טיפ מקצועי: כיצד להתמודד עם בעיית היענות התדר של הפרוב?

23 ינואר, 2013

הבחון (Probe) הוא החחולייה החלשה ביותר בשרשרת מערך המדידה. כדי להבין אם התוצאה המתקבלת מייצגת בעיה במערכת המדידה או בעיה במוצר המצוי בפיתוח, חשוב להבין כיצד למדוד את היענות הבחון ומהו התיקון המוחל עליו

תוכנות חדשות מאפשרות להתמודד עם בעיית היענות התדר של הפרוב

AGILENT-PROBE מאת: Brig Asay, Agilent Technologies

איכות מערכת המדידה תלויה באיכות החוליה החלשה ביותר שלה. אומנם רוחב הפס של האוסילוסקופ מהווה תמיד נקודה מרכזית במפרט, אולם מערכת המדידה היא יותר מאשר האוסילוסקופ גרידא. היא כוללת גם בחונים (Probes), כבלים, מחברים ואבזרים שונים. כל אחד מהם אלה עלול לגרום להפסד גדול ברוחב הפס.

אף-על פי שכבלים ומחברים מאופיינים בדרך כלל בהפסדים נמוכים, הדברים שונים כאשר מדובר בבחונים ובאבזריהם. יצרני האוסילוסקופים מתקשים בשמירה על מערכת "פרובינג" שרוחב הפס שלה זהה לרוחב הפס של האוסילוסקופ. כך למשל, אוסילוסקופים זמן-אמת הגיעו עד לרוחב פס של 63Ghz, דוגמת DSAX96204Q של אג'ילנט, בשעה שהבחונים מוגבלים ל-30Ghz, כמו N2803A של אג'ילנט.

בנוסף, היצרנים משתמשים בשיטות שונות לתיקון חוסר הליניאריות בהיענות התדר. מערך התיקון הוא מסנן המשטח את היענות התדר של הבחון, ועל-ידי כך משפר את הדיוק וההדירות של המדידות. הקושי בתכנון בחונים רחבי פס הופך אותם לראויים לתואר "החולייה החלשה ביותר במערכת המדידה". מכאן שכדי להשיג את רמת הדיוק הגבוהה ביותר בעת המדידה, חשוב להכיר את רוחב הפס והיענות התדר של הבחון.

שתי שיטות לבדיקת הבחון

קיימות שתי מתודולוגיות שונות למדידת היענות התדר של הבחון: V_in/V_out ו-V_src/V_out,כאשר V_in הוא המתח בכניסת הבחון כפי שנטען על-ידי הבחון; V_out הוא המתח כפי שהוא נתפס על-ידי האוסילוסקופ דרך הבחון, ו-V_src הוא המתח בקצה הבחון במקרה של בחון אידיאלי, כלומר המתח במקור ללא חיבור בחון.

תיקוני היענות התדר V_in/V_out ו-V_src/V_out מיועדים לשמור על היענות תדר שטוחה ביחס לרוחב הפס של הבחון. הדבר נעשה על-ידי תיקון V_out כך שישווה ל-V_in עבור תיקון V_in/V_out, או על-ידי תיקון V_out כך שישווה ל-V_src עבור תיקון V_src/V_out. באיור 1 מוצג תיאור גרפי של נקודה זו. ההבדל העקרוני בין שתי השיטות הוא שהאחת כוללת טעינת בחון (V_in/V_out), בעוד ששיטת V_src/V_ou מתעלמת מאפקט הטעינה של הבחון במהלך התיקון.

הנחת V_src/V_out הינה בטוחה בסביבה של 50ohm (עכבת ההתקן), ולחלופין, אם האדם המבצע את תיקון הבחון יודע מהי עכבת ההתקן שבו מבוצעת הבדיקה; אולם כאשר קו התמסורת סוטה מ-50ohm, שיטת התיקון הזו פחות מדוייקת, אלא אם כן ניתן לשנות את התיקון בהתאם לעכבת המקור. כיוון שבתיקון V_in/V_ou נלקחת בחשבון עכבת הבחון, התיקון יהיה מדויק בלי קשר לעכבת קו התמסורת. שמירת הדיוק בלי קשר לעכבת המקור היא מהיתרונות של תיקון V_in/V_out.

ניתן גם להיעזר בשיטה מהירה ביותר למדידת היענות הבחון:

1. תוך שימוש באבזר הכיול/deskew של הבחון שסופק על-ידי יצרן האוסילוסקופ (למשל E2655A של אג'ילנט), חבר את האבזר לערוץ 3 של האוסילוסקופ.
2. ה-E2655A מספק מקור כניסה ומשמש כמעבר כאשר דבר אינו מחובר. חבר את כניסת ה-E2655A לקצה כיול מהיר. Agilent 90000 X-Series מספק קצה כיול מהיר בלוח הקדמי, הפועל היטב במקרה זה. הפעל את יציאת Aux Out של האוסילוסקופ כ-Fast edge. דוגמה נוספת הוא ה-N2806A calibration edge של אג'ילנט, שכן הוא מספק קצוות נמוכים מ-10ps.
3. הפעל את ה-edge ובצע את הפעולות הבאות בערוץ 3:
א' – העבר את הסקופ למצב averaging (מומלץ 1000 ממוצעים לפחות)

איור 1: העברת ה-fast edge באבזר ה-deskew וחישוב ממוצע עמוק

ב' – הפעל את פונקצית הדיפרנציאציה המתמטית של השלב הראשון אשר נלכד בשלב א', לצורך יצירת פולס

איור 2: הפולס שנוצר על-ידי דיפרנציאציה של הקצה המהיר

ג' – הפעל את הפונקציה של התמרת פורייה מהירה (FFT) עבור הפולס שנוצר בשלב ב'. דבר זה מספק את המתח המלא V_src (המתח בקצה הבחון של בחון אידיאלי)

ד' – שמור את ה-FFT שנוצר בשלב ג' כזיכרון 1 באוסילוסקופ.

