Секреты измерения времени с помощью осциллографа

Осциллографы используют как аппаратные, так и программные средства для повышения разрешения измерений времени. К счастью, большая часть обработки происходит незаметно для пользователя.

Основное отображение на осциллографе — амплитуда в зависимости от времени. При работе с осциллографами основное внимание уделяется вертикальной оси, включая разрешение по амплитуде, аналоговую полосу пропускания и вертикальную точность. Временная ось, похоже, не получает должного внимания. Это связано с тем, что временные базы осциллографов очень хороши.

Точность временной базы

Временная база осциллографа генерирует тактовый сигнал дискретизации, который дискретизирует входной сигнал с равномерными интервалами времени с частотой дискретизации. Частота дискретизации и длина памяти сбора данных определяют коэффициент горизонтального масштабирования. Точность частоты тактового сигнала временной базы осциллографа обычно указывается в частях на миллион (ppm) или частях на миллиард (ppb).

Например, прибор с временной базой, указанной как точная в пределах ± 0,1 ppm (100 ppb). Это означает, что любой измеряемый временной интервал T имеет точность в пределах ± 0,1/10⁶ от значения T. Если измеряемый интервал составляет одну секунду, неопределенность измерения составляет ±1×10⁻⁷ секунд или ±0,1 микросекунды (мс).

Тактовые генераторы подвержены дрейфу частоты с течением времени. Эта неопределенность синхронизации является кумулятивной и увеличивается по мере работы генератора в течение более длительных периодов времени. Этот дрейф, называемый старением, обычно указывается как аддитивная неопределенность частоты, выраженная в частях на миллион в год (ppm/год). Типичная спецификация точности тактовой частоты может составлять ±0,1 ppm + 0,05 ppm/год. Время измеряется с момента последней калибровки прибора.

Если внутренняя тактовая частота осциллографа недостаточна или если работа осциллографа должна быть синхронизирована с другими приборами, многие осциллографы включают внешний вход опорного сигнала тактовой частоты. Внешний опорный сигнал обычно генерируется из очень стабильного источника сигнала с частотой 10 или 100 мегагерц (МГц) и используется для синхронизации внутренней тактовой частоты с опорным входом для повышения ее точности.

Улучшение временного разрешения

Временное разрешение цифрового прибора, основанное только на частоте тактового сигнала дискретизации, будет равно обратной величине частоты дискретизации. Осциллограф, работающий с частотой дискретизации 40 гигавыборок в секунду (Гвыборок/с), будет иметь временное разрешение 25 пикосекунд.

Осциллографы повышают аппаратное временное разрешение за счет использования специализированного частотного счетчика, называемого преобразователем времени в цифровой код (ПВЦ). В режиме сбора данных в реальном времени преобразователь времени в цифровой код измеряет время между событием запуска и следующей выборкой.

В общем случае, событие запуска и тактовый сигнал выборки не синхронизированы. Задержка между этими двумя событиями равномерно распределена по периоду дискретизации. Равномерное распределение означает, что любая задержка между нулем и периодом дискретизации одинаково возможна. Задержка для каждого измерения называется горизонтальным смещением и является характеристикой полученной формы сигнала. 

Горизонтальные относительные курсоры обеспечивают визуальное измерение времени между точкой запуска и следующим за ней отсчетом и отображают значение Δx, равное 12,5 пс, в поле считывания курсора в правом нижнем углу. Выход TDC обеспечивает точное цифровое считывание внутри устройства.

Временное разрешение TDC значительно выше частоты дискретизации. В этом конкретном примере оно составляет пять пс. Горизонтальное смещение используется для выравнивания отсчетов осциллограммы для отображения и измерений. Оно также используется для объединения нескольких измерений периодической осциллограммы в случайное чередующееся измерение.

Случайное чередующееся измерение

Случайное чередующееся измерение (RIS) — это режим сбора данных, который повышает временное разрешение прибора при измерении нескольких периодических осциллограмм со стабильной точкой запуска. Осциллограф получает несколько осциллограмм, каждая из которых имеет одинаковую форму.

Каждая полученная осциллограмма имеет горизонтальное смещение, равномерно распределенное по периоду дискретизации. Несколько полученных осциллограмм будут иметь различное горизонтальное смещение. Разница во времени между точкой запуска и первой последующей выборкой на рисунке иллюстрирует это изменение. Наложение двенадцати осциллограмм показывает, как они синтезируют осциллограмму с фактически более высокой частотой дискретизации.

Осциллограф измеряет горизонтальное смещение каждой осциллограммы и классифицирует их, выбирая те, значения которых кратны желаемой эффективной частоте дискретизации. Эти выбранные осциллограммы объединяются для формирования осциллограммы RIS.

Нижний сигнал на рисунке соответствует сбору данных в реальном времени. Курсоры отмечают период дискретизации 25 пс сигнала в реальном времени. Верхний сигнал соответствует сбору данных в режиме RIS. Обратите внимание, что между курсорами пять эффективных периодов дискретизации; эффективная частота дискретизации в пять раз превышает частоту дискретизации 40 Гс/с, или 200 Гс/с. Помните, что режим сбора данных RIS требует многократных повторных измерений с идентичной формой сигнала с использованием стабильной точки запуска.

