Ben Robinson, National Instruments Corp.
Смуга пропускання не обов'язково є основним параметром для оцінки якості відображення сигналів, що цікавлять осцилографом.
Виробники осцилографів люблять розміщувати великі цифри на передніх панелях своїх приладів, щоб показати, наскільки вони кращі за конкурентів. Смуга пропускання, частота дискретизації, а іноді й бітова роздільна здатність - це цифри, які виробники використовують для позиціонування себе. Чи дійсно цифри на цих передніх панелях забезпечують якісніші вимірювання та глибше розуміння об'єкта, який ви тестуєте?
Не для кожного виміру потрібно багато гігагерц смуги пропускання або гіга-вибірок даних. Замість шукати осцилограф з більшою смугою пропускання, часто можна отримати більше користі від осцилографів з більш високою точністю та повторюваністю вимірювань.
Смуга пропускання зазвичай є першим параметром, який потрібно переглядати при виборі осцилографа. Як правило, вважається, що чим більша смуга пропускання у вашого осцилографа, тим краще. Однак у багатьох випадках додаткова смуга пропускання не приносить суттєвої користі. Наприклад, для сигналу з часом наростання в одну наносекунду потрібна смуга пропускання близько 350 МГц, згідно з правилом 0,35, поділеного на смугу пропускання. Вимірювання цього часу наростання зі смугою пропускання, скажімо, 5 ГГц не дає суттєвої переваги.
Характеристики смуги пропускання також не показують, наскільки осцилограф добре пригнічує високочастотні сигнали. Вказана на осцилографі смуга пропускання не означає, що сигнали вище цієї смуги пропускання приладу зникають. Ця смуга пропускання показує лише частоту, де 70% амплітуди сигналу все ще включено у вимір. Сигнали за межами частот, які осцилограф може точно відобразити, можуть мати достатню потужність, щоб вплинути на вимірювання.
Найбільша відмінність у більшості осцилографів полягає в різниці між кількістю біт у роздільній здатності аналого-цифрового перетворювача (АЦП) і кількістю біт фактичного дозволу при вимірюваннях. Перш ніж витрачати гроші на ще один осцилограф, обов'язково вивчіть характеристики, які дійсно важливі для отримання якісних вимірів.
Осцилографи з поганими характеристиками зниження амплітуди сигналу згідно з правилом -3 дБ дозволяють певним сигналам, що знаходяться за межами робочого діапазону частот, помилково з'являтися в спектрі поточних вимірювань.
Ефективна кількість біт
Більшість осцилографів, що продавалися протягом усієї історії цього приладу, використовували 8-бітові АЦП, що означає, що вони мають 28 поділів напруги для вимірювання амплітуди сигналу. Останнім часом дедалі більше інженерів розуміють цінність вищого дозволу вимірів у осцилографах.
Уявіть, що ви перевіряєте роботу доріжки на платі, через яку проходить прямокутний сигнал напругою 3,1 В, або якийсь інший цифровий сигнал. При цьому ви не знаєте, що між цією доріжкою та іншою доріжкою на платі, через яку проходить низьковольтний прямокутний сигнал напругою 10 мВ, є коротке замикання. Цей тип сигналу може бути результатом перехресних перешкод між доріжками.
У багатьох випадках ви заздалегідь не знаєте точної роздільної здатності, необхідної для такого типу вимірювання. Якби ви знали, що на лінію подається сигнал напругою 10 мВ, вимір був би непотрібним.
Один із способів прийняти правильне рішення при виборі осцилографа — розглянути сигнали з найвищою та найнижчою амплітудою у вашій системі. Яким буде дозвіл найслабшого сигналу у вашій системі при вимірі його з використанням максимально необхідного діапазону напруги?
Наступне базове співвідношення допоможе вам визначити дозвіл, необхідний виявлення цих слабких сигналів у системі:
Radc = log10((Fmr/(Rr × Fsi))/2)
Де Radc = роздільна здатність АЦП, біти;
Fmr = повний діапазон вимірюваної напруги (В);
Rr = необхідна роздільна здатність вимірювання, (В);
Fsi = повний діапазон сигналу, що цікавить, (В). для прикладу з прямокутним сигналом 3,1 В:
Radc = log10((10/(0,01 × 3,1))/2) = 8,33 біта
У цьому прикладі рівняння показує, що роздільна здатність АЦП осцилографа має становити не менше 8,33 біт. Визначення необхідного дозволу виміру у системі — це лише з кроків до розуміння деталей. Рівняння не свідчить, що еквівалентне число біт дозволу має значення. Це число зазвичай дещо менше числа даних, що надаються АЦП.
Ефективне число біт (ENOB) - це характеристика, яка пов'язує вимірювальні характеристики осцилографа з поширеною характеристикою, яка використовується в перетворювачах даних, а саме: бітами роздільної здатності. Виробники пристроїв завжди використовували точну модель перетворювача даних для визначення дозволу вимірювання своїх пристроїв. Однак жоден прилад або перетворювач даних не ідеальний, тому для визначення якості вимірювань осцилографа потрібна більш детальна характеристика і розуміння.
При поверхневому перегляді в повному масштабі 10-бітові, 14-бітові та 18-бітові виміри виглядають начебто схожими. Для того, щоб побачити суттєву різницю між вимірюваннями, виконаними осцилографами з більш високою роздільною здатністю, потрібно більш детальний огляд. Інженери завжди повинні враховувати, чи використовують вони правильний дозвіл приладу для того, щоб побачити важливі деталі в сигналах, що їх цікавлять.