4. חבר את הבחון שבחרת (עדיפות לבחון אקטיבי) לערוץ 1 של האוסילוסקופ ומקם את קצה הבחון על אבזר ה-E2655A (ראה תמונה 1).

מחובר לערוץ 1 והקצה מחובר לאבזר ה-deskew בערוץ 3

5. האות שתראה בערוץ 1 הוא הקצה המהיר שנטען על-ידי הבחון. כעת אות הקצה המהיר כולל הן את הפסדי הבחון והן את טעינת הבחון אשר משפיעה על המדידה. חזור על שלב 3, אולם השתמש באות של ערוץ 1 (ושמור את צורת הגל בזיכרון 2). כעת ניתן להבחין בהיענות תדר חדשה, שהינה היענות הבחון או V_out_.בשלבים 3 ו-4 מדדת את V_out ו-V_src. כעת יש צורך רק במתח אחד נוסף, V_in. זהו המתח בקצה הבחון הנטען על-ידי הבחון. יתרון התהליך טמון בכך שהמדידה זמינה מאוד. הנתונים שהתקבלו דרך E2655A מציגים כעת את V_in לאחר שינוי האות בעקבות טעינת קצה הבחון.

6. כדי למדוד את V_in חזור על שלב 3 תוך שימוש בערוץ 3, אולם הפעם על הבחון להיות מחובר לאבזר. שמור את צורת הגל החדשה בזיכרון 3. עכשיו, כשכל שלושת האותות מצויים ברשותך, השתמש בפונקציית divide של האוסילוסקופ כדי לראות את תיקון הבחון או את היענות הבחון. לצורך מדידת V_in/V_out חלק את זיכרון צורת הגל 3 בזיכרון 2. לצורך מדידת V_src/V_out חלק את זיכרון 1 בזיכרון 2.

מטרת האוסצילוסקופ, ובשורה התחתונה גם מטרת יצרן הפרובים, היא לתקן את היענות הבחון (V_out) כך ש-V_in יהיה שווה ל-V_out עבור תיקון V_in/V_out, או ש-V_src יהיה שווה ל-V_out עבור תיקון V_src/V_out. היצרן מעוניין ש-V_out ידמה ל-V_in (בתיקון V_in/V_out) כדי שלא יהיו הבדלים דרמטיים במדידות, שמקורם בהפסדי הכבל. אם נבחן את V_in המחולק ב-V_out, הרי ככל שהיענות זו תהיה קרובה יותר למצב שטוח, כך יהיה התיקון טוב יותר וכך גם האות המופיע באוסילוסקופ ישקף טוב יותר את המציאות. למדידות מתוקנות של היענות בחון לעומת היענות שאינה מתוקנת, ראה תמונות 4 ו-5.

ראוי לזכור שלשתי שיטות התיקון יתרונות משלהן. שיטת V_src/V_out מתקנת את היענות הבחון על סמך ההנחה שהבחון נקי ממטענים. תיקון זה מצריך ידע מסוים לגבי קו התמסורת לפני השימוש בבחון. לצורך תיקון V_src/V_out נדרש יצרן האוסילוסקופים להניח הנחות לגבי מהות קו התמסורת שלך כדי להבין את העכבה שלו. ההנחה היא שמדובר בקו של 50ohm. אולם קווי התמסורת נוטים להשתנות וכאשר אין להנחה זו סימוכין, תיקון הבחון הופך מדויק פחות. השיטה האחרת היא V_in/V_out. היא כוללת את טעינת הבחון ומשום כך התיקון עצמו אינו תלוי בעכבת המקור.

החלופה הגמישה: תוכנה

כפי שהוסבר, יצרן האוסילוסקופ בוחר את שיטת תיקון הבחון עבור האוסילוסקופ שלו, ובדרך-כלל אין למשתמשי הקצה שליטה על שיטת התיקון. אחת מהחלופות המתפתחות כיום היא באמצעות תוכנה המאפשרת למשתמשים לבחור בשיטת התיקון שלהם. חברת Agilent Technologies מספקת את תוכנת PrecisionProbe המאפשרת למדוד את היענות התדר של הבחון ולאחר מכן לתקן אותה. התוכנה גם מאפשרת למשתמשים לבחור בשיטת התיקון. בנוסף, אם קו התמסורת אינו של 50ohm, התוכנה מספקת יכולת לבחור עכבת מקור. היא מסירה את ההנחה בדבר סביבה של 50ohm והופכת את שיטת V_src/V_out למדויקת בלי קשר לעכבת המקור.

מדובר בחלופה מתפתחת לתיקון בחונים, שכן תוכנת PrecisionProbe מספקת למשתמש הקצה שליטה מסוימת בהיענות הבחון. למרבה הצער, הבחונים זקוקים לתיקון באמצעות DSP כדי לפעול בצורה מדויקת. עם זאת, גם לאחר התיקון, הבחון עדיין עשוי להיות החולייה החלשה ביותר במערכת המדידה, וכדי להבין אם התוצאה המתקבלת מייצגת בעיה במערכת המדידה או בעיה במוצר המצוי בפיתוח, חשוב להבין כיצד למדוד את היענות הבחון ומהו התיקון המוחל על הבחון.

פורסם בקטגוריות: חדשות , צב"ד , ציוד בדיקה