Секрети вимірювання часу за допомогою осцилографа

Осцилографи використовують як апаратні, і програмні засоби підвищення дозволу вимірів часу. На щастя, більшість обробки відбувається непомітно для користувача.

Основне відображення на осцилографі – амплітуда залежно від часу. При роботі з осцилографами основна увага приділяється вертикальній осі, включаючи роздільну здатність по амплітуді, аналогову смугу пропускання та вертикальну точність. Тимчасова вісь, схоже, не отримує належної уваги. Це з тим, що тимчасові бази осцилографів дуже хороші.

Точність тимчасової бази

Тимчасова база осцилографа генерує тактовий сигнал дискретизації, що дискретизує вхідний сигнал з рівномірними інтервалами часу з частотою дискретизації. Частота дискретизації та довжина пам'яті збору даних визначають коефіцієнт горизонтального масштабування. Точність частоти тактового сигналу тимчасової бази осцилографа зазвичай вказується в частинах мільйон (ppm) чи частинах мільярд (ppb).

Наприклад, прилад із тимчасовою базою, вказаною як точна в межах ± 0,1 ppm (100 ppb). Це означає, що будь-який вимірюваний часовий інтервал T має точність в межах ± 0,1/10⁶ від значення T. Якщо інтервал, що вимірюється, становить одну секунду, невизначеність вимірювання становить ±1×10⁻⁷ секунд або ±0,1 мікросекунди (мс).

Тактові генератори схильні до дрейфу частоти з часом. Ця невизначеність синхронізації є кумулятивною і збільшується в міру роботи генератора протягом тривалих періодів часу. Цей дрейф, званий старінням, зазвичай вказується як адитивна невизначеність частоти, виражена в частинах мільйон на рік (ppm/год). Типова специфікація тактової частоти може становити ±0,1 ppm + 0,05 ppm/рік. Час вимірюється з моменту останнього калібрування приладу.

Якщо внутрішня тактова частота осцилографа недостатня або якщо робота осцилографа має бути синхронізована з іншими приладами, багато осцилографів включають зовнішній вхід опорного сигналу тактової частоти. Зовнішній опорний сигнал зазвичай генерується дуже стабільного джерела сигналу з частотою 10 або 100 мегагерц (МГц) і використовується для синхронізації внутрішньої тактової частоти з опорним входом для підвищення її точності.

Поліпшення тимчасового дозволу

Тимчасова роздільна здатність цифрового приладу, заснована тільки на частоті тактового сигналу дискретизації, буде дорівнює зворотній величині частоти дискретизації. Осцилограф, що працює з частотою дискретизації 40 гігавибірок в секунду (Гвибірок/с), матиме тимчасову роздільну здатність 25 пікосекунд.

Осцилографи підвищують апаратний тимчасовий дозвіл за рахунок використання спеціалізованого частотного лічильника, що називається перетворювачем часу в цифровий код (ПВЦ). У режимі збирання даних у реальному часі перетворювач часу в цифровий код вимірює час між подією запуску та наступною вибіркою.

Загалом, подія запуску та тактовий сигнал вибірки не синхронізовано. Затримка між двома подіями рівномірно розподілена за періодом дискретизації. Рівномірний розподіл означає, що будь-яка затримка між нулем та періодом дискретизації однаково можлива. Затримка кожного вимірювання називається горизонтальним зміщенням і є характеристикою отриманої форми сигналу.

Горизонтальні відносні курсори забезпечують візуальний вимір часу між точкою запуску і наступним за нею відліком і відображають значення Δx, що дорівнює 12,5 пс, поле зчитування курсору в правому нижньому куті. Вихід TDC забезпечує точне цифрове зчитування всередині пристрою.

Тимчасова роздільна здатність TDC значно вища за частоту дискретизації. У цьому прикладі воно становить п'ять пс. Горизонтальне зміщення використовується для вирівнювання відліків осцилограми для відображення та вимірювання. Воно також використовується для об'єднання декількох вимірювань періодичної осцилограми у випадковий вимір, що чергується.

