranicza zakres dynamiki, wprowadza dodatkowe szumy. Stosowane w oscyloskopach sondy prądowe wymagają kalibracji, ulegają namagnesowywaniu. W efekcie bardzo trudno jest prowadzić pomiary prądów o natężeniach rzędu mikroamperów, nie mówiąc już zupełnie o prądach jeszcze mniejszych. W tym kontekście osiągnięcia Keysighta wyglądają naprawdę imponująco. Analizatory CX3000A mierzą prądy nano-, a nawet pikoamperowe. Sam przyrząd charakteryzuje się pasmem pomiarowym do 200 MHz przy szybkości próbkowania do 1 GSa/s. Tajemnica sukcesu jest w znacznym stopniu zawarta w konstrukcji czujników prądowych, chociaż nie one jedne decydują o parametrach analizatora.
Sondy pomiarowe dla analizatora CX3324A
Keysight oferuje kilka typów prądowych sond pomiarowych dedykowanych dla analizatorów CX3000A. Dołączane jest do nich bogate wyposażenie dodatkowe w postaci różnych końcówek, kabelków masowych, rozgałęziaczy itp. Kabel połączeniowy każdej sondy jest zakończony wielostykowym wtykiem umieszczanym w jednym z czterech gniazd analizatora CX3324A. Styki są wykorzystywane nie tylko do przekazywania sygnałów pomiarowych, ale też do kodowania typu sondy. Brak niektórych styków we wtyku jest więc czymś zupełnie normalnym.
CX1101A – jednokanałowy czujnik prądu (fot. 1). Jest to podstawowy czujnik charakteryzujący się bardzo szerokim zakresem pomiarowym, rozciągającym się od 40 nA do 1 A (10 A z głowicą CX1206A) i maksymalnym napięciem wspólnym równym ±40 V. Pasmo pomiarowe tego czujnika jest równe 100 MHz.
Fot. 1. Jednokanałowy czujnik prądu CX1101A
CX1102A – dwukanałowy czujnik prądu (fot. 2) o zakresie pomiarowym 40 nA...1 A i paśmie 100 MHz. Maksymalne napięcie wspólne jest równe ±12 V. Czujnik ma dwa zakresy pomiarowe i dlatego jest idealnym narzędziem np. do pomiarów prądu pracy i prądu spoczynkowego urządzeń.Fot. 2. Dwukanałowy czujnik prądu CX1102A
CX1103A – niskoprądowy czujnik prądu do pomiarów w zakresie od 150 pA do 20 mA. Pasmo pomiarowe czujnika ma szerokość 200 MHz (fot. 3). Maksymalne napięcie wspólne jest równe 1,0 V z włączonym wejściem 50 W.
Fot. 3. Niskoprądowy czujnik prądu CX1103A
CX1151A – adapter dla pasywnej sondy napięciowej wykorzystywany do monitorowania napięcia. Maksymalne napięcie przy podziale 1:10 jest równe 80 V.
Sondy CX1101A i CX1102A są dwuelementowe. Składają się z zasadniczej części pomiarowej i dołączanego do niego wymiennego adaptera (głowicy) umożliwiającego zastosowanie odpowiednich końcówek pomiarowych.
Włożenie wtyku sondy do gniazda analizatora powoduje automatyczne rozpoznanie jej typu i uaktywnienie kanału.
Odsłaniamy rąbka tajemnicy
Zasadniczo istnieją dwie metody pomiaru prądu: kontaktowe lub bezkontaktowe. O ile do pomiaru napięcia wystarczy przyłożenie końcówek pomiarowych do wybranych punktów obwodu elektrycznego, to do pomiaru prądu niezbędne jest rozłączenie wybranego połączenia i wstawienie w to miejsce czujnika. Aby uniknąć tej niedogodności opracowano metody bezkontaktowe, w których pomiar natężenia prądu odbywa się pośrednio przez pomiar natężenia pola magnetycznego wytwarzanego przez przewód, przez który przepływa prąd. Wprawdzie w metodzie tej nie ma bezpośredniej ingerencji w obwód, ale niezbędne jest wydzielenie przynajmniej niewielkiego odcinka przewodu wiodącego mierzony prąd, wokół którego zakładana jest specjalna obejma (cęgi pomiarowe). Nie zawsze jest to możliwe, np. metoda bezkontaktowa zupełnie nie nadaje się do pomiaru prądu płynącego w ścieżkach obwodu drukowanego. Niedogodności tej nie mają metody kontaktowe, ale z kolei wymagają uwzględniania punktów pomiarowych w obwodzie umożliwiających dołączanie czujników. Na korzyść pomiarów kontaktowych przemawia dużo większa dokładność. Metody kontaktowe zastosowano w opisanych czujnikach dołączanych do analizatorów rodziny CX3300.
