ЯК ВИЗНАЧИТИ ЦІЛІСНІСТЬ СИГНАЛУ, ЩО ВІДТВОРЮЄТЬСЯ ОСЦИЛОГРАФОМ

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

Вступ

Цілісність сигналу продовжує залишатися актуальною у світі електроніки. Сучасні розробки мають межі, що скорочуються, і збільшуються швидкості передачі даних, що означає, що вимірювання повинні бути точнішими, ніж будь-коли. Кожен постачальник осцилографів має свого роду пітч навколо цілісності сигналу, а саме: найбільша кількість біт АЦП, найнижчий рівень шуму, найвища частота дискретизації, і цей список можна продовжувати. Хоча всі ці характеристики важливі, вкрай важливо розуміти всю систему вимірювання і не ґрунтувати своє рішення лише на одній із цих характеристик.

Вивчення того, що кожна з цих характеристик дійсно означає для вашої розробки, заощадить вам багато часу і нервів під час тестування. Ви точно знатимете, що вам потрібно шукати, щоб визначити справжню цілісність сигналу.

Поради та рекомендації, викладені в цій книзі, є справедливими для будь-якого осцилографа, який ви використовуєте, від будь-якого постачальника. Продовжуйте працювати та протестуйте нижче викладену інформацію на осцилографі, який у вас вже є, або, що ще краще, проведіть демонстрацію кількох осцилографів та порівняйте їх самостійно.

Осцилографи Keysight Infiniium серії MXR дозволяють швидко визначати ситуацію: від симптому до вирішення проблеми завдяки безпрецедентній водночасній роботі по 8 каналах.

Зміст

Як визначити цілісність сигналу осцилографа?

(ENOB - Ефективне число біт, що є мірою динамічної продуктивності осцилографа)

1.    Підказка 1
Розуміння того, що таке біти АЦП та ENOB

2.    Підказка 2

ENOB АЦП Vs Системний ENOB

3.    Підказка 3

Більше пропускної спроможності - НЕ означає краще

4.    Підказка 4

Не вся пропускна спроможність однакова

5.    Підказка 5

Рівень шуму при різних зсувах

6.    Підказка 6

Розуміння частоти дискретизації та спотворень чергування

7.    Висновки

Повернемося до витоків

Підказка 1
Розуміння того, що таке біти АЦП та ENOB

Кількість біт АЦП — одна з специфікацій осцилографів, що найбільш обговорюються, але вона не завжди визначає якість вимірювань. Важливим є також системний ENOB (ефективна кількість біт), який враховує реальні умови роботи пристрою, включаючи шуми та системні помилки. В осцилографах частина біт АЦП може бути марною і працювати тільки в шумі, тому саме ENOB показує, скільки біт дійсно ефективні у вимірах.

Високий ENOB досягається не тільки за рахунок якісного АЦП, але й завдяки точному настроюванню всієї системи осцилографа, включаючи передню частину та допоміжні схеми. Можна впевнено стверджувати, що ENOB є найкращим показником цілісності сигналу, оскільки він враховує системну помилку приладу. Тому саме ENOB, а не біт АЦП, визначає якість вимірювань, які ви можете виконати на цьому осцилографі.

Рисунок 1. Розрядність осцилографів Keysight Infiniium MXR серії B досягає 9 біт, що гарантує досягнення найвищої цілісності сигналу.

Підказка 2
ENOB АЦП Vs Системний ENOB

Якщо ви знаєте тільки основи ENOB та просто шукаєте його в технічному описі, важливо розуміти різницю між системним ENOB та ENOB АЦП. ENOB АЦП відображає тільки ефективність біт всередині АЦП, але осцилограф це ціла система, і якість вимірювань залежить від усіх його компонентів. Системний ENOB показує, скільки біт реально використовуються для відображення сигналу, вимірювань та аналізу на осцилографі. Якщо ця специфікація не вказана в документації, обов'язково запитайте її, оскільки вона визначає ефективність вимірювань.

Системний ENOB може "зробити" або "зламати" ваші тести. Якщо ваш системний ENOB є недостатньо високим, ви ніколи не отримаєте ясності, необхідної для досягнення якісного дизайну.

Підказка 3
Більше пропускної спроможності - НЕ означає краще

Існує таке поняття, як надто велика смуга пропускання. Занадто велика смуга пропускання осцилографа може погіршити вимірювання, уловлюючи високочастотний шум. Використовуйте мінімальну достатню смугу пропускання та за необхідності обмежуйте її вбудованими фільтрами.

ENOB системи залежить від рівня шуму: що більше шуму, то нижче ENOB.

Як приклад, рисунку 2 показано, як виглядає сигнал 20 МГц, захоплений у двох різних смугах пропускання. За відповідної смуги пропускання 100 МГц (внизу) виходить чистий сигнал. У той час як захоплення смуги пропускання 6 ГГц (вгорі) дає більше шуму, що призводить до більш товстого сигналу та невірних пікових вимірів.

