Чому така важлива точність осцилографа по вертикальній розгортці?

Магазин Gtest(R) пропонує широку номенклатуру осцилографів на сторінці сайту в самому кінці цього Розділу, а також рекомендовані прилади та статті для самоосвіти

Оцінка точності сигналу, що відтворюється осцилографом

Що означає «вертикальна точність»?

Горизонтальна вісь осцилографа - це тимчасова база (секунди на поділ або с / справ), а вертикальна вісь показує нам напругу (вольти на поділ, В / справ). Вертикальна точність відноситься до точності напруги, яку ми бачимо на екрані як візуально, так і при вимірюваннях. Наскільки близька напруга, яку ви зчитуєте на екрані осцилографа, до фактичної напруги сигналу? Це від т.зв. "вертикальній точності".

Найбільша розрядність АЦП + Найменший рівень шуму = Найвища вертикальна точність

Вертикальну точність визначають дві ключові характеристики:

•       Кількість біт аналого-цифрового перетворювача (АЦП).

•       Рівень вхідного шуму осцилографа.

Чим більше число біт АЦП, тим більше у вас вертикальна роздільна здатність. Чим більше у вас вертикальна роздільна здатність, тим точніше ви бачите сигнал. Крім того, чим нижчий рівень шуму на вході, тим менше ваш осцилограф впливає на вимірюваний вами сигнал. Всі осцилографи мають деякий власний шум, як і кожен електронний пристрій має певний шум. Будь-який шум, який є в осцилографі, буде накладатися на ваш сигнал і спотворювати ваші вимірювання. Вам потрібен осцилограф із найменшою можливою кількістю шуму, щоб він не впливав на ваші вимірювання.

Це міркування важливо для будь-якого типу сигналу, але ще критичніше при вимірюванні дуже малих напруг.

Використання осцилографа з низьким АЦП і високим рівнем шуму може призвести до неточних вимірювань і призвести до перепроектування, ресурсомістких компонентів і, зрештою, втрати дорогоцінного часу. Щоб мінімізувати час, який ви витрачаєте на перевірку та перепроектування, слід оцінити вертикальну точність осцилографа, щоб забезпечити надійні вимірювання.

На рисунку 1 показано, що висока вертикальна точність має значення візуально та у вимірах напруги.

Рисунок 1. При порівнянні вимірювань, виконаних на осцилографі Keysight InfiniiVision 3000G X-Series і Серія HD3, що використовує ту саму установку зондування (пробники), виявила, що серія HD3 забезпечує більш точні вимірювання. HD3 має значно більш високу вертикальну роздільну здатність з 14-бітним АЦП і низький рівень шуму 50 мкВ уср. Навпаки, 3000G має 8 біт і 250 мкВ уср. шуму. Різниця суттєво впливає на точність вимірів.

Розрядність АЦП та мінімальний дозвіл

АЦП має вирішальне значення точності вертикального сигналу. Чим більше число біт АЦП, тим більша роздільна здатність осцилографа. Осцилограф з 14-бітним АЦП повинен забезпечувати дозвіл у 64 рази більше, ніж у осцилографа з 8-бітним АЦП.

Дозвіл відноситься до найменшого рівня квантування, що визначається АЦП в осцилографі. АЦП осцилографа з роздільною здатністю 8 біт може кодувати аналоговий вхід в один з 256 рівнів, оскільки 2 в 8-му ступені = 256. Ми називатимемо їх рівнями квантування (рівнями Q).

АЦП працює на повному вертикальному значенні осцилографа. Для вимірювань струму, так і напруги кроки рівня Q пов'язані з налаштуванням повного вертикального діапазону. Якщо користувач регулює вертикальне налаштування до 100 мВ на поділ, повний екран дорівнює 800 мВ (8 поділок * 100 мВ / справ), а роздільна здатність рівня Q дорівнює 800 мВ, поділеним на 256 рівнів, або 3,125 мВ.

Давайте розглянемо приклад, показаний малюнку 2. Два осцилографа масштабуються до 800 мВ весь екран. Осцилограф з 8-бітним АЦП має роздільну здатність 800 мВ/(2 в 8-ій стінці = 256 рівнів Q), або 3,125 мВ. Осцилограф з 14-бітним АЦП, наприклад, Keysight InfiniiVision HD3 Series, має роздільну здатність 800 мВ / (2 в 14-му ступені = 4096 рівнів Q), або 48,8 µВ.

Кожен осцилограф може здійснювати роздільну здатність сигналів тільки до найменшого рівня Q.

Рисунок 2. У той час як більшість осцилографів використовують 8-12-бітові АЦП, серія HD3 має 14-бітний АЦП. Це вчетверо більше дозволу 12-бітного АЦП і в 64 рази більше дозволу 8-бітного АЦП.

