בדיקות רכיבים באמצעות אוסילוסקופ עם מחולל צורות גל משולב

Dennis Weller, Agilent Technologies

מאמר זה מציג שיטות לבדיקת רכיבים באמצעות אוסילוסקופ ומחולל צורות גל. יודגם איך לבדוק קבלים, משרנים, דיודות, טרנזיסטורים דו-קוטביים וכבלים. שיטות הבדיקה הללו יכולות לשמש לאימות רכיב פגום או לזיהוי הערך של רכיב שאינו מסומן.

תצורת הבדיקה
הרעיון הכללי מאחורי הבדיקה הזו הינו להפעיל גֵּרוּי על הרכיב באמצעות מחולל צורות גל, ולמדוד את התגובה באמצעות אוסילוסקופ. אוסילוסקופ InfiniiVision מסדרה X של Agilent Technologies כולל מחולל צורות גל מובנה, דבר ההופך אותו לפתרון “קופסה אחת” נוח לצורך בדיקת רכיבים. יש לציין שאין זה תחליף מלא לבודקי ציוד מקצועיים, המספקים דיוק טוב יותר ובדיקות מקיפות יותר. יחד עם זאת, ייתכן שבודקים כאלה אינם זמינים. במקרה כזה, זוהי שיטה מהירה לבדוק רכיבים עם ציוד זמין ונגיש יותר, במקרה זה אוסילוסקופ ומחולל צורות גל.
תרשים 1 מתאר את תצורת המדידה. מחולל צורות הגל מחובר לקלט האוסילוסקופ עם הסתעפות T לרכיב, הנקרא גם DUT (ההתקן הנבדק, Device Under Test). כדי לבדוק רכיבים של התקנה עליונה (surface mount) מומלץ להשתמש ב-Surface Mount Device Probe 11060A או התקן שקול. המתח של מחולל צורות הגל, Vsrc, מופעל על ההתקן הנבדק באמצעות התנגדות המקור בת 50 האוהם של מחולל צורות הגל. המתח בהתקן הנבדק נמדד על ידי ערוץ הקלט של האוסילוסקופ. האוסילוסקופ מופעל ממחולל צורות הגל. במקרה של אוסילוסקופ מסדרה X שלAgilent , חיבור ההפעלה (הטריגר) הזה הינו מובנה ומבטל את הצורך בחיבור חוט נוסף ובשלבי קביעת התצורה של הטריגר. המשתמש פשוט בוחר את מחולל צורות הגל המובנה כמקור ההפעלה.

בדיקות קבלים ומשרנים
תרשים 2 מציג את תצורת האוסילוסקופ ומדידה כאשר אין התקן נבדק מחובר. מיצוע משמש להקטנת רעשים ולכן לשיפור הדיוק. מדידות מתח ה-Min האוטומטי, זמן עליה (Rise) ונפילה (Fall) (10-90%) מופעלות, ומיקום נקודת ההפעלה נקבע לצד שמאל.
גל רבוע של 10 הרץ ו-100 mVpp  משמש כדחיפה (stimulus)  על ידי השימוש במתח כה נמוך, בדיקה תוך-מעגלית של ההתקן הנבדק הינה אפשרית בלי התקני מוליכים למחצה העשויים להיות מחוברים להתקן הנבדק ולהטות את התוצאות. כמו כן, מתח נמוך זה ממזער את זרם הדליפה ההפוכה בקבלים מקוטבים, העלול לפגוע בדיוק המדידה.

