Przewód masy sondy oscyloskopowej może w pewnych przypadkach wprowadzać istotne błędy pomiarowe: nadmierna indukcyjność, tworzenie pętli masy i związana z tym podatność na zakłócenia impulsowe sprawiają, że w przypadku pomiaru szybkozmiennych sygnałów lepiej jest stosować inne sposoby połączenia oscyloskopu z układem badanym (więcej na ten temat znajdziesz w osobnym artykule). W testach inżynierskich, czyli tzw. precompliance, te same cechy można jednak wykorzystać świadomie, zamieniając standardową sondę pasywną… w prostą sondę pola magnetycznego. Tak wykonany przyrząd nie zastąpi wprawdzie kalibrowanej sondy pętlowej i analizatora widma, ale pozwala szybko lokalizować źródła emisji na PCB. Jest to szczególnie przydatne podczas uruchamiania przetwornic DC/DC i innych układów z impulsowymi prądami o dużej stromości zboczy.
Precompliance za free, czyli jak wykorzystać dostępny sprzęt do poszukiwań źródła RFI?
W klasycznym pomiarze oscyloskopowym długi przewód masy jest jednym z najczęstszych źródeł artefaktów – wraz z polami masy na PCB tworzy pętlę, która odbiera pole magnetyczne generowane przez szybkie zmiany prądu w badanym układzie. W niektórych pomiarach objawia się to zawyżonym poziomem szpilek, dodatkowym dzwonieniem i rozmaitymi przebiegami szerokopasmowymi, które tak naprawdę bardziej opisują geometrię podłączenia sondy niż rzeczywiste napięcie w interesującym nas punkcie układu.
Co ciekawe i ważne, w badaniach precompliance można jednak wykorzystać tę pętlę jako… najprostszy czujnik pola magnetycznego! Jeżeli przewód masy sondy zostanie bezpośrednio połączony (zwarty) z jej końcówką „gorącą”, to wejście oscyloskopu będzie po prostu zamknięte przez pętlę przewodu. Z punktu widzenia analizy DC taka sytuacja to nic innego jak zwarcie wejścia. W przypadku przebiegów szybkozmiennych strumień pola magnetycznego przechodzący przez powierzchnię tej pętli zaindukuje w niej jednak napięcie, które da się z powodzeniem obserwować w dziedzinie czasu lub częstotliwości.
Zasada działania
Opisana powyżej konfiguracja sondy pasywnej jest odpowiednikiem bardzo prostej, nieekranowanej sondy pętlowej, tzw. H-field probe, stanowiącej jeden z dwóch rodzajów tzw. sond pola bliskiego. Amplituda sygnału wyjściowego zależy od powierzchni pętli, orientacji względem źródła pola, odległości od PCB oraz impedancji wejściowej toru pomiarowego. Największy sygnał uzyskuje się wtedy, gdy linie pola magnetycznego przechodzą możliwie prostopadle przez powierzchnię pętli. Obrót sondy o 90° potrafi istotnie zmienić wskazania, co jest jednocześnie wadą i zaletą: pomiar jest słabo powtarzalny bez mechanicznego ustalenia położenia sondy, ale przy odrobinie wprawy pozwala to rozpoznać kierunek i lokalizację dominujących pętli prądowych. A to już bardzo wiele dla świadomego projektanta, który dysponuje w dodatku rysunkiem ścieżek i schematem ideowym PCB.
W praktyce pętla wykonana z przewodu masy sondy może być używana do zgrubnego „skanowania” płytki w pobliżu dławika przetwornicy, tranzystora kluczującego, diody Schottky’ego, kondensatorów wejściowych i wyjściowych czy też „wąskich gardeł” prądu powrotnego. To właśnie tam prądy o wysokiej pochodnej natężenia po czasie (di/dt) tworzą lokalne pole magnetyczne, które łatwo wychwycić nawet prowizoryczną sondą.
Procedura pomiarowa
Najprostszy układ pomiarowy wymaga standardowej sondy pasywnej 10:1 z krótkim przewodem masy oraz oscyloskopu z funkcją FFT. Przewód masy należy zaczepić bezpośrednio o końcówkę sondy, tworząc w ten sposób pętlę. Następnie przewód sondy przesuwa się kilka milimetrów nad PCB, utrzymując w miarę możliwości stałą odległość i orientację (patrz zdjęcie powyżej). Warto zacząć od punktów, w których spodziewane są największe zmiany wartości prądu: cewki, przełączającego węzła przetwornicy (SW), kondensatora wejściowego oraz ścieżek prądów powrotnych.
W domenie czasu dobrze widoczne stają się zależności zmian sygnału od momentów przełączania tranzystorów mocy. Jeżeli częstotliwość pracy przetwornicy wynosi np. 500 kHz, w widoku FFT powinien pojawić się prążek podstawowy oraz harmoniczne wyższych rzędów, wynikające z krótkich czasów narastania i opadania prądu. Zmiana obciążenia czy trybu pracy (PFM/PWM) zwykle powoduje czytelną zmianę w widmie. Nie należy jednak interpretować poziomu odczytanego sygnału jako wartości bezwzględnej emisji – jest to bowiem jedynie pomiar porównawczy, przydatny do uzyskania odpowiedzi na pytania:
- gdzie znajduje się najsilniejsze źródło zakłóceń na PCB?
