Nové sondy R&S: ladění spotřeby, milivolty i pásmo 9 GHz

Není snad vývojáře, který by si v dnešní době ještě dovolil navrhnout zařízení svévolně mrhající elektrickou energií. Ať již máme coby výrobce ruce svázané jasně danými pravidly a směrnicemi, nebo půjde o mnohem lepší a dlouhodobě udržitelnější otázku osobní cti, zákazník velmi rychle pozná, zda si za svým dílem hrdě stojíme, nebo se v noci sami budíme hrůzou ze snu. V případě vysokých kmitočtů, ale naopak též malých napěťových úrovní, to bude platit dvojnásob. A beze zbytku.

Účinně a zase jen efektivně

Souhlasíme, všichni nemají to „štěstí“ pracovat pouze s topnou spirálou, která podobně jako šíření poplašné zprávy vykáže stoprocentní účinnost, a aniž si toho bude sama nějak „vědoma“, protopí naprosto vše, co na svých svorkách dostane. Naše elektronika je však den za dnem nejen menší, ale také chytřejší, a tudíž i složitější, a spotřebitel zase rok od roku náročnější a choulostivější zároveň. Pochopil, že nabíjet musí i v roce 2017, ale proč by to měl dělat každý měsíc!

Kdybychom si tak při ladění systému směli vystačit jen s prostým násobením napětí a proudu. V základu ano, avšak na kolika místech zároveň, s jak velkým rozlišením, přesností a na základě jakých konkrétních spouštěcích podmínek? Samostatnou, ne však zcela ojedinělou kapitolou bude pochopitelně vysokofrekvenční technika. Složité čipsety, vf moduly nebo rovnou celá zařízení – zde všude potřebujeme dostat ze svého zdroje naprosté maximum. K dosažení takového cíle nám nyní pomohou i nové vícekanálové nástroje Rohde & Schwarz [1], na stránkách DPS Elektronika od A do Z viz také [2]. Půjde totiž o kompletní řešení pro testování výdrže baterie prakticky v jakémkoli provozním režimu. Rozlišení 18 bitů pak znamená měření již v nanoampérovém rozsahu. Jak to celé pracuje?

Tester, sonda, software

Vše názorně ilustruje obr. 1. Širokopásmový vf tester, stojící kupříkladu na platformě CMW [3], bude mít na starosti řízení komunikace se zkoumaným zařízením DUT, které rovněž nechává vstupovat do řady různých pracovních módů. Nový systém sond Power Probe RT‑ZVC, u kterého se ještě jednou blíže zastavíme, pak sbírá data o proudovém odběru a také napětích ve stanovených bodech a zapomenout nesmíme ani na software pro konfiguraci testovacích sekvencí CMWrun, se kterým budeme mít celý proces nejen pod kontrolou, ale rovněž pro obsluhu zajistíme docela podrobná hlášení [4].

Mezi událostmi, které se odehrávají na bezdrátovém rozhraní zkoumaného systému a jeho vlastní spotřebou, tak dokážeme najít docela přesný vztah. A nejen to. Díky širokému dynamickému rozpětí sondy tak činíme v rámci celého rozsahu – od dlouhodobě nízkých odběrů v pohotovostních režimech až po obrovské spotřeby, kdy zařízení vysílá, byť jen velmi krátce, ale zato s maximálním výkonem. Reálnou výkonovou spotřebu jednotlivých prvků, např. aplikačního procesoru, vf částí apod., dokážeme souběžně, a ještě k tomu řízeně v základu porovnávat až na čtyřech různých místech obvodu, a komunikovat přitom přes rozhraní USB 3.0.