בדיקות קבלים
כאשר ההתקן הנבדק הינו קבל, תצורת המעגל הינה רשת R-C קלאסית, כאשר R הינו עכבת מקור בת 50 אוהם של מחולל הפונקציה. עכבת הקלט של האוסילוסקופ הינה  1 Mohm הרבה יותר מעכבת המקור בת 50 האוהם של מחולל צורות הגל, ולכן ניתן להתעלם ממנה. ערך הקיבוליות של ההתקן הנבדק, Cdut, ניתן לחישוב ממדידת זמן העלייה (10-90%) על ידי הנוסחה:
Cdut=0.0091*risetime-Ctest
להשגת המדידה המדויקת ביותר, יש למדוד ולהביא בחשבון את הקיבוליות של מערכת הבדיקה. השיטה המומלצת לקביעת Ctest הינה למדוד קבל ידוע, מדויק וטוב של 1 nF ולהפחית 1 nF  מהערך הנמדד על מנת לקבל את Ctest. תרשים 3 מראה מדידה כזו עבור קבל של 1 nF. ממדידת זמן העלייה שבתרשים 3, ערך הקיבוליות המחושב הינו 1.24 nF, לכן Ctest הינו בערך 0.24 nF.
יש לשים לב כאשר קובעים את הגדרת ה-s/div של האוסילוסקופ על מנת להציג את המעבר השלם, אולם לא לאט עד כדי כך שלא תהיה רזולוציה מספקת כדי למדוד את המעבר במדויק. כלל אצבע הינו לקבוע את ה-s/div בין 1/2 ובין פעמיים זמן העלייה או הירידה שנמדד. למשל, אם זמן העלייה שנמדד הינו 175 nS, אזי יש לקבוע את s/div לערך של 100 nS/div
או 200 nS/div .
ברגע ש-Ctest ידוע, ניתן לבדוק ערכי קבל הגדולים מ-1nF. הגבול העליון של ערכי קבלים שניתן לבדוק מוגבל ל-100 uF על ידי התדר של מחולל צורות הגל. ניתן לבדוק ערכים גבוהים יותר על ידי הקטנת תדר מחולל צורות הגל. תרשים 4 מראה מדידה של קבל 47 nF . בדוגמה זו, מדידת הקבל המחושבת, Cdut, הינה 45.9 nF.
שים לב לדָּרְבַּן (spike) בתחילת המעבר של הקצה. דרבן זה מתרחש במהלך הזמן הנדרש לקצה הגירוי לנוע דרך חוט מערכת הבדיקה להתקן הנבדק ולחזור חזרה. דרבן זה הינו הסיבה העיקרית לכך שערכי קבל הנמוכים מ-1nF אינם יכולים להיבדק בצורה מדויקת. ניתן להקטין את הדרבן הנ”ל על ידי שימוש בחיבור קצר מאוד (פחות מ-6 אינץ’) להתקן הנבדק, דבר שיאפשר בדיקה של ערכי קבל נמוכים עד לערך של 250pF .

בדיקות משרנים  (inductors)
כאשר ההתקן הנבדק הינו משרן, נוצרת רשת R-L . במקרה זה, נמדד זמן הנפילה. בנוסף, נמדד Vmin כדי לקבוע את ה-DCR (התנגדות זרם ישיר) של המשרן. ה-DCR נוסף להתנגדות הפלט בת 50 האוהם של מחולל צורות הגל כדי לקבוע את ערך R הכולל. הנוסחה המקשרת השראה לזמן נפילה הינה:

זמן העלייה של מחולל צורות הגל מגביל את ערך השראת המינימום אשר ניתן לבדוק ל-10uH. הגבול העליון תלוי ב-DCR  של המשרן. אם ה-DCR הינו גבוה מדי, האוסילוסקופ לא ימדוד את זמן הנפילה אוטומטית. במקרה זה, זמן הנפילה יכול להימדד ידנית במקרה הצורך.
תרשים 5 מציג מדידה עבור משרן של 1200uH. שים לב שישנה נפילת מתח DC נראית עקב ה-DCR של המשרן. מדידת ההשראה המחושבת, Ldut, הינה בערך 1208uH.
משרן או קבל פגומים ימדדו ערך שגוי, או סביר להניח שיופיעו כ- openאו short. התקן נבדק שהינו open ייראה כמו תרשים 2, בעוד שהתקן נבדק שהינו shorted ייראה כמו trace אופקי.

בדיקות של דיודות וטרנזיסטורים דו-קוטביים
תרשים 6 מציג את תצורת האוסילוסקופ ומדידה כאשר אין התקן נבדק מחובר. לבדיקה של דיודות, נקבעת התצורה של מחולל צורות הגל לאות של 2.5-/+V ramp ב-100 הרץ. זוהי בדיקה של תדר נמוך, ולכן משתמשים במצב High Resolution כדי להפחית רעשים. כמו כן, מופעלות מדידות מתח Max ו- Min אוטומטיות, ונקודת ההפעלה (טריגר) נקבעת לאמצע.
שיטת בדיקה זו נבדלת ממה שטרייסר עקומות (curve tracer) מסורתי עושה. טרייסר עקומות מציג את הזרם לעומת המתח של ההתקן הנבדק. בשיטת בדיקה זו, הציר האופקי של האוסילוסקופ מייצג את המתח של מחולל צורות הגל, והציר האנכי מייצג את המתח בהתקן הנבדק. שלא כמו טרייסר עקומות, האמפליטודה של מחולל צורות הגל אינה גבוהה דיה כדי לבדוק מתח קריסה הפוך (reverse breakdown voltage).
שיטת בדיקה זו יכולה להפעיל כמות נאותה של זרם להתקן הנבדק. למשל, אם ישנה ירידה של 0.7 וולט לאורך דיודה, זה משאיר מקסימום של 1.8 וולט על פני התנגדות הפלט בת 50 האוהם של מחולל צורות הגל. משמעות הדבר הינה שיכול להיות זרם מרבי של 36 מיליאמפר העובר דרך הדיודה. אם הרכיב הנבדק אינו מסוגל לשאת רמה זו של זרם, אזי יש להקטין את האמפליטודה של מחולל צורות הגל.