Випадковий вимір, що чергується.

Випадковий чергування вимірювання (RIS) - це режим збору даних, який підвищує тимчасове дозвіл приладу при вимірюванні декількох періодичних осцилограм зі стабільною точкою запуску. Осцилограф отримує кілька осцилограм, кожна з яких має однакову форму.

Кожна отримана осцилограма має горизонтальне усунення, рівномірно розподілене за періодом дискретизації. Декілька отриманих осцилограм матимуть різне горизонтальне усунення. Різниця в часі між точкою запуску та першою наступною вибіркою на малюнку ілюструє цю зміну. Накладення дванадцяти осцилограм показує, як вони синтезують осцилограму з більш високою частотою дискретизації.

Осцилограф вимірює горизонтальне зміщення кожної осцилограми і класифікує їх, вибираючи ті значення яких кратні бажаної ефективної частоті дискретизації. Ці вибрані осцилограми поєднуються для формування осцилограми RIS.

Нижній сигнал малюнку відповідає збору даних у часі. КурсОри відзначають період дискретизації 25 пс сигналу в реальному часі. Верхній сигнал відповідає збору даних у режимі RIS. Зверніть увагу, що між курсорами є п'ять ефективних періодів дискретизації; ефективна частота дискретизації вп'ятеро перевищує частоту дискретизації 40 Гс/с, або 200 Гс/с. Пам'ятайте, що режим збору даних RIS вимагає багаторазових повторних вимірювань з ідентичною формою сигналу за допомогою стабільної точки запуску.

Режим послідовності

Режим послідовності – це ще один режим збирання даних, який використовує TDC. Цей режим використовується для мінімізації мертвого часу між сусідніми вимірами. Він також застосовується для скорочення часу між вимірами. У режимі послідовності пам'ять вимірів розбивається на задану користувачем кількість сегментів. Кожен сегмент містить один вимір. Оскільки осцилограф не повинен відображати графік між сегментами, мертвий час між вимірюваннями мінімізується.

Недоліком цього режиму є те, що час між сегментами невизначений, оскільки прилад очікує наступного запуску вимірювання. Для вирішення цієї проблеми осцилограф зазначає місце кожного сегмента в часі двома способами.

По-перше, він означає початок кожного сегмента, використовуючи годинник реального часу осцилографа для позначення часу спрацьовування кожного тригера. Годинник реального часу має дозвіл в одну секунду, що непрактично для швидких вимірів. Також використовується TDC для вимірювання затримки часу кожного тригера щодо першого тригера у процесі вимірювання.

На малюнку показано послідовність реєстрації п'яти ультразвукових імпульсних серій, кожна у своєму сегменті. Тимчасові позначки послідовності відображаються під графічним зображенням, включаючи абсолютний час від годинника реального часу осцилографа в стовпці «Час». Крім того, зазначено час від початку першого сегмента та час між сегментами. Ці виміряні за допомогою TDC тимчасові мітки відображаються з роздільною здатністю в одну наносекунду.

Тимчасові позначки вказують на час запуску. Власне, вони визначають час кожного сегмента. Якщо кожна подія запуску є аномалією, то тимчасові мітки надають частоту аномалій - діагностичну інформацію, яка часто є корисною.

Інтерполяція

Якщо TDC – це апаратний інструмент для точних вимірів часу, то інтерполяція – це програмний інструмент. Інтерполяція - це математичний метод збільшення ефективної частоти дискретизації сигналу, що реєструється. Інтерполяція обчислює проміжні значення між відліками реального часу. Інтерполяція зазвичай застосовується до даних, але в багатьох випадках вона використовується у вимірах, специфічних для конкретного додатка. Інтерполяція також доступна у вигляді математичної функції і може використовуватися для підвищення тимчасового дозволу сигналів. Осцилограф, що використовується в цій статті, пропонує інтерполяцію sin x/x, лінійну або кубічну інтерполяцію з покращенням частоти дискретизації від двох до п'ятдесяти обчислених точок на один відлік у реальному часі. Інтерполяція збільшує час обробки приладу пропорційно до кількості інтерполованих відліків.