Вищий АЦП + низький рівень шуму = більш висока роздільна здатність

Багато осцилографів також пропонують режим високої роздільної здатності. Методи передискретизації у поєднанні з фільтрами цифрового сигнального процесора (DSP) можуть збільшити вертикальну роздільну здатність. Постачальники часто посилаються на це збільшення термінів біт дозволу. У разі серії InfiniiVision HD3 висока роздільна здатність збільшує бітову глибину з внутрішньої 14-бітної роздільної здатності АЦП до 16-розрядної роздільної здатності. Цей метод вимагає АЦП, спроектованого з надмірною частотою дискретизації щодо апаратної лінії пропускання, необхідної для конкретного вимірювання.

Багато біт АЦП теоретично збільшить дозвіл. Однак, це не завжди так. Вертикальна роздільна здатність залежить не тільки від АЦП, як ми дізналися вище, але і від вхідного шуму осцилографа. Специфікація ефективної кількості біт (ENOB) враховує шум системи та повідомляє вам, скільки з цих біт фактично ефективно при виконанні вимірювань. Серія HD3 має не тільки 14-бітовий АЦП і низький рівень шуму (50 мВ), але й має високу ENOB. Докладніше про ENOB читайте у наступному розділі та в технічній документації «Розуміння бітів АЦП та ENOB».

ENOB

Ефективне число біт є мірою динамічної продуктивності. Хоча деякі постачальники осцилографів можуть вказувати значення ENOB АЦП осцилографа само по собі, ця цифра не має значення. Важливим є ENOB всієї системи. АЦП може мати відмінний ENOB, але поганий шум вхідного каскаду осцилографа значно знизить ENOB всієї вимірювальної системи. Хоча постачальники осцилографів рідко публікують загальні значення ENOB, вони зазвичай характеризують їх і надають ці значення конкретного номера моделі за запитом.

ENOB осцилографа — це низка кривих, а чи не конкретне число. Вимір ENOB відбувається, коли синусоїда з фіксованою амплітудою хитається по частоті. Кожна крива створюється при певному вертикальному налаштуванні, тоді як частота змінюється. Осцилограф фіксує та оцінює отримані вимірювання напруги.

У часовій області обчислення ENOB полягає у відніманні теоретичної найкращої синусоїди з виміряної хвилі. Помилка між цими кривими може бути викликана вхідним каскадом осцилографа, викликаним такими атрибутами, як нелінійність фази та зміни амплітуди при частотній розгортці. Помилка може бути викликана спотворенням чергування від АЦП.

У частотній області розрахунок ENOB включає віднімання потужності, пов'язаної з основним тоном, із загальної широкосмугової потужності. Обидва методи дають однаковий результат.

Значення ENOB будуть нижчими, ніж біти АЦП осцилографа. Наприклад, 8-бітові осцилографи InfiniiVision 3000G/4000G X-Series мають системний ENOB близько 6,9. 14-бітний осцилограф серії HD3 із надзвичайно малошумним вхідним каскадом має системний ENOB більше 10,4 біт.

Загалом, що вище ENOB, то краще. Проте інженерам слід бути обережними, покладаючись виключно на ENOB з метою оцінки цілісності сигналу. ENOB не враховує помилки усунення або фазові спотворення, які може вносити осцилограф. Дізнайтеся більше про важливість ENOB та його відмінності від бітів АЦП у технічній статті «Розуміння бітів АЦП та ENOB» (відповідна стаття слідує). 

Вплив масштабування на дозвіл

Масштабування сигналів відіграє важливу роль у максимізації дозволу осцилографа, впливаючи на кількість використовуваних біт АЦП. При використанні всього вертикального дисплея використовуються всі 14 біт, тоді як при зменшенні масштабу до половини або чверті екрана роздільна здатність знижується до 12 і 10 біт відповідно.

Осцилографи з апаратним масштабуванням, як InfiniiVision HD3 з 14-бітним АЦП, зберігають високу роздільну здатність до 2 мВ/діл, на відміну від традиційних моделей, які переходять на програмне збільшення при низьких вертикальних налаштуваннях. Це дозволяє InfiniiVision HD3 досягати мінімальної роздільної здатності 0,15 нВ, що в 64 рази більше, ніж у звичайних 8-бітових осцилографів.

Шум осцилографа

Наявність осцилографа з низьким рівнем шуму (високий динамічний діапазон) має вирішальне значення для спостереження за малими струмами та напругами або невеликими змінами у більших сигналах.

Примітка: Ви не зможете побачити деталі сигналу менші, ніж рівень шуму осцилографа. Коли сигнал знаходиться «в шумі», він менший за рівень шуму (рисунок 3).

Рисунок 3. У цьому прикладі вимірюється сигнал 53 мкВ. Ліворуч осцилограф серії 3000G X при 2 мВ/справ має рівень шуму 372 мкВ уср.кв., що унеможливлює побачити тон 53 мкВ на швидкому перетворенні Фур'є (БПФ) через високий вхідний шум. Праворуч серія HD3 з рівнем шуму менше 50 мкВ уср. при цих налаштуваннях чітко показує надзвичайно слабкий тон 53 мкВ на БПФ через низький вхідний шум. Низький рівень шуму осцилографа дозволяє вам уловлювати навіть найдрібніші деталі сигналу.

