Impulsowy test oscyloskopów i sond pomiarowych, część 2

Zmontowałem i przetestowałem „NanoGen – generator nanosekundowy” opisany w ZE 3/2026. Było to bardzo interesujące, wzbogacające wiedzę, ale też zaskakujące doświadczenie. W czterech artykułach chciałbym podzielić się swoimi spostrzeżeniami. Mam nadzieję, że moje uwagi przydadzą się innym Czytelnikom.

Referencyjny pomiar oscyloskopu Rigol DHO812

W pierwszej części cyklu przedstawiłem podstawy metody impulsowej oraz omówiłem zależność między czasem narastania a efektywnym pasmem przenoszenia toru pomiarowego. Kolejnym krokiem było wyznaczenie referencyjnej odpowiedzi impulsowej oscyloskopu Rigol DHO812, która miała stanowić punkt odniesienia dla wszystkich dalszych pomiarów sond.

Celem eksperymentu nie było jedynie określenie czasu narastania samego oscyloskopu. Równie istotne było sprawdzenie wpływu terminacji linii transmisyjnej na obserwowany przebieg oraz pokazanie, jak łatwo można uzyskać pozornie lepsze wyniki wskutek nieprawidłowej konfiguracji pomiarowej.

Architektura stanowiska pomiarowego

Głównym źródłem sygnału testowego był nanogenerator impulsowy, opisany w poprzedniej części cyklu. Generator wytwarza impulsy o bardzo krótkim czasie narastania, dzięki czemu może pełnić funkcję szerokopasmowego źródła pobudzającego podczas badań odpowiedzi impulsowej aparatury pomiarowej.

Przy czasach narastania liczonych w pojedynczych nanosekundach wszystkie połączenia należy traktować jak elementy linii transmisyjnych. Dodatkowe złącza, przejściówki oraz przewody wprowadzają pasożytnicze indukcyjności i pojemności, które mogą powodować odbicia sygnału, lokalne rezonanse oraz zniekształcenie odpowiedzi impulsowej.

W początkowej konfiguracji stanowiska pomiarowego stosowałem bardziej rozbudowany łańcuch połączeń zawierający przejściówkę SMA-BNC (gniazdo) oraz dodatkowy łącznik typu „beczka” BNC. Analiza przebiegów wykazała zwiększony poziom oscylacji przejściowych oraz wydłużony czas ich wygaszania. Każde dodatkowe złącze stanowi bowiem lokalną nieciągłość impedancji, która przy bardzo szybkich zboczach może stać się źródłem odbić i rezonansów pasożytniczych.

W kolejnej iteracji stanowiska zastąpiłem przejściówkę SMA-BNC (gniazdo) przejściówką SMA-BNC (wtyk), co umożliwiło całkowite wyeliminowanie dodatkowego łącznika BNC (fotografia 7).

Pozwoliło to ograniczyć liczbę nieciągłości impedancyjnych oraz wpływ pasożytniczych elementów RLC w torze pomiarowym. W rezultacie odpowiedź impulsowa stała się bardziej stabilna, a amplituda oscylacji przejściowych uległa zmniejszeniu.

Przyjęta przeze mnie metodologia obejmowała dwa etapy:
– wyznaczenie referencyjnej odpowiedzi impulsowej samego oscyloskopu,
– pomiary z udziałem sond oraz porównanie ich wpływu na odpowiedź impulsową całego toru pomiarowego.

Konfiguracja wejściowa oscyloskopu

Kanały analogowe oscyloskopu Rigol DHO812 charakteryzują się impedancją wejściową 1 MΩ, równolegle z pojemnością około 15 pF. Oscyloskop nie ma przełączanej terminacji 50 Ω, dlatego podczas pomiarów szerokopasmowych konieczne jest zastosowanie zewnętrznego terminatora. W trakcie badań wykonałem pomiary w dwóch konfiguracjach połączeń. Pozwoliło to zobrazować jeden z najczęściej popełnianych błędów podczas pomiarów bardzo szybkich sygnałów.

Połączenie A – bezpośrednie (błędne metrologicznie)

Łańcuch połączeń miał postać:
[Wyjście SMA generatora] —> [adapter SMA-BNC] —> [wejście oscyloskopu].

W tej konfiguracji linia transmisyjna została zakończona wejściem o impedancji około 1 MΩ. Dla sygnałów o bardzo dużej szybkości narastania oznacza to praktycznie rozwarcie linii transmisyjnej. Sygnał docierający do wejścia oscyloskopu ulegał niemal całkowitemu odbiciu. Fala odbita powracała do punktu pomiarowego i nakładała się na falę padającą, powodując lokalny wzrost amplitudy oraz pozorne wyostrzenie zbocza narastającego (rysunek 8).

Na ekranie oscyloskopu zaobserwowałem dwa charakterystyczne efekty. Po pierwsze amplituda sygnału wzrosła do około 3,56 V. Najwyższa podpisana linia siatki odpowiadała napięciu 3,269 V, natomiast ustalony poziom sygnału znajdował się wyraźnie powyżej tej wartości. Kursor napięciowy AY, wyznaczający poziom 90%, wskazywał 3,198 V, natomiast kursor BY – 318,3 mV, co dawało różnicę ΔY = 2,88 V. Jest to laboratoryjne zobrazowanie wzrostu napięcia wynikającego z odbicia fali elektromagnetycznej od końca linii zakończonej bardzo wysoką impedancją.

Po drugie zaobserwowałem pozorne skrócenie czasu narastania. Automatyczny algorytm pomiarowy oscyloskopu wyznaczył wartość, tr = 2,30 ns.

Po podstawieniu do zależności: BW ≈ 0.35/tr, otrzymałem efektywne pasmo około 152 MHz. Wynik ten nie opisuje jednak rzeczywistego pasma oscyloskopu. Jest skutkiem lokalnego wyostrzenia odpowiedzi przez falę odbitą i stanowi klasyczny przykład artefaktu pomiarowego wynikającego z nieprawidłowej terminacji toru pomiarowego.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się we wrześniowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 9/2026). Pełną wersję czasopisma znajdziesz pod tym linkiem. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 9/2026 znajduje się tutaj.

Tadeusz Susfał
tseleze@gmail.com

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.