Klasyczny pomiar metodą kontaktowa polega na wyznaczaniu napięcia na tzw. rezystorze bocznikowym i obliczaniu na tej podstawie natężenia prądu (z prawa Ohma). W czujnikach CX3000 zwykły bocznik został zastąpiony specjalnym wysokoczęstotliwościowym, niskoprądowym obwodem pomiarowym dołączanym do niskoszumnego wzmacniacza. Czujniki CX1101A i CX1102A mają gniazda umożliwiające dołączanie do nich adapterów przystosowanych do różnych końcówek pomiarowych (tab. 1). Adaptery przedstawiono na fot. 4.
Tab. 1. Dane techniczne głowic współpracujących z czujnikami CX1101A i CX1102A
| Typ głowicy | Typ wejścia | CX1101A | CX1102A | Prąd maksymalny |
| CX1201A gniazdo koncentryczne | SMA | + | + | 1 A |
| CX1202A gniazdo koncentryczne z podglądem napięcia | SMA | + | + | 1 A |
| CX1203A gniazdo koncentryczne z terminatorem | SMA „+” na wyprowadzeniu centralnym, „-” na kołnierzu | + | + | 1 A (0 W), 70 mA (50 W) |
| CX1204A Skrętka | kabelek typu skrętka | + | + | 1 A |
| CX1205A luźne końcówki pomiarowe | Mini jack | + | + | 1 A |
| CX1206A adapter wysokoprądowy z ekspanderem 10 A | Gniazda bananowe | + | - | 10 A |
Fot. 4. Adaptery dla czujników serii CX3000A
Zasady wyboru sond i głowic pomiarowych
Bez wątpienia najważniejszym parametrem sondy stosowanej do określonego pomiaru jest jej zakres. Jego przekroczenie może spowodować uszkodzenie drogiego przyrządu lub jego akcesoriów. Nie mniej istotne są również inne parametry, takie jak pasmo pomiarowe i czułość. Należy jednak pamiętać, że zwiększanie czułości jest związane ze zwiększaniem rezystancji bocznika, a to powoduje ograniczenie pasma i vice versa. W rozwiązaniu zastosowanym przez Keysighta prosty rezystor bocznikowy zastąpiono bardziej złożonym układem pomiarowym, dzięki któremu w znacznym stopniu ograniczono niekorzystną zależność pasma od czułości.
Mierzone natężenie prądu jest limitowane od góry zakresem, a od dołu podłogą szumu. Zwykle przyjmuje się, że poziom ten stanowi 1/1000 zakresu pomiarowego, z czego wynika, że uzyskiwana czułość jest 3-cyfrowa. Poziom szumu może być zwiększany przez naturalne szumy otoczenia, może także wynikać z określonych warunków pomiarowych. Jak już wiadomo czujnik CX1102A zapewnia pracę 2-zakresową ze stopniem podziału 1/100. Takie rozwiązanie zwiększa efektywną czułość do 5 cyfr.
Optymalna konfiguracja układu pomiarowego
Kolejnym ważnym zagadnieniem jest wybór odpowiedniej konfiguracji połączeń. Ogólnie wyróżnia się metodę dołączenia czujnika od strony wysokiej lub niskiej (high lub low side) urządzenia badanego (rys. 5). Z pozoru obie metody są równoważne, jednak o ile konfiguracja High side może być z powodzeniem stosowana w przypadku źródeł stałoprądowych, o tyle dla obwodów ze źródłami prądu o charakterze impulsowym zalecana jest konfiguracja Low side. Czujniki CX1101A i CX1102A są dostosowane do pomiarów w połączeniu High side. Czujnik umieszczony po stronie wysokiej mierzy nie tylko prąd pobierany przez urządzenie badane (DUT), ale reaguje też na prądy ładujące wszelkie pojemności pasożytnicze okablowania i samego czujnika. Czujnik umieszczony po stronie niskiej mierzy wyłącznie prąd płynący przez DUT.
