W pierwszej części artykułu opisaliśmy teoretyczne zagadnienia związane z użytkowaniem oscyloskopów wyposażonych w tryb wejścia o niskiej impedancji. Aby pokazać praktyczny wpływ impedancji wejściowej na wyniki pomiarów, wykonaliśmy prosty eksperyment z użyciem generatora sygnałowego i oscyloskopu Keysight MSO-X 3054G.
Przebieg prostokątny, f=1 MHz
Na początek generator RF został połączony z wejściem oscyloskopu za pomocą dwóch 1,5-metrowych przewodów koncentrycznych BNC, złączonych ze sobą za pomocą trójnika (rozdzielacza) 3xBNC.
Pierwszy pomiar wykonaliśmy na przebiegu prostokątnym o częstotliwości 1 MHz. Przy ustawieniu wejścia oscyloskopu na impedancję 1 MΩ zmierzona przez przyrząd wartość międzyszczytowa napięcia wynosiła około 2,0 V.
Po przełączeniu wejścia na impedancję 50 Ω wartość wskazywana przez oscyloskop spadła do około 1,0 Vpp. Jest to klasyczny efekt obserwowany przy generatorach skalowanych dla obciążenia 50 Ω: przy braku terminacji napięcie na wejściu wysokoomowym jest w przybliżeniu dwukrotnie większe niż wartość oczekiwana dla obciążenia 50 Ω. Warto zauważyć, że choć przy pomiarze na wejściu 50 Ω sygnał wygląda nieco lepiej niż przy impedancji 1 MΩ (uwagę zwracają zniekształcenia pojawiające się tuż za zboczami), to w gruncie rzeczy na obydwu oscylogramach jakość przebiegu jest zbliżona. Takie podobieństwo niesie ryzyko łatwego przeoczenia błędu w odczycie amplitudy – jeżeli patrzymy wyłącznie na kształt sygnału, a nie na warunki terminacji, możemy nie zwrócić uwagi na niewłaściwą skalę.
Podkręcamy tempo do 25 MHz
Znacznie ciekawsze wyniki pojawiły się przy przebiegu prostokątnym o częstotliwości około 25 MHz. Przy impedancji wejścia równej 1 MΩ zmierzona wartość międzyszczytowa znów wyniosła niecałe 2 V, ale na zboczach widoczne były już wyraźne przeregulowania i oscylacje, a co jeszcze ważniejsze – deformacje poziomych odcinków przebiegu. To właśnie klasyczny efekt falowy – odbicie od wysokiej impedancji wejścia oscyloskopu (widzianej od strony linii transmisyjnej, czyli przewodu koncentrycznego), ewidentnie niedopasowanej do 50-omowego wyjścia generatora.
Po przełączeniu wejścia oscyloskopu na 50 Ω amplituda tego samego sygnału spadła oczywiście o połowę – czyli do wartości zgodnej z oczekiwanym poziomem dla generatora pracującego w tym samym układzie, ale z obciążeniem 50 Ω. Wprawdzie przy zboczach wciąż widoczne są zafalowania, ale pozostała część przebiegu (pozioma) jest nieporównanie bardziej „kulturalna”. W praktyce taki pomiar jest znacznie bliższy rzeczywistym warunkom pracy toru 50-omowego niż obserwacja tego samego sygnału na wejściu 1 MΩ.
A teraz wprowadźmy trochę zamieszania!
Dodatkowy pomiar wykonaliśmy z obciążeniem w postaci rezystora o wartości 47 Ω, który włączyliśmy do wolnego portu trójnika BNC.
W przypadku pomiaru oscyloskopem z wejściem 1-megaomowym i dodatkowym terminatorem uzyskany przebieg jest bardzo silnie zniekształcony – widać liczne odbicia wynikające z nieciągłości impedancji, a efekt ten jest znacznie wyraźniejszy niż przy pomiarze na wejściu 50-omowym, który jest obarczony jedynie początkowymi oscylacjami przy zboczach.