Vylaďte napájení

Jádro nového vícekanálového systému sond Power Probe RT-ZVC02/04 pro optimalizaci napájení od společnosti Rohde & Schwarz bude tvořeno 18bitovými A/D převodníky pro každý měřicí vstup napětí či proudu, přesně jak to zachycuje blokové schéma na obr. 2. V praxi to pak znamená paralelní, a navíc plně synchronní sběr dat. Napětí a proud budou spolu v reálném čase i násobeny (32 bitů), zatímco vlastní post processing automaticky vyčíslí též minima, maxima, avg či RMS. Bez nutnosti přepínání tak pokryjeme nízké odběry v řádu μA, nebo dokonce nA stejně jako vysoké špičky na úrovni celých ampér. Systém souběžně měří rozdílové a také souhlasné, střídavé i stejnosměrné signály se vstupními rozsahy ±15 V, resp. 4,5 μA až 10 A.

Pro případ krátkých pulzů můžeme počítat se šířkou pásma až do 1 MHz (1 dB) a vzorkovací rychlostí pěti milionů samplů za vteřinu, což na časové ose odpovídá kroku 200 ns. Poradíme si tak i s rychlými přechodovými ději provázejícími např. spouštěcí posloupnosti čipů po zapnutí napájení. S výběrem optimálních podmínek pomohou tři volitelné interní bočníky, příp. též jejich externí provedení v případě specifických požadavků na amplitudy nebo nutnosti měřit proudy v těsné blízkosti testovaného zařízení DUT.

16 kanálů jako na dlani

Vztah mezi aktuálním odběrem a analogovými nebo též číslicovými řídicími signály můžeme zcela jasně pozorovat i v kombinaci s osciloskopy R&S RTE či RTO – viz obr. 3. Cíl je prostý: zajistit maximální využití omezených bateriových zdrojů, pokud možno již v rané fázi vývojového cyklu. Snímané veličiny budou do osciloskopů přenášeny přes číslicové rozhraní a následně synchronně zobrazeny s příslušnými analogovými kanály přístroje. Spouštění na vstupní signály výše zmiňovaných RT-ZVC pak umožňuje jednotka integrovaná přímo do systému Power Probe.

Systém sond Power Probe RT-ZVC02 přináší dva proudové a stejně tak i napěťové kanály, RT-ZVC04 pak dvojnásobek, takže změří čtyři napětí a rovněž i čtyři proudy. K osciloskopům řady RTE či RTO přitom smíme zapojit až dvě „krabičky“, a rozšířit si tak počet kanálů o dalších šestnáct. Pro vývojáře pracující na základních deskách procesorů či hradlových polí rozhodně dobrá zpráva, stejně jako v případě aplikační poznámky IoT Power Consumption Measurement [7], která se otázce praktického využití na svých 36 stranách věnuje podrobněji.

A zase ty milivolty

Precizní měření napětí v milivoltovém rozsahu umožní nová pasivní sonda 1:1 RT-ZP1X od společnosti Rohde & Schwarz [8], rozšiřující opět možnosti použití osciloskopů řad RTO a RTE. Jak sonda, tak též vstupní struktury přístrojů vykazují neobyčejně nízké úrovně rušení, a společně tak vytvářejí odpovídající řešení pro měření malých signálů, např. při testování napájení pro integrované obvody a další elektronické součástky, již od 1 mV/div.

Není se ostatně ani čemu divit. Požadavky, kladené na napájecí napětí, rostou zejména v oblasti vestavných návrhů nebývalou měrou. Na stále menší ploše se spolu potkává ještě více funkčních bloků s požadavky na minimální proudové odběry, a právě to vytváří prostor pro vyhodnocování nezbytné integrity, spojované s napájecími zdroji. Při měření úrovně rušení se v těchto typech zapojení běžně pracuje v milivoltových rozsazích, takže se bez citlivé sondy s nízkým šumem neobejde vývojář, ale ani servisní technik.

Nová pasivní sonda RT-ZP1X bude přizpůsobena osciloskopům R&S RTE (až do 2 GHz) a také RTO1000/2000 (až do 4 GHz).

Šumové pozadí přístrojů zůstává pod úrovní 650 μVpp (1 mV/div a šířka pásma 200 MHz), a to i v případě vstupní impedance 1 MΩ, přičemž jiné osciloskopy takových výsledků dosahují pouze s impedancí vstupu 50 Ω.

