Cambios en la forma del reloj con dos sondas O-Scope

Tengo una placa de desarrollo Max V CPLD que tiene un oscilador de 10 MHz integrado. Conecté la sonda CH2 al pin de salida y luego escribí un pequeño programa VHDL que enviaba el reloj a un pin externo. Conecté la sonda CH1 a este pin.

Mi primera pregunta es, ¿por qué la forma de onda no es cuadrada?

En segundo lugar, observe cómo la forma de onda cambia de forma cuando desconecto el primer canal. ¿Por qué es esto? El o-scope es un Rigol de 50MHz 1GS/s.

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Bien, aquí hay una imagen con la sonda configurada en 1x (derecha) y 10x (izquierda). Conecté la sonda directamente al oscilador. Solo se conectó CH1 y también encontré una tierra cerca del oscilador. No soldé un cable, como antes, sino que sostuve el clip de tierra en la almohadilla de tierra. Era una forma tosca pero daba mejores resultados que con un alambre. También encontré el oscilador, es el ACHL-10.000MHZ-EK . El máximo. el tiempo de subida parece ser de 10 ns.

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Creo que la mayor diferencia se hizo al conectarse directamente a la plataforma de tierra. Pero estoy desconcertado: ¿por qué un cable o la distancia entre el punto de prueba y el suelo hacen tanta diferencia?

¿Sus sondas tienen un interruptor x10?
¿Cómo es tu puesta a tierra?
@ChrisStratton Soldé un cable en una plataforma de tierra vacía. Por lo tanto, está a cierta distancia de la sonda, pero es difícil conectar el clip a cualquier cosa en un desarrollador. junta.
@PaulR Sí, se actualizará con imágenes tomadas con sonda a 10x.
@Saad: se ven mucho mejor, vea la respuesta editada para la conexión a tierra de la sonda.
@Saad: en los clips anteriores, ¿no quiere decir que el 10x está a la derecha ? Pregunto como dice división de 100mV en lugar de la izquierda que es división de 1V. ¿Lo intentaste sin el clip de tierra? (es decir, con un pequeño cable envuelto alrededor del barril -> tierra del oscilador como se menciona en los enlaces) No hará mucha diferencia ya que ya se ve más o menos como debería ser, pero puede reducir el sobreimpulso.
@OliGlaser Ups, tienes razón. Me equivoqué a derecha e izquierda. Lo siento, ¡escribí eso a las 2 AM! Probaré lo que me sugeriste esta noche y publicaré los resultados.

Respuestas (2)

La forma de onda no es cuadrada ya que su osciloscopio solo tiene 50 MHz de ancho de banda.

Una onda cuadrada de 10 MHz tiene un contenido de frecuencia significativo muy por encima de eso. Todo lo que está viendo es el resultado del filtrado de paso bajo a ~ 50MHz, lo que significa que solo está obteniendo los armónicos fundamentales y un par (como máximo) de los impares.

¿Por qué los cambios con dos sondas también son similares? Está agregando más capacitancia a través de la señal, que también actúa como un filtro de paso bajo. También puede estar cargando el oscilador más de lo que puede manejar "bien". Compruebe la impedancia de las sondas.

Este me tiene un poco desconcertado.

Si en el clip de pantalla izquierdo tiene CH2 en el oscilador y CH1 en un pin CPLD que está amortiguando la señal del reloj, entonces no estoy seguro de por qué quitar la sonda del pin CPLD haría tanta diferencia.
Si tenía ambas sondas en la salida del oscilador, se entiende fácilmente con la capacitancia adicional como menciona Martin, pero como lo describió, no lo son, por lo que debe estar sucediendo algo más.

En cuanto a que la forma de onda no sea cuadrada, podrían ser algunas cosas:

En primer lugar, no asuma que la salida del oscilador es particularmente cuadrada, sus tiempos de subida/bajada pueden ocupar una parte significativa de cada ciclo. Consulte su hoja de datos para ver qué esperar. Acabo de echar un vistazo a un oscilador CMOS típico de 10 MHz , y los tiempos de subida/bajada se dieron como 10 ns, por lo que es el 20 % de cada ciclo y no parecerá ese cuadrado. Aquí hay un clip de pantalla de una forma de onda de 10 MHz con tiempos de subida/bajada de 10 ns, pero sin atenuación de alta frecuencia. Puede ver que no está muy lejos de lo que está viendo en el clip de la pantalla de la derecha.