Показник ENOB розраховується безпосередньо на основі співвідношення сигнал/шум та спотворення (SINAD), параметра, що враховує весь шум, а також спотворення, що виникають під час вимірювання. Потім ENOB порівнює характеристики ідеального АЦП з АЦП конкретного осцилографа, що відповідають параметру SINAD:
Enob = (Sn – 10log10(3/2))/20log102 = (Sn – 1.76)/6.02
где Enob = ENOB; Sn = Sinad.
Ідеальним варіантом було б пристрій, у якого значення ENOB близьке до дозволу перетворювача даних. У цьому прикладі рівняння для вирішення АЦП показало необхідну роздільну здатність вимірювання 8,33 біт. Восьмибітний осцилограф не підійде. Найкращі 10-бітові осцилографи мають ENOB приблизно сім біт. У цьому прикладі нам, ймовірно, потрібно використовувати 12-бітний осцилограф. Типовим значенням ENOB для 12-бітного осцилографа є дев'ять біт чи краще.
Для вимірювань у цьому прикладі використовувалися осцилограф PXIe-5162 (10-бітний), PXIe-5122 (14-бітний) і PXI-5922 (18-бітний). PXI-5922 може вимірювати з роздільною здатністю від 16 до 24 біт залежно від частоти дискретизації. При вимірюванні сигналу в нашому прикладі з накладеною прямокутною хвилею 10 мВ за допомогою 10-бітного осцилографа сигнал виглядає як шум. Спостерігач ніяк не зможе побачити сигнал 10 мВ.
При вимірі за допомогою 14-бітного осцилографа стає ясно, що на нього накладено періодичний сигнал, який, ймовірно, прямокутною хвилею. Вимірювання, виконані за допомогою 18-бітного осцилографа, показують, що сигнал є прямокутною хвилею, і дають точні виміри цього малого сигналу.
Однак, крім ясності виміру при високій роздільній здатності, існують і інші компроміси. 18-бітний осцилограф, використаний для виконання наведених вище вимірювань, включає високороздільний дельта-сигма (Δ∑) або сигма-дельта (∑Δ) АЦП. Дельта-сигма АЦП має високу лінійність і чутливий до малих змін амплітуди сигналу, але не може точно вимірювати великі, швидкі зміни амплітуди. На вимірах, виконаних за допомогою 18-бітного осцилографа, видно, що після краю великого (3,1) переходу спостерігаються значні коливання. Прилад з вищим показником ENOB забезпечує низку переваг при тестуванні:
• Коли один вимір містить значно більше даних про поведінку сигналу, ви можете витратити менше часу на налаштування та конфігурацію тестової станції для запису даних та більше часу на аналіз записів для отримання важливих даних.
• Коли ви можете отримати більше інформації на етапі проектування продукту, ви можете швидше усувати проблеми та перепроектувати його, ніж ваші конкуренти. Більш точні виміри означають менше часу характеризувати, перевірку і встановлення специфікацій, і навіть менше часу виведення товару ринку.
• Більшість проектів потребують специфікацій із високим ступенем впевненості у продуктивності. Чим вище роздільна здатність і точність вашого приладу при створенні цих специфікацій, тим більша впевненість у вашому проекті.
Більш точні виміри означають кращі результати тестування та більшу впевненість для інженера-випробувача у тому, що кінцевий продукт працює належним чином.
Показник ENOB значною мірою визначається АЦП, що використовується при проектуванні осцилографа. АЦП і архітектура, що мають правильні характеристики джиттера в часовій області і щільність спектрального шуму, поряд з багатьма іншими характеристиками, зрештою визначають якість вимірювань приладу. У разі апаратна частина є визначальним чинником технічних характеристик прицілу. Але це не стосується багатьох характеристик сучасних осцилографів.
НЕ ДОВЕРАЙТЕ значення роздільної здатності, вказаному на передній панелі осцилографа або в посібнику користувача. Ефективне число біт (ENOB) – це показник роздільної здатності осцилографа, що враховує шум та паразитні складові приладу.
У міру того, як осцилографи стають все більш складними, багато їхніх характеристик ґрунтуються на програмно-визначуваних компонентах, таких як цифрові сигнальні процесори (DSP) та ПЛІС (FPGA). Все більше виробників осцилографів пропонують пакети, що розширюють можливості проектування вбудованого програмного забезпечення. Багато з цих пакетів надають різні типи фільтрів (наприклад, Бесселя, Баттерворта або Гауса), оптимізовані для конкретних завдань, таких як швидкий час наростання або обмеження перерегулювання.
Деякі виробники навіть пропонують пакети для проектування вбудованого програмного забезпечення, що дозволяють вносити зміни безпосередньо до фільтрів та тригерів осцилографа. Для внесення змін до багатьох з них необхідно знати інструменти програмування DSP і FPGA. Інші середовища проектування вбудованого програмного забезпечення осцилографів мають графічні інтерфейси програмування або блок-схеми, які є більш доступними, якщо ви знаєте мови програмування FPGA, такі як VHDL і Verilog.
Пакети для проектування вбудованого програмного забезпечення, що надають доступ до фільтрів та тригерів, дозволяють користувачам налаштовувати осцилографи для конкретних вимірювань. У деяких випадках виробники осцилографів відкривають частини FPGA, що не використовуються, для реалізації обробки сигналів, нової логіки запуску і навіть інтерфейсів потокової передачі даних. Хоча розробка вбудованого програмного забезпечення не може змінити всі характеристики, вона, безумовно, може дозволити вам розширити або оптимізувати можливості осцилографа для отримання найбільш точних та надійних вимірювань.
