Pomiary małych mocy oscyloskopem
Kluczem rynkowego sukcesu produktów zasilanych bateryjnie jest niskie zużycie energii.
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
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.
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 problemy 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.