Pomiary małych mocy oscyloskopem

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.

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 (ilustracje w ramce obok).

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.

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.