ОСЦИЛОГРАФИ. ВЕРТИКАЛЬНИЙ ДОЗВІЛ. ЩО ЦЕ? ЧАСТИНА 5

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

Висока роздільна здатність та висока частота дискретизації є бажаними. Те, що ми дійсно хочемо, – це високий ефективний дозвіл на основі попереднього обговорення ENOB. Висока частота дискретизації є абсолютною вимогою, заснованою на смузі пропускання, але абсолютна вимога насправді відноситься до апаратної частоти дискретизації. Апаратна частота дискретизації має задовольняти обмеження частоти Найквіста. Після того, як межа частоти Найквіста буде задоволена, можна використовувати методи інтерполяції для забезпечення 10-кратної надлишкової дискретизації, бажаної користувачем. Користувачі хочуть форми сигналів із 10-кратною передискретизацією, тому що можна показати, що в цій ситуації лінії можуть бути проведені між вибірками та фактичними точками вибірки. Мало того, що лінії, проведені між точками (тобто лінійна інтерполяція), є дуже хорошим наближенням базової аналогової форми сигналу, коли частота дискретизації принаймні в десять разів перевищує смугу пропускання, інтерполює око лінійно при перегляді форми сигналу. Тому стратегія розгортання АЦП може полягати в розгортанні АЦП таким чином, щоб достатньо дискретизувати сигнал, відповідний критеріям Найквіста, інтерполяції для досягнення вимоги 10-кратної передискретизації та розгортання АЦП, що залишилися, таким чином, щоб поліпшити ENOB. Розгортання АЦП тільки в традиційній схемі з тимчасовим чергуванням для максимізації частоти вибірки можна вважати марнотратною марнотратністю, коли ефективне дозвіл можна поліпшити. При цьому найкращі режими роботи АЦП залежатимуть від параметрів каналу.

Приклад цього визначення показаний рисунку 11 для аналогової смуги пропускання 4 ГГц. Оскільки вимога Найквіста полягає у частоті дискретизації 2 • 4 ГГц = 8 Гвиб/с, ми, ймовірно, можемо здійснювати дискретизацію з частотою 10 Гвиб/с (7).

(7) Ми говоримо «ймовірно», тому що смуга пропускання каналу дорівнює точці -3 дБ, а не межі вмісту сигналу. Але більшість відповідей осцилографа мають тенденцію швидко падати після досягнення смуги пропускання. Хоча смуга пропускання є добрим індикатором можливого вмісту частоти, вона не є межею, і межа має бути підтверджена вимірами.

Рисунок 11 - Концептуальна схема 10 Гбіт/с, десяти бітний час та вертикальне чергування. Фаза вибірки (5 ГГ/с тактової частоти вибірки) Розгорнуто 5 Гвиб/с, 8-бітовий АЦП

Таким чином, маючи вісім АЦП, ми можемо розгорнути їх у суміші тимчасових та вертикальних чергувань, як показано. Тут групи з чотирьох АЦП одночасно знімають сигнал з однієї групи у фазі нуль, а з іншою групою на половину періоду вибірки пізніше. У кожній групі з чотирьох кожен АЦП зміщений на кратне однієї чверті коду, створюючи чотири рівні між кожним восьмибітним кодом для роздільної здатності десять біт. Таким чином, АЦП розгортаються для створення сигналу 10 Гвиб/з роздільною здатністю десять біт. Оскільки потрібно 10 передискретизації, три точки інтерполуються між кожною з точок вибірки, отриманих обладнанням, створюючи бажаний сигнал 40 Гвиб/с десять біт. Враховуючи, що на рисунку 11, у нас є у фазах 0 і 1/2 чотири АЦП 0, 1, 2 і 3, що утворюють групу, що вертикально чергується. Код, що відповідає даному АЦП і даному напрузі, слідує за формулою:

voltage = voltsPerCode · code + offset [adc]

і, отже, код, що видається даними АЦП при заданій напрузі та зміщенні, дорівнює:

де тут vilv - число вертикально чергуються АЦП і АЦП 0 . . . vilv 1 – це номер АЦП.

Тут vilv = 4.

