КАК ОПРЕДЕЛИТЬ ЦЕЛОСТНОСТЬ СИГНАЛА, ВОСПРОИЗВОДИМЫМ ОСЦИЛЛОГРАФОМ

Магазин Gtest® предлагает широкую номенклатуру осциллографов на приводимой страничке сайта в самом конце настоящего раздела, а также рекомендуемые приборы и статьи для самообразования.

Введение

Целостность сигнала продолжает оставаться актуальной темой в мире электроники. Современные разработки имеют сокращающиеся границы и увеличивающиеся скорости передачи данных, что означает, что измерения должны быть точнее, чем когда-либо. Каждый поставщик осциллографов имеет своего рода питч вокруг целостности сигнала, а именно: наибольшее количество бит АЦП, самый низкий уровень шума, самая высокая частота дискретизации, и этот список можно продолжать. Хотя все эти характеристики важны, крайне важно понимать всю систему измерения и не основывать свое решение только на одной из этих характеристик.

Изучение того, что каждая из этих характеристик действительно означает для вашей разработки, сэкономит вам массу времени и нервов во время тестирования. Вы будете точно знать, что вам нужно искать, чтобы определить истинную целостность сигнала.

Советы и рекомендации, изложенные в этой книге, справедливы для любого осциллографа, который вы используете, от любого поставщика. Продолжайте работать и протестируйте нижеизложенную информацию на осциллографе, который у вас уже есть, или, что еще лучше, проведите демонстрацию нескольких осциллографов и сравните их самостоятельно.

Осциллографы Keysight Infiniium серии MXR позволяют быстро определять ситуацию: от симптома до решения проблемы благодаря беспрецедентной одновременной работе по 8 каналам.

Содержание

Как определить целостность сигнала осциллографа?

(ENOB - эффективное число бит, являющееся мерой динамической производительности осциллографа)

1. Подсказка 1 - Понимание того, что такое биты АЦП и ENOB
2. Подсказка 2 - ENOB АЦП Vs Системный ENOB
3. Подсказка 3 - Больше пропускной способности - НЕ значит лучше
4. Подсказка 4 - Не вся пропускная способность одинакова
5. Подсказка 5 - Уровень шума при различных смещениях
6. Подсказка 6 - Понимание частоты дискретизации и искажений чередования
7. Выводы - Вернёмся к истокам

Подсказка 1

Понимание того, что такое биты АЦП и ENOB

Количество бит АЦП - одна из самых обсуждаемых характеристик осциллографов, но она не всегда определяет качество измерений. Важен также системный ENOB (эффективное количество бит), который учитывает реальные условия работы устройства, включая шумы и системные ошибки. В осциллографах часть бит АЦП может быть бесполезной и работать только в шуме, поэтому именно ENOB показывает, сколько бит действительно эффективны в измерениях.

Высокий ENOB достигается не только за счет качественного АЦП, но и благодаря точной настройке всей системы осциллографа, включая входной тракт и вспомогательные схемы. Можно с уверенностью утверждать, что ENOB является лучшим показателем целостности сигнала, поскольку он учитывает системную ошибку прибора.

Поэтому именно ENOB, а не биты АЦП, определяет качество измерений, которые вы можете выполнить на этом осциллографе.

Рисунок 1. Разрядность осциллографов Keysight Infiniium MXR серии B достигает 9 бит, что гарантирует достижение наивысшей целостности сигнала.

Подсказка 2

ENOB АЦП Vs Системный ENOB

Если вы знаете только основы ENOB и просто ищете его в техническом описании, важно понимать разницу между системным ENOB и ENOB АЦП. ENOB АЦП отражает только эффективность бит внутри АЦП, но осциллограф - это целая система, и качество измерений зависит от всех его компонентов.

Системный ENOB показывает, сколько бит реально используются для отображения сигнала, измерений и анализа на осциллографе. Если эта спецификация не указана в документации, обязательно запросите её, так как именно она определяет эффективность измерений.

Системный ENOB может «сделать» или «сломать» ваши тесты. Если ваш системный ENOB недостаточно высок, вы никогда не получите ясности, необходимой для достижения качественного дизайна.

Подсказка 3

Больше пропускной способности - НЕ значит лучше

Существует такое понятие, как слишком большая полоса пропускания. Слишком большая полоса пропускания осциллографа может ухудшить измерения, улавливая высокочастотный шум. Используйте минимальную достаточную полосу пропускания и при необходимости ограничивайте её встроенными фильтрами.