Za zmínku stojí též „zvětšená“ zobrazení v 16bitovém režimu HD s vysokým rozlišením nebo hardwarově řešená, rychlá Fourierova transformace FFT s výsledným spektrem prakticky v reálném čase. Při zkoumání interferencí tak třeba dokážeme rozeznat 10 MHz signály navázané na sousední vedení hodinového signálu již na první pohled. Užitečné bude i zónové spouštění pro grafické oddělení událostí, např. nadlimitních podmínek, a to v časové i frekvenční oblasti. Sondy využijeme též ve spojení s osciloskopy R&S RTM (až do 1 GHz) nebo HMO (70 MHz až 500 MHz).

Modulárně až do 9 GHz

Precizní a zároveň snadné zkoumání rychlých signálů s maximální šířkou pásma do 9 GHz, rozsahem stejnosměrného offsetu od –16 V až do +16 V pro analýzu malých úrovní přítomných i na vyšších napětích nebo též funkci MultiMode umožňující uživateli přepínat mezi různými testovacími režimy, např. rozdílovým DM, souhlasným CM, single-ended P a také single-ended N bez nutnosti přepojování obvodu spojeného s možnou chybou obsluhy, přináší další nový systém osciloskopických sond RT-ZM [9] od společnosti Rohde & Schwarz. Nechceme se sice opakovat, ale přístroje R&S řady RTE a RTO musíme zmínit ještě jednou, tentokrát již ale naposledy.

Smysl bude jasný a svědčí o něm též obr. 5: umožnit a garantovat optimální kontakt s testovaným zařízením DUT. Kromě vysokého dynamického rozsahu to bude znamenat i naprosto minimální vstupní kapacitu, která se v závislosti na konkrétním hrotu, resp. měřicím režimu, pohybuje mezi 32 fF až 521 fF, a to až do GHz rozsahu. Signál totiž potřebujeme zatížit a zkreslit pokud možno co nejméně. Systém se pak skládá z bloků zesilovačů se šířkou pásma od 1,5 GHz až do 9 GHz a řady vyměnitelných špiček a také jejich modulů umožňujících pájení, připojení přes konektory a jiné vývody nebo prosté přichycení s využitím síly pružiny. S uvážením teplotního rozsahu od –55 °C až do +125 °C se pak nezastavíme ani před teplotní komorou.

Snad až „návykovou“ záležitostí se může stát i tlačítko ProbeButton na modulu zesilovače. Uživatel si jeho funkci nakonfiguruje přímo na osciloskopu, a může tak přepínat mezi jednotlivými testovacími režimy, spouštět a zastavovat měření, nebo je třeba i dokumentovat. Z celkové výbavy pak poplatně blokovému diagramu na obr. 6 musíme samozřejmě zmínit i přesná měření napětí nezávisle na osciloskopu, tj. funkci ProbeMeter [10]. Nepřetržitou funkci nabízejí přímo moduly zesilovače díky speciálnímu A/D převodníku, a pro nás tak znamená souběžné vyhodnocování stejnosměrných složek signálu s přesností 0,05 % a dynamickým rozsahem ±7 V.

Odměřeno a odladěno

V článku jsme si představili vybrané novinky od společnosti Rohde & Schwarz se společným jmenovatelem v podobě dalšího, a především pak precizního rozšiřování vstupů měřicí a testovací techniky.

Ať již tedy budeme ladit spotřebu a počítat přitom s 32bitovým vyjádřením výkonu za přesně daných podmínek, a ještě k tomu na několika místech najednou s využitím až 16 dalších napěťových či proudových kanálů, nebo se zase jednou „nerušeně“ zastavíme ve světě milivoltových úrovní a cestou zpátky to vezmeme pěkně „zeširoka“, ale stále svobodně a modulárně i pro rychlosti 5 Gbit/s, rozhodně máme z čeho vybírat. Při dosahování jen těch nejlepších výsledků, tzn. včetně udržování proudového odběru na rozumně nízké úrovni, přeji všem vývojářům hodně štěstí.