Рисунок 12 - Передавальні характеристики для чотиристороннього вертикального чергування

Припустимо для простоти, що voltsPerCode = 1 (тобто ми можемо говорити про напруги, що застосовуються в термінах восьмибітних кодів). Для АЦП 0 зі зміщенням нуль це означає, що він виведе код нуль для будь-якої напруги, більшої або рівної нулю і менше одиниці. Будь-яка напруга дорівнює або більше одиниці, і він виведе одиницю і так далі. АЦП 1 через застосоване зміщення коду на одну чверть виводить нуль для будь-якої напруги, меншої трьох чвертей і більшої негативної чверті. АЦП 2 має застосоване зміщення коду на половину, а АЦП 3 має зміщення коду на три чверті. Через ці конкретні зміщення ми виявляємо, що з напруг між нулем і однією чвертю все АЦП виводять нуль. Для напруг між однією чвертю і половиною всі АЦП виводять нуль, крім АЦП 3, який виводить одиницю. Для напруги від половини до трьох чвертей АЦП 0 і 1 виводять нуль, а два інших виводять одиницю. Нарешті, для напруги від трьох чвертей до одиниці тільки АЦП 0 досі виводить нуль, тоді як решта АЦП виводять одиницю.

Таким чином, якщо ми просто підсумовуємо коди, що надходять від кожного АЦП, ми отримуємо десятибітний код. Для одного АЦП 0 ми отримали нульовий код для всіх дробових напруг від нуля до одного коду, але тепер після підсумовування АЦП ми отримуємо чотири коди 0, 1, 2 і 3 для дробових напруг і, отже, маємо десятибітний квантувач. Передавальні характеристики кожного АЦП в обговоренні показані на малюнку 12, де бачимо, що восьмибітні кроки лінійної зміни тепер стають десяти бітними кроками.

Параметри розгортання АЦП великі та настроювані. Вони варіюються від восьми 8-бітових АЦП з вертикальним чергуванням для забезпечення 11-бітного, 5 Гвиб/с захоплення, до восьми АЦП з тимчасовим чергуванням для забезпечення 8-бітного, 40 Гвиб/с захоплення. Тимчасове та вертикальне чергування можна навіть комбінувати, як показано на малюнку 13 [5].

Рисунок 13 - Концептуальний гібридний час 10 Гвиб/с та вертикальне чергування. Фаза вибірки (5 ГГ/с частоти тактової вибірки)

Крім того, якщо об'єднати два чіпи АЦП на двох каналах, як це можливо в багатьох осцилографах, можна досягти від 80 Гвиб/с восьмибітних захватів до 5 Гвиб/с дванадцятибітових захватів.

Як останнє і важливе зауваження ми обговорили тут компроміси між частотою дискретизації і вертикальним дозволом, але, як побачили, дозвіл може бути основним обмеженням шуму. Іноді тимчасовий поділ у поєднанні з фільтрацією або усередненням значень АЦП при одночасній вибірці забезпечує найбільше зниження шуму і, отже, найвищу ENOB.

Рисунок 14 - ENOB та дозвіл для різних смуг пропускання. Смуга пропускання осцилографа (ГГц). 8 біт роздільна здатність

Висновки

Останнім часом ENOB та дозвіл осцилографа стали дуже важливими темами. Діаграма на рисунку 14 представляє порівняння осцилографів на ринку від багатьох виробників з восьми-, десяти-і дванадцятибітним дозволом разом з наданим ENOB. Для кожного з цих дозволів було проведено лінію тренду, яка слідує за очікуваним поліпшенням на півбіта для кожного скорочення смуги пропускання вдвічі, як обговорювалося раніше. Для ясності ці тенденції не були підігнані до даних, а натомість проведені відповідно до очікувань. Один висновок, який ви повинні зробити, полягає в тому, що для будь-якої роздільної здатності осцилографа ENOB зменшується в основному, як і очікувалося, відповідно до смуги пропускання. Інший важливий висновок полягає в тому, що, хоча осцилографи з більш високою роздільною здатністю, як правило, дають більш високий ENOB, ENOB наближається, але не досягає роздільної здатності осцилографа. Крім того, можна помітити, що в міру поліпшення роздільної здатності основним обмеженням ENOB, мабуть, є інші джерела шуму канал осцилографа.

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