Одна скрытая характеристика осциллографа, которая действительно имеет значение

Ben Robinson, National Instruments Corp.

Полоса пропускания не обязательно является основным параметром для оценки качества отображения интересующих сигналов осциллографом.

Производители осциллографов любят размещать крупные цифры на передних панелях своих приборов, чтобы показать, насколько они лучше конкурентов. Полоса пропускания, частота дискретизации, а иногда и битовое разрешение — это цифры, которые производители используют для позиционирования себя. Действительно ли цифры на этих передних панелях обеспечивают более качественные измерения и более глубокое понимание объекта, который вы тестируете?

Не для каждого измерения требуется много гигагерц полосы пропускания или гига-выборок данных. Вместо того чтобы искать осциллограф с большей полосой пропускания, часто можно получить больше пользы от осциллографов с более высокой точностью и повторяемостью измерений.

Полоса пропускания обычно является первым параметром, который вы должны просматривать при выборе осциллографа. Как правило, считается, что чем больше полоса пропускания у вашего осциллографа, тем лучше. Однако во многих случаях дополнительная полоса пропускания не приносит существенной пользы. Например, для сигнала с временем нарастания в одну наносекунду требуется полоса пропускания около 350 МГц, согласно правилу 0,35, делённому на полосу пропускания. Измерение этого времени нарастания с полосой пропускания, скажем, 5 ГГц не даёт существенного преимущества.

Характеристики полосы пропускания также не показывают, насколько хорошо осциллограф подавляет высокочастотные сигналы. Указанная на осциллографе полоса пропускания не означает, что сигналы выше этой полосы пропускания прибора исчезают. Эта полоса пропускания показывает только частоту, на которой 70% амплитуды сигнала всё ещё включено в измерение. Сигналы за пределами частот, которые осциллограф может точно отобразить, могут иметь достаточную мощность, чтобы повлиять на измерения.

Наибольшее отличие в большинстве осциллографов заключается в разнице между количеством бит в разрешении аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и количеством бит фактического разрешения при измерениях. Прежде чем тратить деньги на ещё один  осциллограф, обязательно изучите характеристики, которые действительно важны для получения качественных измерений.

Осциллографы с плохими характеристиками снижения амплитуды сигнала согласно правилу « -3 дБ» позволяют определённым сигналам, находящимся за пределами рабочего диапазона частот, ошибочно появляться в спектре текущих измерений.

Эффективное количество бит

Большинство осциллографов, продававшихся на протяжении всей истории этого прибора, использовали 8-битные АЦП, что означает, что они имеют 28 делений напряжения для измерения амплитуды сигнала. В последнее время все больше инженеров понимают ценность более высокого разрешения измерений в своих осциллографах.

Представьте, что вы проверяете работу дорожки на плате, по которой проходит прямоугольный сигнал напряжением 3,1 В, или какой иной цифровой сигнал. При этом вы не знаете, что между этой дорожкой и другой дорожкой на плате, по которой проходит низковольтный прямоугольный сигнал напряжением 10 мВ, есть короткое замыкание. Этот тип сигнала также может быть результатом перекрестных помех между дорожками.

Во многих случаях вы заранее не знаете точное разрешение, необходимое для такого типа измерения. Если бы вы знали, что на линию подается сигнал напряжением 10 мВ, измерение было бы ненужным.

Один из способов принять правильное решение при выборе осциллографа — рассмотреть сигналы с самой высокой и самой низкой амплитудой в вашей системе. Каково будет разрешение самого слабого сигнала в вашей системе при измерении его с использованием максимально необходимого диапазона напряжений?

Следующее базовое соотношение поможет вам определить разрешение, необходимое для обнаружения этих слабых сигналов в системе:

Radc = log10((Fmr/(Rr × Fsi))/2)

Где Radc = разрешение АЦП, биты;

Fmr = полный диапазон измеряемого напряжения, (В);

Rr = требуемое разрешение измерения, (В);

Fsi = полный диапазон интересующего сигнала, (В). для рассматриваемого примера с прямоугольным сигналом 3,1 В:

Radc = log10((10/(0,01 × 3,1))/2) = 8,33 бита

В этом примере уравнение показывает, что разрешение АЦП осциллографа должно составлять не менее 8,33 бит. Определение необходимого разрешения измерения в системе — это лишь один из шагов к пониманию деталей. Уравнение не говорит о том, что эквивалентное число бит разрешения имеет важное значение. Это число обычно несколько меньше числа линий данных, предоставляемых АЦП.

Эффективное число бит (ENOB) — это характеристика, которая связывает измерительные характеристики осциллографа с распространенной характеристикой, используемой в преобразователях данных, а именно: битами разрешения. Производители приборов всегда использовали точную модель преобразователя данных для определения разрешения измерения своих устройств. Однако ни один прибор или преобразователь данных не является идеальным, поэтому для определения качества измерений осциллографа требуется более детальная характеристика и понимание.

При поверхностном просмотре в полном масштабе 10-битные, 14-битные и 18-битные измерения выглядят, вроде как, похожими. Для того чтобы увидеть существенную разницу между измерениями, выполненными осциллографами с более высоким разрешением, требуется более детальный обзор. Инженеры всегда должны учитывать, используют ли они правильное разрешение прибора для того, чтобы увидеть важные детали в интересующих их сигналах.