Rys. 5. Konfiguracje układu pomiarowego a) High side, b) Low side
Czujniki prądowe oferowane dla analizatorów CX3000A są łączone z badanym obwodem za pośrednictwem kilku różnych końcówek. Są to: złącza SMA, krótkie odcinki skrętki lub kabelki zakończone końcówkami testowymi przystosowanymi do złącz szpilkowych. Najlepsze parametry zapewniają połączenia koncentryczne SMA, ale wymagają stosowania odpowiednich punktów połączeniowych w DUT. Takie połączenie zapewnia wykonywanie poprawnych pomiarów w paśmie do 100 MHz. Znacznie łatwiej łączy się czujnik z DUT za pomocą kabelków testowych lub skrętką. Pasmo pomiarowe jest w tym przypadku równe 10 MHz. Przy połączeniach wykorzystujących typowe wtyki bananowe pasmo dochodzi do 3 MHz.Bardzo ważnym zagadnieniem w pomiarach szerokopasmowych jest uziemienie. Sondy są wyposażone w końcówkę uziemiającą, która powinna być połączenia z chassis urządzenia. Połączenie to nie tylko minimalizuje szumy, ale jest istotne ze względów bezpieczeństwa. Może się ponadto zdarzyć, że przy jego braku nie będą spełnione gwarantowane napięcia wspólne. Dobrym nawykiem jest stosowanie końcówek uziemiających bez względu na rodzaj pomiaru. Połączenie końcówki uziemiającej jest inne dla połączeń low side niż dla połączeń high side, co zilustrowano na rys. 6.
Rys. 6. Połączenie kabelka uziemiającego w konfiguracji: a) High side, b) Low side
Niepokonana fizyka
Użytkownicy zawansowanych przyrządów pomiarowych, jak np. analizatora CX3324A muszą mieć świadomość pewnych konsekwencji wynikających wprost z praw fizyki. Jak już wiadomo, w opozycji do siebie stoją takie parametry jak czułość i pasmo pomiarowe. Dołączając poszczególne czujniki prądu do analizatora należy więc liczyć się ze zmianami efektywnego pasma pomiarowego. Analizatory CX3000A automatycznie rozpoznają dołączane do nich czujniki prądu, dzięki czemu użytkownik jest na bieżąco informowany o efektywnym paśmie dla przyjętej konfiguracji. Parametr ten wynika nie tylko z pasma samego przyrządu, ale ma na niego wpływ również każdy człon układu pomiarowego, np. sonda pomiarowa. Przykładowo: pasmo analizatora CX3324A jest równe 200 MHz, pasmo zastosowanego czujnika jest równe 100 MHz. Efektywna szerokość pasma mierzonego jest określona zależnością:
Z obliczenia wynika, że efektywne pasmo pomiarowe w przytoczonej konfiguracji jest równe ok. 89 MHz. Może być ono dodatkowo ograniczone po uruchomieniu wbudowanego ogranicznika pasma, a także na skutek zwiększenia czułości. Wraz ze wzrostem czułości zwiększa się oporność wejściowa czujnika, która w połączeniu z pojemnościami występującymi w mierzonym obwodzie elektrycznym ogranicza pasmo efektywne. Komplet aktualnych parametrów pracy analizatora uwzględniający wszystkie czynniki jest wyświetlany w dolnej części ekranu w okienkach informujących o konfiguracji każdego z czterech kanałów pomiarowych analizatora CX3324A (fot. 7).
Rys. 7. Informacja o parametrach aktywnych kanałów pomiarowych, m.in. o szerokości pasma
Reasumując, można sformułować zwięzłe zalecenia dotyczące konfiguracji analizatora, czujnika prądu i ogólnie układu pomiarowego, zapewniające uzyskiwanie maksymalnej czułości i pasma pomiarowego. Wynika z nich, że należy korzystać z możliwie największych zakresów pomiarowych i w miarę możliwości minimalizować pojemności odsprzęgające. Poziom szumów jest redukowany poprzez łączenie końcówki uziemiającej czujnika z masą i chassis DUT, jak również, jeśli to możliwe, przez stosowanie mat elektrostatycznych. W pomiarach bardzo małych prądów nawet najdrobniejszy czynnik może znacząco zmieniać wyniki pomiarów. Przykładem mogą być choćby wibracje i wstrząsy indukujące prądy w wielowarstwowych kondensatorach ceramicznych. Nie trzeba chyba też wspominać o zachowaniu jak najkrótszych połączeń między czujnikiem a DUT. Korzystne w niektórych przypadkach, szczególnie w pomiarach stałoprądowych, może być uruchamianie przed pomiarami dostępnej w oprogramowaniu firmowym analizatora CX3324A procedury kalibrującej.