Режим последовательности

Режим последовательности — это еще один режим сбора данных, использующий TDC. Этот режим используется для минимизации мертвого времени между соседними измерениями. Он также применяется для сокращения времени между измерениями. В режиме последовательности память измерений разбивается на заданное пользователем количество сегментов. Каждый сегмент содержит одно измерение. Поскольку осциллографу не нужно отображать график между сегментами, мертвое время между измерениями минимизируется.

Недостатком этого режима является то, что время между сегментами неопределенно, поскольку прибор ожидает следующего запуска измерения. Для решения этой проблемы осциллограф отмечает местоположение каждого сегмента во времени двумя способами.

Во-первых, он обозначает начало каждого сегмента, используя часы реального времени осциллографа для обозначения времени срабатывания каждого триггера. Часы реального времени имеют разрешение в одну секунду, что непрактично для быстрых измерений. Также используется TDC для измерения задержки времени каждого триггера относительно первого триггера в процессе измерения.

На рисунке показана последовательность регистрации пяти ультразвуковых импульсных серий, каждая в своем сегменте. Временные метки последовательности отображаются под графическим изображением, включая абсолютное время от часов реального времени осциллографа в столбце «Время». Кроме того, указано время от начала первого сегмента и время между сегментами. Эти измеренные с помощью TDC временные метки отображаются с разрешением в одну наносекунду.

Временные метки указывают на время событий запуска. По сути, они определяют время каждого сегмента. Если каждое событие запуска является аномалией, то временные метки предоставляют частоту аномалий — диагностическую информацию, которая часто оказывается полезной.

Интерполяция

Если TDC — это аппаратный инструмент для точных измерений времени, то интерполяция — это программный инструмент. Интерполяция — это математический метод увеличения эффективной частоты дискретизации регистрируемого сигнала. Интерполяция вычисляет промежуточные значения между отсчетами в реальном времени. Интерполяция обычно применяется к отображаемым данным, но во многих случаях она используется в измерениях, специфичных для конкретного приложения. Интерполяция также доступна в виде математической функции и может использоваться для повышения временного разрешения получаемых сигналов. Осциллограф, используемый в этой статье, предлагает интерполяцию sin x/x, линейную или кубическую интерполяцию с улучшением частоты дискретизации от двух до пятидесяти вычисленных точек на один отсчет в реальном времени. Интерполяция увеличивает время обработки прибора пропорционально количеству интерполированных отсчетов.

С положительной стороны, интерполяция может применяться к однократным измерениям. С отрицательной стороны, интерполяция требует, чтобы данные соответствовали критерию Найквиста и имели частоту дискретизации, превышающую удвоенную полосу пропускания сигнала. Несоответствие критерию Найквиста может привести к значительным ошибкам. С точки зрения целостности данных важно отметить, что данные RIS включают все реальные отсчеты, тогда как интерполированные данные представляют собой комбинацию реальных и вычисленных значений отсчетов.

Измерения джиттера

Джиттер — это кратковременное изменение времени цифрового сигнала относительно его номинального значения. Любой параметр синхронизации может быть предметом анализа дрожания, и основными рассматриваемыми параметрами синхронизации являются изменения ширины, периода и ошибки временного интервала.

Параметры ширины или периода можно измерить с помощью параметров измерения ширины и периода соответственно. Дрожание проявляется в статистических показателях минимума (min), максимума (max) и стандартного отклонения (sdev). Разница между максимумом и минимумом — это диапазон или пиковое дрожание. Стандартное отклонение — это среднеквадратичное (RMS) дрожание.

Ошибка временного интервала (TIE) измеряет разницу между каждым фактическим краем волновой формы и идеальным местоположением этого края. Идеальное местоположение края вычисляется на основе средней частоты волновой формы. TIE можно рассматривать как мгновенную фазу сигнала.

Параметры времени — период, ширина и TIE — измеряются путем определения времени между краями. Для периода это время между соседними краями с одинаковым наклоном. Для измерения ширины это время между соседними краями с разными наклонами. TIE измеряет время между полученным краем и идеальным краем. Для достижения максимально возможного временного разрешения используется интерполяция.

На рисунке показана граница, определяемая тремя выборками в реальном времени, полученными с частотой дискретизации 10 Гс/с. Интерполятор использует кубическую интерполяцию для подгонки нескольких интерполированных выборок между каждой выборкой в реальном времени. Затем две выборки, охватывающие порог измерения, используются для линейной интерполяции с целью определения времени, когда порог измерения пересекается. Полученные в этом примере измерения имеют разрешение лучше 1 пикосекунды.

Дрожание имеет как случайные, так и детерминированные компоненты. Случайное дрожание связано со стохастическими процессами, такими как шум, и является неограниченным, то есть увеличивается с увеличением времени наблюдения. Детерминированное дрожание ограничено, и его амплитуда ограничена с увеличением времени наблюдения. Случайные компоненты дрожания изучаются с помощью статистических инструментов, таких как гистограммы.

Существуют параметры, предназначенные для интерпретации самих гистограмм. Среднее значение гистограммы (hmean), мода (hmode), стандартное отклонение (hsdev) и размах (hrange) — это примеры параметров, специфичных для гистограммы.

Заключение

Осциллографы используют как аппаратные, так и программные средства для повышения разрешения временных измерений. Улучшенное временное разрешение используется как при отображении данных, так и при измерениях. К счастью, большая часть обработки происходит незаметно и требует минимального взаимодействия с пользователем для достижения хороших результатов.

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, MICSIG