- jaka jest orientacja pola (a więc i ścieżek przenoszących dany sygnał)?
- czy po zmianie layoutu, filtra, kondensatora czy też parametrów pracy układu jest lepiej, gorzej czy bez zmian?
Porównanie z analizatorem widma i profesjonalną sondą pętlową
W praktycznych pomiarach warto zestawić dwie konfiguracje aparatury. Pierwsza to oscyloskop w trybie FFT i improwizowana pętla z przewodu masy, zaś druga to analizator widma z właściwą sondą pola bliskiego typu H-field, będącą częścią zestawu do diagnostyki EMC. Zakres obrazowanego widma należy w obydwu przyrządach ustawić tak samo, aby uzyskać porównywalne wyniki.
W naszym eksperymencie układem badanym (DUT) był moduł ewaluacyjny LMR51430EVM marki Texas Instruments, zawierający przetwornicę typu buck. Napięcie zasilania układu wynosiło 12 V, zaś prąd wyjściowy (o wartości ustalonej za pomocą laboratoryjnego obciążenia elektronicznego) miał natężenie 3 A.
Najpierw zmierzyliśmy emisję w paśmie od 0 Hz (DC) do 20 MHz za pomocą oscyloskopu Keysight MSO-X 3054G, pracującego w trybie analizatora FFT z uśrednianiem 20 akwizycji.
Równocześnie te same dane pozyskaliśmy za pomocą analizatora widma czasu rzeczywistego Rigol RSA3015E-TG z parametrami RBW i VBW ustawionymi na 1 kHz.
Jak widać, zgodność odwzorowania stosunków amplitudy kolejnych pików harmonicznych jest zaskakująco dobra! A jak wygląda sytuacja przy znacznie słabszych emisjach? Ten sam pomiar powtórzyliśmy dla obciążenia 50 mA, czyli aż 60-krotnie mniejszego. Oto wyniki zarejestrowane za pomocą obu przyrządów:
Jak widać, także w tym przypadku najważniejsze składowe widma są odwzorowane całkiem podobnie za pomocą obydwu przyrządów: kształty spektrum są mocno zbliżone, zaś położenia poszczególnych maksimów w dziedzinie częstotliwości – identyczne.
Ograniczenia i dobre praktyki
Najważniejsze ograniczenie prostej metody z użyciem sondy oscyloskopowej wynika z dwóch aspektów. Pierwszym z nich jest oczywiście brak kalibracji do pracy w trybie sondy pola bliskiego – tym bardziej, że nawet samo ułożenie przewodu (jakkolwiek dość losowe, chociażby z uwagi na jego elastyczność) wpływa przecież diametralnie na strumień pola magnetycznego objęty pętlą. Z drugiej strony pole powierzchni takiej pętli jest kilkukrotnie większe niż pole nawet największych sond H-field stosowanych w typowych zestawach do badań precompliance – to także wpływa na charakterystykę, przede wszystkim pod względem czułości oraz, rzecz jasna, rozdzielczości przestrzennej.
Prowizoryczna pętla z miękkiego przewodu nie pozwala tym bardziej przewidzieć wyniku badań w komorze SAC lub na stanowisku zgodnym z normami EMC. Ten sam zarzut dotyczy jednak również fabrycznych sond pola bliskiego, gdyż pełne badania kompatybilności elektromagnetycznej są prowadzone zawsze w polu dalekim.
UWAGA! Trzeba pamiętać, że standardowy oscyloskop ma wejście odniesione do potencjału przewodu ochronnego (PE). W opisanej konfiguracji końcówka i masa sondy są zwarte ze sobą, więc nie wolno w żadnym wypadku dotykać nimi badanego układu. Nie należy także przenosić opisanej metody na układy sieciowe lub nieizolowane, bez uprzedniego wykonania pełnej analizy bezpieczeństwa stanowiska. Dlatego metoda jest najwygodniejsza i najmniej ryzykowna w badaniach układów zasilanych np. z użyciem zasilacza laboratoryjnego, tak jak w naszym przykładzie.
Najważniejsze wnioski praktyczne
Sonda oscyloskopowa z przewodem masy połączonym z końcówką pomiarową stanowi banalnie proste narzędzie do wstępnej diagnostyki emisji RFI na PCB. Takie „partyzanckie” rozwiązanie nie zastępuje rzecz jasna użycia prawdziwych sond bliskiego pola z analizatorem widma ani badań w profesjonalnej komorze (G)TEM lub tym bardziej SAC – ale nie taki jest przecież jego cel. Przedstawiona metoda pozwala szybko sprawdzić, gdzie na płytce powstają najsilniejsze zakłócenia i jak reagują one na zmiany: layoutu, filtracji, obciążenia lub trybu pracy układu. Jej największą wartością jest szybkość użycia: pomiar można wykonać natychmiast, bez specjalnego osprzętu, jeszcze na etapie uruchamiania prototypu. Warunkiem koniecznym do wyciągnięcia sensownych wniosków jest zatem traktowanie wyniku jako porównawczego, a nie bezwzględnego, który można wprost odnieść do limitów określonych w normach EMC.