З позитивного боку, інтерполяція може застосовуватися до одноразових вимірів. З негативного боку інтерполяція вимагає, щоб дані відповідали критерію Найквіста і мали частоту дискретизації, що перевищує подвоєну смугу пропускання сигналу. Невідповідність критерію Найквіста може призвести до значних помилок. З точки зору цілісності даних важливо відзначити, що дані RIS включають всі реальні відліки, тоді як інтерполовані дані є комбінацією реальних і обчислених значень відліків.

Вимірювання джиттера

Джиттер – це короткочасна зміна часу цифрового сигналу щодо його номінального значення. Будь-який параметр синхронізації може бути предметом аналізу тремтіння, і основними параметрами синхронізації, що розглядаються, є зміни ширини, періоду і помилки часового інтервалу.

Параметри ширини або періоду можна виміряти за допомогою параметрів вимірювання ширини та періоду відповідно. Тремтіння проявляється у статистичних показниках мінімуму (min), максимуму (max) та стандартного відхилення (sdev). Різниця між максимумом і мінімумом – це діапазон або пікове тремтіння. Стандартне відхилення – це середньоквадратичне (RMS) тремтіння.

Помилка часового інтервалу (TIE) вимірює різницю між кожним фактичним краєм хвильової форми та ідеальним розташуванням цього краю. Ідеальне місце розташування краю обчислюється на основі середньої частоти хвильової форми. TIE можна як миттєву фазу сигналу.

Параметри часу – період, ширина та TIE – вимірюються шляхом визначення часу між краями. Для періоду цей час є між сусідніми краями з однаковим нахилом. Для виміру ширини цей час між сусідніми краями з різними нахилами. TIE вимірює час між отриманим краєм та ідеальним краєм. Для досягнення максимально можливої ​​тимчасової роздільної здатності використовується інтерполяція.

На малюнку показано межу, що визначається трьома вибірками в реальному часі, отриманими з частотою дискретизації 10 Гс/с. Інтерполятор використовує кубічну інтерполяцію для припасування кількох інтерполованих вибірок між кожною вибіркою в реальному часі. Потім дві вибірки, що охоплюють поріг виміру, використовуються для лінійної інтерполяції для визначення часу, коли поріг вимірювання перетинається. Отримані в цьому прикладі вимірювання мають роздільну здатність краще 1 пікосекунди.

Тремтіння має як випадкові, так і детерміновані компоненти. Випадкове тремтіння пов'язане зі стохастичними процесами, такими як шум, і є необмеженим, тобто збільшується зі збільшенням часу спостереження. Детерміноване тремтіння обмежене і його амплітуда обмежена зі збільшенням часу спостереження. Випадкові компоненти тремтіння вивчаються за допомогою статистичних інструментів, таких як гістограми.

Існують параметри, призначені для інтерпретації гістограм. Середнє значення гістограми (hmean), мода (hmode), стандартне відхилення (hsdev) та розмах (hrange) – це приклади параметрів, специфічних для гістограми.

Висновок

Осцилографи використовують як апаратні, і програмні засоби підвищення дозволу тимчасових вимірів. Покращена тимчасова роздільна здатність використовується як при відображенні даних, так і при вимірюваннях. На щастя, більша частина обробки відбувається непомітно і вимагає мінімальної взаємодії з користувачем для досягнення добрих результатів.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник осцилографів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy

Постачання зі складу та на замовлення:

GW Instek, RIGOL, SIGLENT, OWON, Tektronix, Iwatsu, LeCroy, HANTEK, MICSIG