Гальваническая развязка для устранения типичных источников ошибок при дифференциальных измерениях

Типичная измерительная система содержит осциллограф и пробник, который обеспечивает подключение между испытываемым устройством (иУ) и осциллографом. Выбор пробника, поскольку его характеристики могут быть ограничивающим фактором в измерительной системе, имеет решающее значение. Идеальный пробник будет выдавать от иУ на осциллограф истинный дифференциальный сигнал, не оказывая на него заметного влияния.
Данная статья представлена в виде авторского перевода технического отчёта компании Tektronix [1].

Введение

Стандартные дифференциальные пробники часто не способны обеспечить требуемое представление фактического сигнала из-за ограниченного значения коэффициента подавления синфазного сигнала (Common Mode Rejection Ratio, далее — CMRR), ухудшения их номинальных характеристик в зависимости от частоты, собственной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и длины кабелей пробника. Эти ограничения в большей степени негативно проявляют себя при тестировании мощных преобразователей с высокой скоростью переключения, причем даже при номинальном синфазном напряжении.
Как же обойти такие ограничения? Для этого необходимо сначала оценить возникающие при измерениях погрешности и найти решение для их нивелирования.
Исходя из сказанного, рассмотрим возможные источники погрешностей измерения и покажем, как их можно преодолеть с помощью предлагаемой компанией Tektronix изолированной измерительной системы под названием IsoVu. Подробная информация о данной системе представлена в техническом документе компании Tektronix, доступном по ссылке [2].


Источники погрешности измерения

Дифференциальные пробники подключены к общему проводу.
Бытует ошибочное мнение, что потенциал дифференциального пробника является плавающим, но на самом деле традиционные дифференциальные пробники работают на основе дифференциальных усилителей, которые подключены к общему проводу или заземлению. Такое подключение ограничивает диапазон синфазного напряжения, вызывает снижение его допустимой частоты, создает паразитные контуры заземления и в итоге ограничивает подавление синфазного сигнала. Для устранения столь нежелательных эффектов идеальный дифференциальный пробник должен быть гальванически изолирован от общего провода или «земли». Усовершенствованная архитектура измерительной системы Tektronix IsoVu как раз и обеспечивает полную гальваническую развязку, которая достигается за счет оптоволоконного подключения.

Недостаточно высокий коэффициент подавления синфазного сигнала

Коэффициент подавления синфазного сигнала или, как его обозначают в технической литературе и спецификациях, — CMRR, определяет способность дифференциального пробника подавлять при дифференциальном измерении сигнал, который является синфазным по отношению к обеим точкам подключения. В идеальном случае значение CMRR для пробника должно быть бесконечно большой величиной, но у традиционных дифференциальных пробников, поскольку невозможно полностью согласовать два входных сигнала между собой, этот коэффициент ограничен.

На практике пригодными для измерения можно считать те пробники, у которых величина CMRR превышает 80 дБ (10 000:1). В тех случаях, когда обеспечена точная настройка характеристик компонентов, CMRR большинства дифференциальных пробников для измерения напряжения постоянного тока и для переменного на низких частотах, как правило, превышает 80 дБ и не вызывает проблем, связанных с CMRR. Но по мере увеличения частоты измеряемых сигналов (в том числе и при измерении сигналов с крутыми фронтами, что требует соответствующей им полосы пропускания) коэффициент CMRR дифференциального пробника ухудшается. Это связано с тем, что с ростом частоты возникающее при этом рассогласование сложно компенсировать, вот почему на частотах от 100 МГц CMRR большинства измерительных систем не превышает 20 дБ.

Рассмотрим измерения на примере полумоста, часто используемого в преобразователях. Его упрощенное представление приведено на рис. 1. Выполнение точных измерений на транзисторе верхнего плеча может оказаться проблематичным из-за комбинации скорости включения/выключения ключа и наличия синфазного напряжения.
Как видно на рис. 1, синфазное напряжение затвор-исток VCM относительно общего провода составляет 40 В, а требуемое нам дифференциальное напряжение затвор-исток VDM равно всего 5 В. При проведении этого измерения следует понимать, что в спецификации на преобразователь, как правило, будет указана рабочая частота преобразования. Но мы будем иметь дело не только с ней и, соответственно, не с периодом переключения компонента, для нас и пробника критическим здесь будет длительность фронтов рабочих импульсов, которая обычно намного меньше длительности рабочих импульсов. При этом их частота и длительность может быть переменной, например, при частотном регулировании и использования широтно-импульсной модуляции.

 

Рис. 1. Пример типового измерения дифференциального сигнала в полумостовой схеме

                                                                        Рис. 2. Ухудшение показателя CMRR пробника с ростом частоты

Ухудшение номинальных рабочих характеристик с ростом частоты

Рис. 3. Уменьшение номинального напряжения с ростом частоты дифференциального пробника N2790A от компании Keysight Technology

Длинные подводящие провода

Рис. 4. Традиционный дифференциальный пробник с аксессуарами от компании Tektronix

В типовом приложении пара пробников подключается к входу дифференциального усилителя. Эти пробники различаются по длине проводов, ориентации, восприимчивости и нагрузке, что делает такие измерения невоспроизводимыми. Как правило, чтобы решить проблему с длинными проводами, их скручивают (свивают с определенным шагом) или укорачивают. Однако такие ухищрения не всегда помогают решить исходную задачу — повысить точность измерений.
Идеальный дифференциальный пробник должен быть невосприимчивым к вариациям длины кабеля подключения, различиям по ориентации и восприимчивости по нагрузке. Уникальная архитектура пробника IsoVu от компании Tektronix исключает необходимость использования согласованных подводящих проводов, обеспечивая истинно дифференциальный вход с экранированной структурой.