Якщо рівні шуму вищі за рівні квантування АЦП, користувачі не зможуть скористатися додатковими бітами АЦП.

Шум може виходити з різних джерел, включаючи передню частину осцилографа, АЦП в осцилографі та зонді/пробнику або кабель, підключений до пристрою. АЦП має помилку квантування. Для осцилографів шум квантування зазвичай робить менший внесок у загальний шум; передня частина осцилографа грає більш істотну роль.

Більшість постачальників осцилографів характеризують шум для певних смуг пропускання і включають ці значення технічний опис продукту. Якщо інформація недоступна, ви можете її запитати або дізнатися самостійно. Її легко виміряти за кілька хвилин:

Від'єднайте всі входи від передньої частини осцилографа та встановіть його на вхідний тракт 50 Ом. Ви також можете запустити тест для тракту 1 МОм. Увімкніть достатню пам'ять збору даних, наприклад 1 Мпт, з фіксованою високою частотою дискретизації смуги пропускання повного осцилографа. Запустіть осцилограф із нескінченною функцією вибірки та подивіться, наскільки щільною є результуюча форма хвилі. Чим товстіша форма хвилі, тим більше шуму виробляє осцилограф усередині. Ви можете увімкнути «AC RMS (повноекранне стандартне відхилення)», щоб побачити рівень шуму при кожному налаштуванні В/справ.

Осцилограф серії InfiniiVision HD3 має абсолютно новий вхідний каскад з неймовірно низьким рівнем шуму (< 50 мкВср.кв. при 2 мВ/діл, 50 Ом).

Рисунок 4. Ми провели вимірювання шуму змінного струму RMS при 1 мВ/діл та 50 Ом шляху на кожному осцилографі. Базовий рівень шуму осцилографа буде накладатися на кожен сигнал, що вимірюється вами, тому врахуйте це при порівнянні осцилографів конкурентів. Вхідні канали серії HD3 мають найнижчий рівень шуму в галузі, що зводить до мінімуму вплив на ваші сигнали та вимірювання.

Кожен канал осцилографа матиме унікальні шумові якості при кожному вертикальному налаштуванні. Ви можете оцінити шум, спостерігаючи за товщиною форми хвилі, або ви можете використовувати більш аналітичний підхід, вимірюючи V rms AC, щоб кількісно визначити його. Ці вимірювання показують кількість шуму на кожному каналі осцилографа при різних вертикальних налаштуваннях, що дозволяє виміряти сигнали, які нижче рівня шуму вашого осцилографа. Усі отримані вертикальні значення можуть відхилятися до значення шуму осцилографа. Шум впливає на горизонтальні та вертикальні виміри.

Чим нижчий шум вашого осцилографа, тим кращими будуть результати вимірювань.

Частотні характеристики

Кожна модель осцилографа має унікальну частотну характеристику, яка вимірює здатність осцилографа точно отримувати сигнали до номінальної смуги пропускання. Для точного отримання сигналів осцилографи повинні відповідати трьом ключовим вимогам:

•       Осцилограф повинен мати плоску частотну характеристику.

•       Осцилограф повинен мати плоску фазову характеристику.

•       Захоплені сигнали повинні перебувати в межах смуги пропускання осцилографа.

Відхилення від вимог осцилографа призводить до помилок у вимірі та відображенні сигналу. Швидкі фронти містять безліч гармонік, і осцилограф повинен точно виміряти кожну з них. Ідеальний осцилограф має плоску амплітудну та фазову характеристики до своєї смуги пропускання, щоб уникнути спотворень сигналів. Нерівномірна частотна характеристика викликає спотворення. Загальна характеристика залежить від осцилографа і зондів, пробників або кабелів, що використовуються. Щоб уникнути обмежень смуги пропускання, переконайтеся, що аксесуари відповідають вимогам точності вимірювань.

Фільтри корекції

Деякі осцилографи використовують аналогові фільтри для налаштування частотної характеристики, інші застосовують коригуючі фільтри в реальному часі за допомогою DSP. Комбінація аналогових та коригувальних фільтрів забезпечує більш плоску амплітудну та фазову характеристики.

Високоякісні осцилографи, такі як HD3, використовують обидва типи фільтрів для рівномірної частотної характеристики. Фільтри типу Brick-wall швидко придушують позасмуговий шум, мінімізуючи спотворення, але можуть спричинити невелике перерегулювання. Гауссівські фільтри зменшують дзвін, але додають шум.

Висновки

При оцінці нового осцилографа дуже важливо переконатися, що ви отримуєте найкраще уявлення про тестовані сигнали в широкому діапазоні частот. Переконайтеся, що ви вибрали осцилограф, який перевершує всі області точності сигналу: висока роздільна здатність, низький рівень шуму, рівна частотна характеристика та високий ENOB.

Якщо вас непокоїть точність, не шукайте нічого, крім HD3.