ОСЦИЛЛОГРАФЫ. ВЕРТИКАЛЬНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ. ЧТО ЭТО? ЧАСТЬ 5

Магазин Gtest® предлагает широкую номенклатуру осциллографов на странице сайта в самом конце настоящего Раздела, а также рекомендуемые приборы и статьи для самообразования

Высокое разрешение и высокая частота дискретизации желательны. 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 удовлетворён, 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, проведённые между точками (то есть линейная интерполяция), являются очень хорошим приближением базовой аналоговой формы сигнала, когда частота дискретизации по меньшей мере в десять раз превышает полосу пропускания, глаз сам интерполирует линейно при просмотре формы сигнала. Поэтому стратегия развёртывания АЦП может состоять в том, чтобы развернуть АЦП таким образом, чтобы достаточно дискретизировать сигнал в соответствии с критерием Найквиста, интерполировать для достижения требования 10-кратной передискретизации и развернуть оставшиеся АЦП так, чтобы улучшить ENOB. Развёртывание АЦП только в традиционной схеме с временным чередованием для максимизации частоты выборки можно считать расточительным, когда эффективное разрешение можно улучшить. При этом наилучшие режимы работы АЦП будут зависеть от параметров канала.

Пример этого определения показан на рисунке 11 для аналоговой полосы пропускания 4 ГГц. Поскольку требование Найквиста состоит 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 содержания сигнала. Но большинство откликов осциллографа имеют тенденцию быстро спадать после достижения полосы пропускания. Хотя полоса пропускания является хорошим индикатором возможного содержания частоты, она не является пределом, и предел должен быть подтверждён измерениями.

Рисунок 11 - Концептуальная схема 10 Гвыб/с, десятибитное время и вертикальное чередование. Фаза выборки (5 ГГц тактовой частоты выборки). Развёрнуто 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 четырёх АЦП одновременно снимают сигнал: одна группа в фазе нуль, а другая группа на половину периода выборки позже. В каждой группе из четырёх каждый АЦП смещён на кратное одной четверти кода, создавая четыре уровня между каждым восьмибитным кодом для разрешения десять бит. Таким образом, АЦП развёртываются для создания сигнала 10 Гвыб/с с разрешением десять бит. Поскольку требуется 10-кратная передискретизация, 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 группу, которая вертикально чередуется, 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, а АЦП 0 . . . vilv-1 - это номер АЦП.

Здесь vilv = 4.

Рисунок 12 - Передаточные характеристики для четырёхстороннего вертикального чередования

Предположим для простоты, что voltsPerCode = 1 (то есть мы можем говорить о применяемых напряжениях в терминах восьмибитных кодов). Для АЦП 0 со смещением нуль это означает, что он выведет код нуль для любого напряжения, большего или равного нулю и меньшего единицы. Любое напряжение равно или больше единицы - и он выведет единицу, и так далее. АЦП 1 из-за применённого смещения кода на одну четверть выводит нуль для любого напряжения, меньшего трёх четвертей и большего отрицательной четверти. АЦП 2 имеет применённое смещение кода на половину, а АЦП 3 - смещение кода на три четверти. Из-за этих конкретных смещений мы обнаруживаем, что для напряжений между нулём и одной четвертью все АЦП выводят нуль. Для напряжений между одной четвертью и половиной все АЦП выводят нуль, кроме АЦП 3, который выводит единицу. Для напряжения от половины до трёх четвертей АЦП 0 и 1 выводят нуль, а два других выводят единицу. Наконец, для напряжения от трёх четвертей до единицы только АЦП 0 по-прежнему выводит нуль, тогда как остальные АЦП выводят единицу.

Таким образом, если мы просто суммируем коды, поступающие от каждого АЦП, мы получаем десятибитный код. Для одного АЦП 0 мы получали 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 видим, что восьмибитные шаги линейного изменения теперь становятся десятибитными шагами.

Параметры развёртывания АЦП обширны и настраиваемы. 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 ГГц частоты тактовой 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 важного замечания - мы обсудили здесь компромиссы между частотой дискретизации и вертикальным разрешением, но, как увидели, разрешение может быть основным ограничением шума. Иногда временное деление в сочетании с фильтрацией или усреднением значений АЦП при одновременной выборке обеспечивает наибольшее снижение шума и, следовательно, наивысший 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 под данные, а вместо этого проведены в соответствии с ожиданиями. Один вывод, который вы должны сделать, состоит в том, что для любого разрешения осциллографа ENOB уменьшается в основном, как и ожидалось, в соответствии с полосой пропускания. Другой важный вывод состоит 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, вероятно, являются другие источники шума канала осциллографа.

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