בדיקת דיודות
עתה נציג מספר מדידות שונות של דיודות. תרשים 7 הינו מדידה של דיודת סיליקון לשימוש כללי. כמצופה, דיודה זו מתחילה להוליך באזור 500 מילי-וולט של forward bias, כאשר השיא הוא ב-700 מילי-וולט.
השווה את זה לדיודת הסיגנל הקטנה המוצגת בתרשים 8, שם שיפוע ה- forward biasהינו גדול יותר, עובדה המציינת פרופיל התנגדות ON גבוהה יותר.
לסיום, מוצגת דיודת שוטקי (Schottky) בתרשים 9. שים לב למתח ה-ON הנמוך יותר (260 מילי-וולט) הצפוי בסוג זה של דיודות.
סביר להניח שדיודה פגומה תופיע כ- openאו short. דיודה שהיא open תיראה כמו בתרשים 6, בעוד שדיודה שהינה shorted תיראה כמו trace אופקי.
ניתן לבדוק גם LEDs באמצעות השיטה שהוצגה כאן. ניתן להגדיל את ההיסט (offset) של מחולל צורות הגל כדי לספק יותר מתח ל-LED במקרה הצורך.

בדיקות של טרנזיסטורים
דו-קוטביים
ניתן לבדוק טרנזיסטורים דו-קוטביים  באמצעות אותה שיטה שהוצגה לעיל לבדיקת דיודות. ראשית יש לוודא שהצמתים של ה- Emitter-Base וה- Collector-Base מתנהגים כמו דיודה. לבסוף, יש לוודא שה- Collector-Emitter אינו מקוצר (shorted), כלומר עליו להתנהג כמו מעגל פתוח.

בדיקות כבלים
כדי לבדוק כבלים, תצורת מחולל צורות הגל נקבעת ליצור פלט של גל 100 הרץ רבוע של V0 עד V1, כמוצג בתרשים 10. מיצוע משמש להקטנת רעשים ומיקום ההפעלה (טריגר) נקבע לצד שמאל. סמנים משמשים למדידה ידנית של פרמטרי צורת גל. שיטת הבדיקה הזו הינה ביסודו של דבר TDR (Time-Domain Reflectometer) של מהירות נמוכה.
תרשים 11 מציג את המדידה עבור אורך בלתי ידוע של twisted line wire. העכבה של החוט המפותל, Zcbl, יכולה להיות מחושבת באמצעות המשוואה:

∆Y הינו המתח בשלב הראשון (השלב בנקודת ההפעלה), הנמדד ידנית באמצעות הסמנים של האוסילוסקופ. במקרה זה ∆Y הינו 660 מילי-וולט, ולכן Zcbl מחושב להיות בערך 97 אוהם, ערך טיפוסי לכבל מסוג זה. הצד הרחוק של החוט המפותל הינו מעגל פתוח המצוין על ידי העלייה הפתאומית ברמת המתח בנקודה בה ממוקם סמן ה-X הימני ביותר.
בתרשים 12 נבדק כבל RG-58 באורך בלתי ידוע. ממדידת ∆Y ניתן לחשב שהעכבה הינה 51 אוהם. זהו הערך הצפוי עבור RG-58. יחד עם זאת, המדידה אף מגלה שהכבל מקוצר (shorted) בהמשך הקו במקום בו המתח חוזר לאפס. אם ידוע שיהוי ההתפשטות (propagation_delay) של הכבל, ניתן לחשב את המרחק ל-short באמצעות הנוסחה:

שיהוי ההתפשטות עבור RG-58 הינו 1.54 nS/ft. ∆X נמדד ידנית עם הסמנים וערכו הינו 191nS. לכן המרחק ל- short הינו 62 רגל (18.98 מטר).

מסקנה
מאמר זה הדגים איך לבצע בדיקות בסיסיות של רכיבים תוך שימוש בשני סוגים נפוצים של ציוד, אוסילוסקופ ומחולל צורות גל. האוסילוסקופים 2000 ו-3000י InfiniIVision מסדרה X של Agilent Technologies, עם מחולל צורות הגל המובנה שלהם והפעלה (triggering) משולבת, מותאמים בצורה אידיאלית לביצוע מדידות כאלה.