14- i 16-bitowa rozdzielczość pomiaru
Analizatory CX3000A umożliwiają wykonywanie pomiarów z 14- lub 16-bitową rozdzielczością. Rozdzielczość 16-bitowa jest wybierana przyciskiem „High Reso”. Pomiar w tym trybie charakteryzuje się niższym poziomem podłogi szumów, szczególnie w dolnej części pasma, ale też znacznym zmniejszeniem pasma efektywnego (np. z 200 MHz do 15 MHz). Maksymalna szybkość próbkowania w pomiarach z rozdzielczością 14-bitową jest równa 1 GSa/s, zaś podczas pomiarów 16-bitowych maksymalna prędkość próbkowania jest równa 75 MSa/s. Jeżeli szerokość pasma pomiarowego nie jest parametrem krytycznym, to warto korzystać z możliwości włączania wbudowanego ogranicznika pasma znacząco obniżającego podłogę szumu. Wśród dostępnych funkcji pomiarowych analizatora CX3324A warte uwagi są filtry dolno- i górnoprzepustowe, a także funkcja wygładzająca przebiegi. Skuteczną eliminację szumów dla przebiegów okresowych uzyskuje się także przez zastosowanie funkcji uśredniania.
Praca z analizatorem
Szerokopasmowy analizator małych prądów jest to, jak już wiemy, specjalizowany oscyloskop zoptymalizowany pod kątem pomiarów prądu. Przyrząd ma dość duże wymiary, o czym w dużym stopniu decyduje wyświetlacz LCD WGXA o przekątnej 14,1 cala z panelem dotykowym multi touch. Oprócz czujników prądu i różnorodnych głowic, do których dołączane są rozmaite końcówki pomiarowe, wyposażenie zawiera klawiaturę i myszkę USB. Wszystkie akcesoria, których jest całkiem sporo, są przechowywane i mogą być przewożone w firmowych teczkach, pokrowcach i małych walizeczkach.
Czynności operatorskie w zasadzie mogą być prowadzone w oparciu o przyciski ekranowe. Jest to metoda bardzo wygodna. Ułatwieniem jest też możliwość korzystania z myszki i klawiatury. Nie zrezygnowano jednak z tradycyjnych elementów regulacyjnych, czyli pokręteł i przycisków mechanicznych dostępnych na panelu czołowym analizatora (fot. 8).
Fot. 8. Elementy regulacyjne analizatora CX3324A dostępne na płycie czołowej przyrządu
Na wzór oscyloskopu
Obsługa analizatora CX3324A jest bardzo podobna do obsługi typowego oscyloskopu cyfrowego. Mamy więc pokrętła wyboru kanałów, czułości i przesunięcia pionowego, podstawy czasu i przesunięcia poziomego. Uwagę zwraca bogactwo warunków wyzwalania nie gorsze niż w dobrym oscyloskopie cyfrowym (rys. 9). Do wyboru są takie opcje jak: typowe wyzwalanie zboczem, szybkością narastania, impulsami glitch, szerokością impulsów, wyzwalanie typu Runt, Timeout, Pattern, State, Window.
Rys. 9. Typy wyzwalania analizatora CX3324A
Podobieństwa do oscyloskopu cyfrowego można doszukać się również w opcjach wyświetlania przebiegów oraz w zestawie narzędzi pomiarowych. Wykresy są tworzone z odcinków liniowych, punktów, powiększonych punktów (diamentów), obszarów, a także metodą gradacji (rys. 10). W lokalizowaniu fluktuacji sygnału dobrze sprawdza się sztuczna poświata (persystencja). Czas poświaty jest wybierany spośród wielu predefiniowanych wartości.
Rys. 10. Opcje wyświetlania przebiegów
Nazwa przyrządu – analizator – zobowiązuje do udostępnienia użytkownikowi specjalistycznych funkcji pomiarowych i analitycznych. Do narzędzi klasycznych należą kursory ekranowe. Kursory przecinające się pokazują jednocześnie parametr czasowy i informację o natężeniu prądu we wskazywanym punkcie przebiegu. Kursory obszarowe są dobrym narzędziem do wyznaczania ładunku elektrycznego. Kursory różnicowe, jak sama nazwa wskazuje, określają różnicę pomiędzy parametrami prądowymi oraz czasowymi w dwóch wskazanych punktach przebiegu. Oscylogramy mogą być opisywane komentarzami użytkownika.