ENOB системы зависит от уровня шума: чем больше шума, тем ниже ENOB.

В качестве примера на рисунке 2 показано, как выглядит сигнал 20 МГц, захваченный в двух разных полосах пропускания. При полосе пропускания 100 МГц получается чистый сигнал. В то время как захват полосы пропускания 6 ГГц дает больше шума, что приводит к более толстому сигналу и неверным пиковым измерениям.

Рисунок 2. Сигнал 20 МГц, протестированный на частотах 6 ГГц (вверху) и 100 МГц (внизу).

Подсказка 4

Не вся пропускная способность одинакова

Частотная характеристика осциллографа показывает правду: не все полосы пропускания одинаковы.

При увеличении полосы пропускания осциллографа Keysight частотная характеристика остается ровной. Это происходит потому, что он использует аппаратные фильтры коррекции, что означает минимальное ослабление сигнала. То, что находится на экране, соответствует тому, что выходит из устройства. Это гарантирует получение точных измерений по всему спектру полосы пропускания осциллографа.

С другой стороны, некоторые поставщики не используют фильтры коррекции. Это означает, что прибор может немного усиливать высокочастотные компоненты. В конечном итоге это влияет на отображаемый сигнал и искажает любые пиковые измерения.

Это может привести к ошибочным выводам о конструкции, хотя на самом деле проблема заключается в недостаточной целостности сигнала самого осциллографа.

Попросите своего поставщика предоставить график частотной характеристики для интересующей вас модели. Они редко приводятся в технических характеристиках, но должны быть доступны по запросу.

Подсказка 5

Уровень шума при различных смещениях

Это сбивает с толку многих инженеров: знаете ли вы, что уровень шума осциллографа меняется в зависимости от того, в какой части экрана находится сигнал?

Когда сигнал находится прямо в центре экрана, он обычно имеет минимальный уровень шума. Однако в зависимости от качества АЦП вы можете наблюдать различные уровни шума при разных вертикальных смещениях сигнала.

Это связано с количеством уровней квантования, необходимых для отображения сигнала при различных смещениях.

Изменение шума очень незначительно на Infiniium MXR B-Series, как показано на рисунках 3 и 4, однако у некоторых других производителей эта проблема может быть весьма серьезной.

Важно проанализировать уровень шума осциллографа в различных точках экрана, чтобы убедиться, что он не влияет на сигнал.

Рисунок 3. Шум в центре экрана.

Рисунок 4. Увеличение шума на верхней части экрана.

Подсказка 6

Понимание частоты дискретизации и искажений чередования

Обычно, чем выше частота дискретизации, тем больше деталей сигнала вы видите. Однако это зависит от того, как именно осциллограф достигает этой высокой частоты дискретизации.

Некоторые осциллографы могут достигать очень высоких частот дискретизации за счет чередования нескольких АЦП. Это фактически увеличивает максимальную частоту дискретизации.

Однако при использовании этой техники синхронизация между АЦП должна быть чрезвычайно точной. Если тактовые генераторы задержки фазы не выровнены должным образом, выборки собираются с неравными интервалами.

Это приводит к искажению формы сигнала после его реконструкции и отображения на экране.

Рисунок 5. Если АЦП плохо чередуются, в сигнале возникнут искажения.

К счастью, искажения формы сигнала не возникают в Keysight Infiniium MXR B-Series, поскольку АЦП правильно синхронизированы. Некоторые высококлассные осциллографы, такие как Keysight Infiniium UXR-Series, могут достигать до 128 Гвыб/с без чередования АЦП, что позволяет проводить максимально точные измерения.

Выводы

Важно оставаться образованным. Понимание того, что действительно важно, когда речь идет о целостности сигнала, позволяет избежать проблем, возникающих из-за распространенных заблуждений.

Крайне важно понимать, как функционирует вся измерительная система. Если вы знаете, что искать, вы сможете объективно оценить возможности каждого осциллографа и его производительность.

Ключевые уроки

Помните эти рекомендации при выборе и эксплуатации осциллографа:

1. Всегда запрашивайте информацию о системном ENOB для оценки качества измерений.
2. Ищите системный ENOB, а не только ADC ENOB.
3. Уменьшайте шум, используя только необходимую полосу пропускания.
4. Запрашивайте графики частотной характеристики для проверки равномерности отклика.
5. Проверяйте уровень шума при различных смещениях сигнала на экране.
6. Будьте осторожны с чрезвычайно высокими частотами дискретизации и неправильно чередующимися АЦП.

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик осциллографов в Украине:
купить осциллограф в Украине