Tiempo de subida/bajada

En segundo lugar, las sondas se pueden configurar a 10x para que no interfieran tanto con la salida del oscilador y se reduzcan los efectos de la capacitancia, el cable de tierra también debe ser lo más corto posible, lo ideal es quitar el cable de tierra y usar un clip en el punta de la sonda a la tierra más cercana en la PCB (por ejemplo, pin de tierra del oscilador o cerca)

Creo que una onda cuadrada de 10 MHz (verdadera) no debería verse tan mal en el Rigol, de todos modos esperaría que se viera mucho mejor que los clips de la izquierda. Aunque el ancho de banda es de 50 MHz, pasará algunas frecuencias más altas ya que la caída probablemente no sea tan pronunciada. Por lo tanto, es posible que obtenga un poco de los armónicos impares 4 y 5. Una forma de tener una idea razonable de qué esperar sería alimentar, por ejemplo, una onda sinusoidal de 100 MHz de amplitud conocida y ver lo que aparece en la pantalla.

Como referencia, acabo de tomar un clip (de este video ) de un Rigol de 50 MHz que muestra lo que creo que es una onda cuadrada de 20 MHz:

Onda cuadrada Rigol 20MHz

EDITAR - Esos clips se ven mucho mejor. La razón por la que la distancia entre la señal y el punto de tierra de la sonda hace tanta diferencia es la inductancia adicional añadida. Esto puede hacer que las frecuencias altas se atenúen. Como se mencionó anteriormente, lo ideal es que suelte el cable de tierra y use un cable/clip pequeño en lugar del punto de tierra de la señal para que el bucle sea lo más pequeño posible. Tenga en cuenta que parece que puede necesitar compensar su sonda correctamente; consulte los enlaces a continuación para obtener consejos (o el manual de su osciloscopio/sonda).
Si su osciloscopio tiene una rutina de calibración de sonda, ejecute esto.

Aquí hay algunos enlaces sobre sondeo de señales de alta velocidad:
Consejos para mejorar las mediciones del osciloscopio
Sondeo de diseños digitales de
alta velocidad Sondeo de circuitos digitales
de alta velocidad Un par de buenos libros:
High Speed ​​Digital Design: A Handbook of Black Magic - Johnson and Graham
High Speed ​​Signal Propagation: Magia Negra Avanzada - Johnson y Graham

Siento que debería verse mejor de lo que lo hace. Utilizo un antiguo osciloscopio analógico de 100 MHz y funciona bastante bien con una onda cuadrada de 50 MHz y una onda sinusoidal de 120 MHz.
@LeonHeller: bueno, eso es solo porque el osciloscopio analógico no está muestreando , ¿no? Por eso prefiero tener un osciloscopio analógico de 100 MHz que uno digital de 1 GHz.
@JustJeff: creo que el ancho de banda analógico es lo importante aquí. A 1 Gsps, una forma de onda de 10 MHz tiene 100 muestras, lo que debería ser suficiente. Cualquier efecto en el Rigol provendrá casi en su totalidad del ancho de banda analógico, por lo que creo que la comparación es relevante. Por cierto, el Rigol de 100 MHz usa exactamente el mismo hardware y frecuencia de muestreo, la única diferencia es que el firmware controla un varactor para aumentar el ancho de banda analógico relajando el roll-off (ver EEVblog )
Tenga en cuenta que el Rigol (50 MHz) solo muestrea a 1 Gsps, su ancho de banda nominal es de 50 MHz. Un osciloscopio digital real de 1 GHz muestrearía a >10 Gsps. Por supuesto, un buen osciloscopio analógico de 100 MHz será unos órdenes de magnitud más barato :-)
Cambios en la forma del reloj con dos sondas O-Scope
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