Badanie złożonych przebiegów prądowych wymaga często wykonywania różnych obliczeń matematycznych. W analizatorze CX3324A są to proste operacje matematyczne, takie jak dodawanie, odejmowanie, mnożenie, dzielenie itp., ale też takie funkcje jak pierwiastkowanie, obliczanie średniej, całkowanie, różniczkowanie, wyznaczanie wartości maksymalnych i minimalnych. Odrębną klasę funkcji analitycznych stanowią funkcje wygładzające i filtrujące przebiegi. Są one realizowane programowo, nie ingerują więc w przebieg mierzony
Pozostają jeszcze funkcje analityczne spotykane w cyfrowych przyrządach pomiarowych. Należą do nich: analiza widmowa (FFT), histogram, CDF i CCDF obliczające prostą i odwróconą dystrybuantę, pozwalające określać statystyczny rozkład poszczególnych amplitud w sygnale oraz badać stosunek wartości szczytowej do średniej.
Pomiary z dynamiką 100 dB
Współczesne urządzenia elektroniczne, zwłaszcza mobilne, charakteryzują się bardzo dużymi różnicami pobieranego ze źródła zasilającego prądu. W stanach uśpienia są to natężenia rzędu pojedynczych mikroamperów, podczas gdy w czasie pracy mogą przekraczać kilkadziesiąt, czy nawet kilkaset miliamperów. W pomiarach takich urządzeń zalecane jest korzystanie z dwukanałowego czujnika CX1102A umożliwiającego wykonywanie pomiarów na dwóch różnych zakresach. Przydatna jest też funkcja powiększania przebiegów – Zoom. Funkcja ta działa tylko dla jednego obszaru.
Profiler – narzędzie analityczne do pomiarów poboru prądu i mocy przez urządzenia pracujące w różnych stanach
Oprogramowanie firmowe analizatora CX3324A zawiera specjalną funkcję przeznaczoną do analizy poboru prądu przez badane urządzenie. Po zdefiniowaniu przez użytkownika odpowiedniego profilu prądowego, czyli określeniu charakterystycznych progów prądowych, funkcja oblicza dla każdego segmentu szereg charakterystycznych parametrów, m.in.: wartość średnią, minimalną i maksymalną, czas trwania segmentu, wartość kumulowaną itp. Wyniki są wyświetlane w złączanej tabeli, sporządzany jest też wykres (rys. 12).
Rys. 12. Raport generowany przez funkcję Profiler
Przykładowy pomiar
Jako przykład zastosowania analizatora CX3324A może posłużyć pomiar prądu pobieranego ze źródła zasilania przez pewien rejestrator, w którym spróbkowany z częstotliwością 200 Hz sygnał jest zapisywany w pamięci Flash. Stan pomiaru i rejestracji jest sygnalizowany mrugającą co sekundę diodą LED. Na rys. 13 przedstawiono zrzuty ekranowe analizatora CX3324A sporządzone w trakcie pomiaru. Są na nich wyraźnie widoczne skoki prądu wynikające z przełączania diody świecącej, impulsy prądowe powstające w czasie pracy przetwornika analogowo-cyfrowego, a także impulsy generowane przez pamięć Flash w trakcie zapisywania danych. Funkcja Zoom umożliwia dogodne powiększenie poszczególnych fragmentów przebiegu, a dokładne pomiary ilościowe są prowadzone z zastosowaniem kursorów ekranowych i odpowiednich funkcji analitycznych.
Rys. 13. Precyzyjne pomiary poboru prądu przez urządzenie rejestrujące z przetwornikiem ADC i pamięcią Flash
Początek nowej ery?
Analizatory rodziny CX3000A stanowią obecnie unikatowe rozwiązania niespotykane u innych producentów. Do tej pory praktycznie nie było odpowiednich przyrządów, którymi można by było mierzyć prądy w szerokim zakresie częstotliwości z tak dużą dynamiką, jaką zapewniają analizatory CX3000A. Co więcej, jest wysoce prawdopodobne, że w wielu urządzeniach występują zjawiska, np. bardzo wąskie impulsy prądowe, o których istnieniu można było wcześniej tylko spekulować teoretycznie. Obecnie można je mierzyć i to z dużą dokładnością. Owszem, istnieją mierniki prądu o dużej dokładności i rozdzielczości, ale pracują one w zakresie DC lub bardzo małych częstotliwości i praktycznie nie nadają się do pracy z układami impulsowymi. Dodatkowym utrudnieniem jest konieczność przełączania zakresów, jeśli występują duże różnice mierzonych prądów. Wad tych pozbawione są analizatory CX3000A produkowane przez Keysight Technologies.
