Почему так важна точность осциллографа по вертикальной развёртке?

Оценка точности сигнала, воспроизводимой осциллографом

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

Что означает «вертикальная точность»?

Горизонтальная ось осциллографа — это временная база (секунды на деление или с/дел), а вертикальная ось показывает нам напряжение (вольты на деление, В/дел). Вертикальная точность относится к точности напряжения, которое мы видим на экране, как визуально, так и при измерениях. Насколько близко напряжение, которое вы считываете на экране осциллографа, к фактическому напряжению вашего сигнала? Это зависит от т.н. «вертикальной точности».

Наибольшая разрядность АЦП + Наименьший уровень шума = Наивысшая вертикальная точность

Вертикальную точность определяют две ключевые характеристики:

• Количество бит аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

• Уровень входного шума осциллографа.

Чем больше число бит АЦП, тем больше у вас вертикальное разрешение. Чем больше у вас вертикальное разрешение, тем точнее вы видите сигнал. Кроме того, чем ниже уровень шума на входе, тем меньше ваш осциллограф влияет на измеряемый вами сигнал. Все осциллографы имеют некоторый собственный шум, как и каждое электронное устройство имеет некоторый шум. Любой шум, присутствующий в осциллографе, будет накладываться на ваш сигнал и искажать ваши измерения. Вам нужен осциллограф с наименьшим возможным количеством шума, чтобы он не влиял на ваши измерения.

Это соображение важно для любого типа сигнала, но еще более критично при измерении очень малых напряжений.

Использование осциллографа с низким АЦП и высоким уровнем шума может привести к неточным измерениям и привести к перепроектированию, ресурсоемким компонентам и, в конечном итоге, к потере драгоценного времени. Чтобы минимизировать время, которое вы тратите на проверку и перепроектирование, вам следует оценить вертикальную точность осциллографа, чтобы обеспечить надежные измерения.

На рисунке 1 показано, что высокая вертикальная точность имеет значение визуально и в измерениях напряжения.

Рисунок 1. При сравнении измерений, выполненных на осциллографе Keysight InfiniiVision 3000G X-Series и Серия HD3, использующая ту же самую установку зондирования (пробники), обнаружила, что серия HD3 обеспечивает более точные измерения. HD3 имеет значительно более высокое вертикальное разрешение с 14-битным АЦП и низкий уровень шума 50 мкВ уср. Напротив, 3000G имеет 8 бит и 250 мкВ уср. шума. Разница существенно влияет на точность измерений.

Разрядность АЦП и минимальное разрешение

АЦП имеет решающее значение для точности вертикального сигнала. Чем больше число бит АЦП, тем больше разрешение осциллографа. Осциллограф с 14-битным АЦП должен обеспечивать разрешение в 64 раза больше, чем у осциллографа с 8-битным АЦП.

Разрешение относится к наименьшему уровню квантования, определяемому АЦП в осциллографе. АЦП осциллографа с разрешением 8 бит может кодировать аналоговый вход в один из 256 уровней, поскольку 2 в 8-ой степени = 256. Мы будем называть их уровнями квантования (уровнями Q).

АЦП работает на полном вертикальном значении осциллографа. Для измерений как тока, так и напряжения шаги уровня Q связаны с настройкой полного вертикального диапазона. Если пользователь регулирует вертикальную настройку до 100 мВ на деление, полный экран равен 800 мВ (8 делений * 100 мВ / дел), а разрешение уровня Q равно 800 мВ, деленным на 256 уровней, или 3,125 мВ.

Давайте рассмотрим пример, показанный на рисунке 2. Два осциллографа масштабируются до 800 мВ на весь экран. Осциллограф с 8-битным АЦП имеет разрешение 800 мВ / (2 в 8-ой стеени = 256 уровней Q), или 3,125 мВ. Осциллограф с 14-битным АЦП, например, Keysight InfiniiVision HD3 Series, имеет разрешение 800 мВ / (2 в 14-ой степени= 4096 уровней Q), или 48,8 µВ.

Каждый осциллограф может осуществлять разрешение сигналов только до наименьшего уровня Q.

Рисунок 2. В то время как большинство осциллографов используют 8-12-битные АЦП, серия HD3 имеет 14-битный АЦП. Это в четыре раза больше разрешения 12-битного АЦП и в 64 раза больше разрешения 8-битного АЦП.

Более высокий АЦП + низкий уровень шума = более высокое разрешение

Многие осциллографы также предлагают режим высокого разрешения. Методы передискретизации в сочетании с фильтрами цифрового сигнального процессора (DSP) могут увеличить вертикальное разрешение. Поставщики часто ссылаются на это увеличение в терминах бит разрешения. В случае серии InfiniiVision HD3 высокое разрешение увеличивает битовую глубину с внутреннего 14-битного разрешения АЦП до 16-битного разрешения. Этот метод требует АЦП, спроектированного с избыточной частотой дискретизации относительно аппаратной полосы пропускания, необходимой для конкретного измерения.