Ten pomiar pokazuje już, jak na dłoni, szereg pułapek. Po pierwsze, jeżeli do toru zostanie dołączone zewnętrzne obciążenie (rezystor 47 Ω), a wejście oscyloskopu również zostanie ustawione na 50 Ω, źródło sygnału „zobaczy” w przybliżeniu równoległe połączenie obu impedancji, czyli około 24 Ω. W naszym przypadku zmierzona wartość międzyszczytowa – z wyjściowych 2,0 V – spadła do około 0,64 V. I znów nie oznacza to błędu bądź zmiany ustawień generatora, lecz… przeciążenie jego wyjścia zbyt małą impedancją. Na wejściu oscyloskopu widoczne jest bowiem napięcie stanowiące około 1/3 ustawionej amplitudy wyjściowej generatora. Ten przykład dobitnie pokazuje, że terminacji nie należy dublować: albo korzystamy z wejścia oscyloskopu 50 Ω, albo z zewnętrznego terminatora umieszczonego tuż przy wejściu oscyloskopu.
Kolejny wniosek również ma duże znaczenie praktyczne. Włączenie terminatora na środku linii transmisyjnej (pomiędzy dwoma relatywnie długimi przewodami) nie stanowi prawidłowej terminacji – w naszym przypadku między trójnikiem a wejściem oscyloskopu znajduje się jeszcze 1,5 metra kabla koncentrycznego. A to daje już sposobność do powstawania efektownych odbić; trudno więc też mówić o poprawnym działaniu naszego przykładowego opornika w roli terminatora. Jak widać, włączenie terminatora „gdzieś po drodze” zdecydowanie nie jest równoznaczne z wpięciem go tuż przy wejściu wysokoomowym. Stąd zresztą biorą się powszechnie znane zalecenia dotyczące umieszczania terminatorów tylko na końcach długich odcinków linii – np. w przypadku magistral szeregowych RS-485 rezystory nie powinny być stosowane przy każdym odgałęzieniu łącza, ale wyłącznie na jego początku i na końcu.
W naszym eksperymencie wprowadzenie dodatkowego elementu (rezystora) do obwodu spowodowało niemałe „zamieszanie sygnałowe”. Na oscyloskopie z wejściem 50-omowym ten efekt był widoczny znacznie słabiej (wszak mniejsze były dysproporcje pomiędzy impedancjami poszczególnych elementów obwodu) i wciąż dało się zobaczyć dość przyzwoity przebieg prostokątny. Przełączenie oscyloskopu na 1 MΩ – choć pozornie powinno poprawić sytuację (wszak większa impedancja słabiej obciąża źródło) – spowodowało powstanie bardzo silnych artefaktów. I to przy częstotliwości zaledwie 25 MHz – a przecież w układach radiowych czy w szybkich interfejsach cyfrowych pasmo użyteczne jest o 2 lub nawet 3 rzędy wielkości szersze!
Co ciekawe, eksperyment powtórzyliśmy jeszcze raz – tym razem przenosząc ten sam rezystor ze środka linii transmisyjnej na wejście oscyloskopu (z użyciem dodatkowego trójnika) i ustawiając impedancję na 1 MΩ. Poziom napięcia spadł do oczekiwanej wartości (około 1 Vpp), a kształt przebiegu był zbliżony do tego z rysunku 5, choć nieco bardziej pofalowany.
Podsumowanie
Wyniki naszego eksperymentu można podsumować następująco: przy niskich częstotliwościach i wolniejszych zboczach brak terminacji 50 Ω najczęściej ujawnia się praktycznie tylko jako ewentualny błąd pomiaru amplitudy (jeżeli generator jest wyskalowany dla dopasowanej impedancji obciążenia, a nie dla odbiorników wysokoomowych). Przy szybkich przebiegach dochodzą do tego odbicia, przeregulowania i zniekształcenia sygnału. Z kolei zastosowanie dwóch terminacji jednocześnie prowadzi do nadmiernego obciążenia generatora i zaniżenia amplitudy, może ponadto wprowadzać do układu jeszcze więcej artefaktów. Dlatego w pomiarach szybkich sygnałów trzeba patrzeć nie tylko na ustawienia aparatury, ale też na cały tor: źródło, linie transmisyjne (w tym przewody koncentryczne), a także prawidłową terminację i ewentualne dodatkowe obciążenia.
Jeżeli spodobał Ci się ten artykuł, koniecznie zapisz się na nasz newsletter i zaobserwuj nas w mediach społecznościowych, aby być zawsze na bieżąco z wartościowymi artykułami!