Показатель ENOB рассчитывается непосредственно на основе соотношения сигнал/шум и искажения (SINAD), параметра, учитывающего весь шум, а также искажения, возникающие в ходе измерения. Затем ENOB сравнивает характеристики идеального АЦП с АЦП конкретного осциллографа, соответствующими параметру SINAD:

Enob = (Sn – 10log10(3/2))/20log102 = (Sn – 1.76)/6.02

где Enob = ENOB; Sn = Sinad.

Идеальным вариантом было бы устройство, у которого значение ENOB близко к разрешению преобразователя данных. В этом примере уравнение для разрешения АЦП показало требуемое разрешение измерения 8,33 бит. Восьмибитный осциллограф не подойдет. Лучшие 10-битные осциллографы имеют ENOB приблизительно семь бит. В этом примере нам, вероятно, потребуется использовать 12-битный осциллограф. Типичным значением ENOB для 12-битного осциллографа является девять бит или лучше.

Для измерений в этом примере использовались осциллографы PXIe-5162 (10-битный), PXIe-5122 (14-битный) и PXI-5922 (18-битный). PXI-5922 может измерять с разрешением от 16 до 24 бит в зависимости от частоты дискретизации. При измерении сигнала в нашем примере с наложенной прямоугольной волной 10 мВ с помощью 10-битного осциллографа, сигнал выглядит как шум. Наблюдатель никак не сможет увидеть сигнал 10 мВ. При измерении с помощью 14-битного осциллографа становится ясно, что на него наложен периодический сигнал, который, вероятно, является прямоугольной волной. Измерения, выполненные с помощью 18-битного осциллографа, показывают, что сигнал является прямоугольной волной, и дают точные измерения этого малого сигнала.

Однако, помимо ясности измерения при высоком разрешении, существуют и другие компромиссы. 18-битный осциллограф, использованный для выполнения приведенных выше измерений, включает в себя высокоразрешающий дельта-сигма (Δ∑) или сигма-дельта (∑Δ) АЦП. Дельта-сигма АЦП обладает высокой линейностью и чувствителен к малым изменениям амплитуды сигнала, но не может точно измерять большие, быстрые изменения амплитуды. На измерениях, выполненных с помощью 18-битного осциллографа, видно, что после края большого (3,1 В) перехода наблюдаются значительные колебания. Прибор с более высоким показателем ENOB обеспечивает ряд преимуществ при тестировании:

• Когда одно измерение содержит значительно больше данных о поведении сигнала, вы можете потратить меньше времени на настройку и конфигурацию тестовой станции для записи данных и больше времени на анализ записей для получения важных данных.

• Когда вы можете получить больше информации на этапе проектирования продукта, вы можете быстрее устранять неполадки и перепроектировать его, чем ваши конкуренты. Более точные измерения означают меньше времени на характеризацию, проверку и установление спецификаций, а также меньше времени на вывод продукта на рынок.

• Большинство проектов требуют спецификаций с высокой степенью уверенности в производительности. Чем выше разрешение и точность вашего прибора при создании этих спецификаций, тем больше уверенности в вашем проекте.

Более точные измерения означают лучшие результаты тестирования и большую уверенность для инженера-испытателя в том, что конечный продукт работает должным образом.

Показатель ENOB в значительной степени определяется АЦП, используемым при проектировании осциллографа. АЦП и архитектура, обладающие правильными характеристиками джиттера во временной области и плотностью спектрального шума, наряду со многими другими характеристиками, в конечном итоге определяют качество измерений прибора. В данном случае аппаратная часть является определяющим фактором технических характеристик прицела. Но это не относится ко многим характеристикам современных осциллографов.

НЕ ДОВЕРЯЙТЕ значению разрешения, указанному на передней панели осциллографа или в руководстве пользователя. Эффективное число бит (ENOB) — это показатель разрешения осциллографа, учитывающий шум и паразитные составляющие прибора.

По мере того, как осциллографы становятся все более сложными, многие их характеристики основаны на программно-определяемых компонентах, таких как цифровые сигнальные процессоры (DSP) и ПЛИС (FPGA). Все большее число производителей осциллографов предлагают пакеты, расширяющие возможности проектирования встроенного программного обеспечения. Многие из этих пакетов предоставляют различные типы фильтров (например, Бесселя, Баттерворта или Гаусса), оптимизированные для конкретных задач, таких как более быстрое время нарастания или ограничение перерегулирования.

Некоторые производители даже предлагают пакеты для проектирования встроенного программного обеспечения, позволяющие вносить изменения непосредственно в фильтры и триггеры осциллографа. Для внесения изменений во многие из них необходимо быть знакомым с инструментами программирования DSP и FPGA. Другие среды проектирования встроенного программного обеспечения осциллографов имеют графические интерфейсы программирования или блок-схемы, которые более доступны, если вы знаете языки программирования FPGA, такие как VHDL и Verilog.

Пакеты для проектирования встроенного программного обеспечения, предоставляющие доступ к фильтрам и триггерам, позволяют пользователям настраивать осциллографы для конкретных измерений. В некоторых случаях производители осциллографов открывают неиспользуемые части FPGA для реализации обработки сигналов, новой логики запуска и даже интерфейсов потоковой передачи данных. Хотя разработка встроенного ПО не может изменить все характеристики, она, безусловно, может позволить вам расширить или оптимизировать возможности осциллографа для получения наиболее точных и надёжных измерений.

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик осциллографов в Украину: 

https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy

Поставки со склада и под заказ:

GW Instek, RIGOL, SIGLENT, OWON, Tektronix, Iwatsu, LeCroy, HANTEK