Большое количество бит АЦП теоретически увеличит разрешение. Однако это не всегда так. Вертикальное разрешение зависит не только от АЦП, как мы узнали выше, но и от входного шума осциллографа. Спецификация эффективного количества бит (ENOB) учитывает шум системы и сообщает вам, сколько из этих бит фактически эффективно при выполнении измерений. Серия HD3 не только имеет 14-битный АЦП и низкий уровень шума (50 мВ), но и имеет высокое ENOB. Подробнее о ENOB читайте в следующем разделе и в технической документации «Понимание битов АЦП и ENOB».

ENOB

Эффективное число бит является мерой динамической производительности. Хотя некоторые поставщики осциллографов могут указывать значение ENOB АЦП осциллографа само по себе, эта цифра не имеет значения. Важен ENOB всей системы. АЦП может иметь отличный ENOB, но плохой шум входного каскада осциллографа значительно снизит ENOB всей измерительной системы. Хотя поставщики осциллографов редко публикуют общие значения ENOB, они обычно характеризуют их и предоставляют эти значения для конкретного номера модели по запросу.

ENOB осциллографа — это ряд кривых, а не конкретное число. Измерение ENOB происходит, когда синусоида с фиксированной амплитудой качается по частоте. Каждая кривая создается при определенной вертикальной настройке, в то время как частота изменяется. Осциллограф фиксирует и оценивает полученные измерения напряжения.

Во временной области вычисление ENOB заключается в вычитании теоретической наилучшей синусоиды из измеренной волны. Ошибка между этими кривыми может быть вызвана входным каскадом осциллографа, вызванным такими атрибутами, как нелинейность фазы и изменения амплитуды при частотной развертке. Ошибка также может быть вызвана искажением чередования от АЦП.

В частотной области расчет ENOB включает вычитание мощности, связанной с основным тоном, из общей широкополосной мощности. Оба метода дают одинаковый результат.

Значения ENOB будут ниже, чем биты АЦП осциллографа. Например, 8-битные осциллографы InfiniiVision 3000G / 4000G X-Series имеют системный ENOB около 6,9. 14-битный осциллограф серии HD3 с чрезвычайно малошумящим входным каскадом имеет системный ENOB более 10,4 бит.

В целом, чем выше ENOB, тем лучше. Однако инженерам следует быть осторожными, полагаясь исключительно на ENOB для оценки целостности сигнала. ENOB не учитывает ошибки смещения или фазовые искажения, которые может вносить осциллограф. Узнайте больше о важности ENOB и его отличиях от битов АЦП в технической статье «Понимание битов АЦП и ENOB» (соответствующая статья следует).

Влияние масштабирования на разрешение

Масштабирование сигналов играет важную роль в максимизации разрешения осциллографа, влияя на количество используемых бит АЦП. При использовании всего вертикального дисплея задействуются все 14 бит, тогда как при уменьшении масштаба до половины или четверти экрана разрешение снижается до 12 и 10 бит соответственно.

Осциллографы с аппаратным масштабированием, как InfiniiVision HD3 с 14-битным АЦП, сохраняют высокое разрешение до 2 мВ/дел, в отличие от традиционных моделей, которые переходят на программное увеличение при низких вертикальных настройках. Это позволяет InfiniiVision HD3 достигать минимального разрешения 0,15 нВ, что в 64 раза больше, чем у обычных 8-битных осциллографов (рисунок 2).

Шум осциллографа

Наличие осциллографа с низким уровнем шума (высокий динамический диапазон) имеет решающее значение для наблюдения за малыми токами и напряжениями или небольшими изменениями в более крупных сигналах.

Примечание: вы не сможете увидеть детали сигнала, меньшие, чем уровень шума осциллографа. Когда сигнал находится «в шуме», он меньше, чем уровень шума (рисунок 3).

Рисунок 3. В этом примере измеряется сигнал 53 мкВ. Слева осциллограф серии 3000G X при 2 мВ/дел имеет уровень шума 372 мкВ уср.кв., что делает невозможным увидеть тон 53 мкВ на быстром преобразовании Фурье (БПФ) из-за высокого входного шума. Справа серия HD3 с уровнем шума менее 50 мкВ уср.кв. при этих настройках четко показывает чрезвычайно слабый тон 53 мкВ на БПФ из-за низкого входного шума. Низкий уровень шума осциллографа позволяет вам улавливать даже самые мелкие детали сигнала.

Если уровни шума выше уровней квантования АЦП, пользователи не смогут воспользоваться дополнительными битами АЦП.

Шум может исходить из разных источников, включая переднюю часть осциллографа, АЦП в осциллографе и зонде / пробнике или кабель, подключенный к устройству. АЦП имеет ошибку квантования. Для осциллографов шум квантования обычно вносит меньший вклад в общий шум; передняя часть осциллографа играет более существенную роль.

