КАК ОПРЕДЕЛИТЬ ЦЕЛОСТНОСТЬ СИГНАЛА, ВОСПРОИЗВОДИМЫМ ОСЦИЛЛОГРАФОМ

Магазин Gtest(R) 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 нервовво 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 ниже излагаемую 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, что является 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 спецификаций 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 переднюю часть 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 соответствующей полосе пропускания 100 МГц (внизу) получается чистый сигнал. В то время как захват полосы пропускания 6 ГГц (вверху) 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 вам правду, а именно: 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, что ваш сигнал едва ослабляется. То, что находится на экране, соответствует тому, что выходит из вашего устройства. Это гарантирует вам получение точных измерений по всему спектру полосы пропускания осциллографа.

С другой стороны, некоторые поставщики не используют фильтры коррекции. Это означает, что прибор может немного усилить высокочастотные компоненты. Усиление происходит из-за того, что ваш высокочастотный сигнал ослабляется, чтобы попасть в диапазон измеряемой полосы пропускания. В конечном итоге это влияет на измеряемый сигнал, который вы видите на экране, и искажает любые пиковые измерения.

Это сбивает с толку все ваши результаты и может привести к путанице, поскольку вы не можете понять, что не так с конструкцией, хотя на самом деле проблема была просто в плохой целостности сигнала осциллографа.

Попросите своего поставщика предоставить вам график частотной характеристики для интересующей вас конкретной модели полосы пропускания. Они редко приводятся в технических характеристиках, но эта информация вполне себе доступна и обязана быть предоставлена 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, скорее всего, испытает идеальный, самый низкий уровень шума. Однако, в зависимости от качества АЦП в вашем приборе, вы можете испытать разные уровни шума при разных вертикальных смещениях на экране.      Это связано с количеством уровней квантования, которые необходимы для отображения при этом смещении.

Это происходит с каждым осциллографом, и разница на самом деле заключается в том, насколько это влияет на ваш сигнал и измерения. Изменение шума очень незначительно на Infiniium MXR B-Series, как вы можете видеть на рисунках 3 и 4, но есть некоторые приборы от других поставщиков, где эта проблема исключительно серьезна.

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 верхнем экране.

Подсказка 6
Понимание частоты дискретизации и искажений чередования

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

К счастью, искажения формы сигнала не произойдет с Keysight Infiniium MXR B-Series, поскольку АЦП правильно синхронизированы, но правильная синхронизация важна при оценке осциллографов. Некоторые высококлассные осциллографы, такие как Keysight Infiniium UXR-Series, могут достигать до 128 Гвыб/с без чередования АЦП, что позволяет проводить наиболее точные измерения.

Выводы

Важно оставаться образованным. Понимание того, что действительно важно, когда речь идет о целостности сигнала, позволяет вам избегать проблем, которые возникают, когда вы верите распространенным заблуждениям о целостности сигнала. Крайне важно знать, как функционирует вся измерительная система. Если вы знаете, что искать, вы можете легко найти правду о каждом осциллографе и его производительности.

Ключевые уроки

Помните эти ключевые уроки, продолжая проводить измерения или находясь в поисках идеального осциллографа:

1. Всегда спрашивайте информацию о системном ENOB, чтобы определить общее качество измерений
2. Не забывайте искать системный ENOB, а не только ADC ENOB
3. Уменьшите шум, используя только полосу пропускания, которая вам действительно нужна, и ничего больше
4. Попросите графики частотной характеристики, чтобы убедиться, что отклик осциллографа остается ровным во всем диапазоне полосы пропускания
5. Проверьте уровень шума при всех различных смещениях на экране осциллографа, чтобы убедиться, что он не оказывает существенного влияния на ваши измерения
6. Будьте осторожны с чрезвычайно высокими частотами дискретизации и неправильно чередующимися АЦП

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик осциллографов в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy