ОСЦИЛЛОГРАФЫ. ВЕРТИКАЛЬНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ. ЧТО ЭТО? ЧАСТЬ 5

Магазин Gtest(R) предлагает широкую номенклатуру Осциллографов на приводимой страничке сайта в самом конце настоящего Раздела, а также рекомендуемые приборы и статьи для самообразования

Высокое разрешение и высокая частота дискретизации являются желательными. То, что мы действительно хотим, — это высокое эффективное разрешение на основе предыдущего обсуждения ENOB. Высокая частота дискретизации является абсолютным требованием, основанным на полосе пропускания, но абсолютное требование на самом деле относится к аппаратной частоте дискретизации. Аппаратная частота дискретизации должна удовлетворять ограничению частоты Найквиста. После того, как предел частоты Найквиста будет удовлетворен, можно использовать методы интерполяции для обеспечения 10-кратной избыточной дискретизации, желаемой пользователем. Пользователи хотят формы сигналов с 10-кратной передискретизацией, потому что можно показать, что в этой ситуации линии могут быть проведены между выборками и фактическими точками выборки. Мало того, что линии, проведенные между точками (т. е. линейная интерполяция), являются очень хорошим приближением базовой аналоговой формы сигнала, когда частота дискретизации по крайней мере в десять раз превышает полосу пропускания, глаз интерполирует линейно при просмотре формы сигнала. Поэтому стратегия развертывания АЦП может заключаться в развертывании АЦП таким образом, чтобы достаточно дискретизировать сигнал, соответствующий критериям Найквиста, интерполяции для достижения требования 10-кратной передискретизации и развертывании оставшихся АЦП таким образом, чтобы улучшить ENOB. Развертывание АЦП только в традиционной схеме с временным чередованием для максимизации частоты выборки можно считать расточительной расточительностью, когда эффективное разрешение можно улучшить. При этом наилучшие режимы работы АЦП будут зависеть от характеристик канала.

Пример этого определения показан на рисунке 11 для аналоговой полосы пропускания 4 ГГц. Поскольку требование Найквиста заключается в частоте дискретизации 2 • 4 ГГц = 8 Гвыб/с, мы, вероятно, можем осуществлять дискретизацию с частотой 10 Гвыб/с (7).

(7) Мы говорим «вероятно», потому что полоса пропускания канала равна точке -3 дБ, а не пределу для содержимого сигнала. Но большинство ответов осциллографа имеют тенденцию быстро падать после достижения полосы пропускания. Хотя полоса пропускания является хорошим индикатором возможного содержимого частоты, она не является пределом, и предел должен быть подтвержден измерениями.

Рисунок 11 - Концептуальная схема 10 Гбит/с, десяти битное время и вертикальное чередование. Фаза выборки (5 ГГ/с тактовой частоты выборки) Развернуто 5 Гвыб/с, 8-битный АЦП

Таким образом, имея восемь АЦП, мы можем развернуть их в смеси временных и вертикальных чередований, как показано. Здесь группы из четырех АЦП одновременно снимают сигнал с одной группы в фазе ноль, а с другой группой на половину периода выборки позже. В каждой группе из четырех каждый АЦП смещен на кратное одной четверти кода, создавая четыре уровня между каждым восьмибитным кодом для разрешения десять бит. Таким образом, АЦП развертываются для создания сигнала 10 Гвыб/с с разрешением десять бит. Поскольку требуется 10 передискретизации, три точки интерполируются между каждой из точек выборки, полученных оборудованием, создавая желаемый сигнал 40 Гвыб/с, десять бит. Учитывая, что на рисунке 11, у нас есть в фазах 0 и 1/2 четыре АЦП 0, 1, 2 и 3, образующие вертикально чередующуюся группу. Код, соответствующий данному АЦП и данному напряжению, следует формуле:

voltage = voltsPerCode · code + offset [adc]

и, следовательно, код, выдаваемый данным АЦП при заданном напряжении и смещении, равен:

где здесь vilv - число вертикально чередующихся АЦП и АЦП 0 . . . vilv          1 — это номер АЦП.

Здесь vilv = 4.

Рисунок 12 - Передаточные характеристики для четырехстороннего вертикального чередования

Предположим для простоты, что voltsPerCode = 1 (т. е. мы можем говорить о напряжениях, применяемых в терминах восьмибитных кодов). Для АЦП 0 со смещением ноль это означает, что он выведет код ноль для любого напряжения, большего или равного нулю и меньше единицы. Любое напряжение, равное или больше единицы, и он выведет единицу и так далее. АЦП 1 из-за примененного смещения кода на одну четверть выводит ноль для любого напряжения, меньшего трех четвертей и большего отрицательной четверти. АЦП 2 имеет примененное смещение кода на половину, а АЦП 3 имеет смещение кода на три четверти. Из-за этих конкретных смещений мы обнаруживаем, что для напряжений между нулем и одной четвертью все АЦП выводят ноль. Для напряжений между одной четвертью и одной половиной все АЦП выводят ноль, за исключением АЦП 3, который выводит единицу. Для напряжений от половины до трех четвертей АЦП 0 и 1 выводят ноль, а два других выводят единицу. Наконец, для напряжений от трех четвертей до единицы только АЦП 0 все еще выводит ноль, в то время как все остальные АЦП выводят единицу.

Таким образом, если мы просто суммируем коды, поступающие от каждого из АЦП, мы получаем десятибитный код. Для одного АЦП 0 мы получили нулевой код для всех дробных напряжений от нуля до одного кода, но теперь, после суммирования АЦП, мы получаем четыре кода 0, 1, 2 и 3 для дробных напряжений и, следовательно, имеем десятибитный квантователь. Передаточные характеристики каждого АЦП в обсуждении показаны на рисунке 12, где мы видим, что восьмибитные шаги применяемого линейного изменения теперь становятся десяти битными шагами.

Параметры развертывания АЦП большие и настраиваемые. Они варьируются от восьми 8-битных АЦП с вертикальным чередованием для обеспечения 11-битного, 5 Гвыб/с захвата, до восьми АЦП с временным чередованием для обеспечения 8-битного, 40 Гвыб/с захвата. Временное и вертикальное чередование можно даже комбинировать, как показано на рисунке 13[5].

Рисунок 13 - Концептуальное гибридное время 10 Гвыб/с и вертикальное чередование. Фаза выборки (5 ГГ/с тактовой частоты выборки)

Кроме того, если объединить два чипа АЦП на двух каналах, как это возможно во многих осциллографах, можно достичь от 80 Гвыб/с восьмибитных захватов до 5 Гвыб/с двенадцатибитных захватов.

В качестве последнего и немаловажного замечания мы обсудили здесь компромиссы между частотой дискретизации и вертикальным разрешением, но, как мы увидели, разрешение может не быть основным ограничением шума. Иногда временное разделение в сочетании с фильтрацией или усреднением значений АЦП при одновременной выборке обеспечивает наибольшее снижение шума и, следовательно, наивысшее ENOB.

Рисунок 14 - ENOB и разрешение для различных полос пропускания. Полоса пропускания осциллографа (ГГц). 8 бит разрешение

Выводы

В последнее время ENOB и разрешение осциллографа стали очень важными темами. Диаграмма на рисунке 14 представляет сравнение осциллографов на рынке от многих производителей с восьми-, десяти- и двенадцатибитным разрешением вместе с предоставленным ENOB. Для каждого из этих разрешений была проведена линия тренда, которая следует за ожидаемым улучшением на полбита для каждого сокращения полосы пропускания вдвое, как обсуждалось ранее. Для ясности, эти тенденции не были подогнаны к данным, а вместо этого проведены в соответствии с ожиданиями. Один вывод, который вы должны сделать, заключается в том, что для любого разрешения осциллографа ENOB уменьшается в основном, как и ожидалось, в соответствии с полосой пропускания. Другой важный вывод заключается в том, что, хотя осциллографы с более высоким разрешением, как правило, дают более высокий ENOB, ENOB приближается, но не достигает разрешения осциллографа. Кроме того, можно заметить, что по мере улучшения разрешения основным ограничением ENOB, по-видимому, являются другие источники шума в канале осциллографа.

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