Большинство поставщиков осциллографов характеризуют шум для определенных полос пропускания и включают эти значения в техническое описание продукта. Если информация недоступна, вы можете запросить ее или узнать самостоятельно. Ее легко измерить за несколько минут:

Отсоедините все входы от передней части осциллографа и установите его на входной тракт 50 Ом. Вы также можете запустить тест для тракта 1 МОм. Включите достаточную память сбора данных, например 1 Мпт, с фиксированной высокой частотой дискретизации для полосы пропускания полного осциллографа. Запустите осциллограф с бесконечной функцией выборки и посмотрите, насколько плотной является результирующая форма волны. Чем толще форма волны, тем больше шума производит осциллограф внутри. Вы можете включить «AC RMS (полноэкранное стандартное отклонение)», чтобы увидеть уровень шума при каждой настройке В / дел.

Осциллограф серии InfiniiVision HD3 имеет совершенно новый настраиваемый входной каскад с невероятно низким уровнем шума (< 50 мкВср.кв. при 2 мВ/дел, 50 Ом).

Рисунок 4. Мы провели измерение шума переменного тока RMS при 1 мВ/дел и 50 Ом пути на каждом осциллографе. Базовый уровень шума осциллографа будет накладываться на каждый измеряемый вами сигнал, поэтому учтите это при сравнении осциллографов конкурентов. Входные каналы серии HD3 имеют самый низкий уровень шума в отрасли, что сводит к минимуму влияние на ваши сигналы и измерения.

Каждый канал осциллографа будет иметь уникальные шумовые качества при каждой вертикальной настройке. Вы можете оценить шум, наблюдая за толщиной формы волны, или вы можете использовать более аналитический подход, измеряя V rms AC, чтобы количественно определить его. Эти измерения показывают количество шума на каждом канале осциллографа при различных вертикальных настройках, что позволяет вам измерять сигналы, которые ниже уровня шума вашего осциллографа. Все полученные вертикальные значения могут отклоняться вплоть до значения шума осциллографа. Шум влияет на горизонтальные и вертикальные измерения.

Чем ниже шум вашего осциллографа, тем лучше будут результаты измерений.

Частотные характеристики

Каждая модель осциллографа имеет уникальную частотную характеристику, которая измеряет способность осциллографа точно получать сигналы вплоть до номинальной полосы пропускания. Для точного получения сигналов осциллографы должны соответствовать трем ключевым требованиям:

• Осциллограф должен иметь плоскую частотную характеристику.

• Осциллограф должен иметь плоскую фазовую характеристику.

• Захваченные сигналы должны находиться в пределах полосы пропускания осциллографа.

Отклонение от требований осциллографа приводит к ошибкам в измерении и отображении сигнала. Быстрые фронты содержат множество гармоник, и осциллограф должен точно измерять каждую из них. Идеальный осциллограф имеет плоскую амплитудную и фазовую характеристики до своей полосы пропускания, чтобы избежать искажений сигналов. Неравномерная частотная характеристика вызывает искажения. Общая характеристика зависит от осциллографа и используемых зондов, пробников или кабелей. Чтобы избежать ограничений полосы пропускания, убедитесь, что используемые аксессуары соответствуют требованиям точности измерений.

Фильтры коррекции

Некоторые осциллографы используют аналоговые фильтры для настройки частотной характеристики, а другие применяют корректирующие фильтры в реальном времени с помощью DSP. Комбинация аналоговых и корректирующих фильтров обеспечивает более плоскую амплитудную и фазовую характеристики.

Высококачественные осциллографы, такие как HD3, используют оба типа фильтров для равномерной частотной характеристики. Фильтры типа Brick-wall быстро подавляют внеполосный шум, минимизируя искажения, но могут вызвать небольшое перерегулирование. Гауссовские фильтры уменьшают звон, но добавляют шум.

Выводы

При оценке нового осциллографа крайне важно убедиться, что вы получаете наилучшее представление о тестируемых сигналах в широком диапазоне частот. Убедитесь, что вы выбрали осциллограф, который превосходит все области точности сигнала: высокое разрешение, низкий уровень шума, ровная частотная характеристика и высокий ENOB.

Если вас беспокоит точность, не ищите ничего, кроме HD3.

Метрика вертикальной точности	Область применения технологического блока	Где можно найти ответ?
Разрешение	ADC	Технический паспорт продукта
Шум	Фронтальные каналы	Технический паспорт продукта
ENOB	ADC / Фронтальные каналы	Некоторые поставщики включают это, другие нет. Если вы не найдете эту информацию в техническом описании, обязательно попросите ее.
Аппаратное вертикальное масштабирование	ADC / Фронтальные каналы	В технических описаниях не всегда указано, когда начинается увеличение программного обеспечения. Некоторые поставщики ограничивают пропускную способность при малых чувствительности.
Равномерность частотной характеристики	Аналоговые фильтры и корректирующие фильтры	Поставщики обычно не включают это в технические характеристики продукта. Вам нужно будет попросить поставщика показать амплитуду и фазовый отклик для модели, которую вы оцениваете.
Точность шкалы времени	Временная база	Технический паспорт продукта

Сопутствующие Товары

xDS3202A осциллограф 14 бит 2х200МГц 40М точек

73 536грн.

Без НДС: 73 536грн.

XDS3204E осциллограф, 200 МГц, 4 канала

51 850грн.

Без НДС: 51 850грн.

xDS2102A осциллограф 12 бит 2х100МГц 20М точек

23 424грн.

Без НДС: 23 424грн.