Підказка 4
Не вся пропускна спроможність однакова

Частотна характеристика осцилографа показує вам правду, а саме: не всі смуги пропускання однакові.

При збільшенні смуги пропускання осцилографа Keysight частотна характеристика залишається рівною. Це тому, що він використовує апаратні фільтри корекції, що означає, що ваш сигнал ледве послаблюється. Те, що знаходиться на екрані, відповідає тому, що виходить із пристрою. Це гарантує отримання точних вимірювань по всьому спектру смуги пропускання осцилографа.

З іншого боку, деякі постачальники не використовують корекційні фільтри. Це означає, що прилад може трохи посилити високочастотні компоненти. Посилення відбувається через те, що ваш високочастотний сигнал послаблюється, щоб потрапити в діапазон смуги пропускання, що вимірюється. Зрештою це впливає на сигнал, що ви бачите на екрані, і спотворює будь-які пікові вимірювання.

Це збиває з пантелику всі ваші результати і може призвести до плутанини, оскільки ви не можете зрозуміти, що не так з конструкцією, хоча насправді проблема була просто в поганій цілісності сигналу осцилографа.

Попросіть свого постачальника надати вам графік частотної характеристики для конкретної моделі смуги пропускання, що вас цікавить. Вони рідко наводяться в технічних характеристиках, але це цілком доступна і має бути надана по запросу.

Підказка 5
Рівень шуму при різних зсувах

Це збиває з пантелику багатьох інженерів: чи знаєте ви, що рівень шуму осцилографа змінюється в залежності від того, в якій частині екрана знаходиться сигнал?

Коли сигнал знаходиться прямо в центрі екрана, він, швидше за все, випробуватиме ідеальний, найнижчий рівень шуму. Однак, залежно від якості АЦП у вашому приладі, ви можете перевірити різні рівні шуму при різних вертикальних зміщеннях на екрані. Це з кількістю рівнів квантування, які необхідні відображення у своїй зміщенні.

Це відбувається з кожним осцилографом, і різниця насправді полягає в тому, наскільки це впливає на ваш сигнал та вимірювання. Зміна шуму дуже мало на Infiniium MXR B-Series, як ви можете бачити на рисунках 3 і 4, але є деякі прилади від інших постачальників, де ця проблема виключно серйозна.

Важливо проаналізувати рівень шуму осцилографа у різних точках екрана, щоб переконатися, що він впливає сигнал.

Підказка 6
Розуміння частоти дискретизації та спотворень чергування

Зазвичай, що вища частота дискретизації, то більше вписувалося деталей сигналу ви бачите. Однак це залежить від того, як саме осцилограф досягає цієї високої частоти дискретизації.

Деякі осцилографи можуть досягати неймовірно високих частот дискретизації. Для цього два або більше АЦП повинні бути чергувані, тобто синхронізовані із затримками фази тактового сигналу за схемою один спрацьовує, потім інший. Це фактично подвоює максимальну частоту дискретизації.

Але є одна проблема. При використанні цієї техніки синхронізація між АЦП має бути надзвичайно точною. На жаль, для багатьох користувачів осцилографів, це не завжди робиться правильно. Якщо тактові генератори фази затримки не вирівняні належним чином, вибірки збираються з нерівними інтервалами. Це призводить до спотворення форми сигналу після його реконструкції та відображення на екрані, наприклад, як на рисунку 5.

Рисунок 5. Якщо АЦП погано чергуються, у сигналі виникнуть спотворення.

На щастя, спотворення форми сигналу не станеться з Keysight Infiniium MXR B-Series, оскільки АЦП правильно синхронізовані, але правильна синхронізація важлива в оцінці осцилографів. Деякі висококласні осцилографи, такі як Keysight Infiniium UXR-Series можуть досягати до 128 Гвиб/с без чергування АЦП, що дозволяє проводити найбільш точні вимірювання.

Висновки

Важливо залишатися освіченим. Розуміння того, що дійсно важливо, коли йдеться про цілісність сигналу, дозволяє уникати проблем, які виникають, коли ви вірите поширеним помилкам про цілісність сигналу. Вкрай важливо знати, як функціонує вся вимірювальна система. Якщо ви знаєте, що шукати, ви можете легко знайти правду про кожного осцилографа та його продуктивність.

Ключові уроки

Пам'ятайте ці ключові уроки, продовжуючи проводити вимірювання або знаходячись у пошуках ідеального осцилографа:

1. Завжди запитуйте інформацію про системне ENOB, щоб визначити загальну якість вимірювань
2. Не забувайте шукати системний ENOB, а не лише ADC ENOB
3. Зменшіть шум, використовуючи тільки смугу пропускання, яка вам справді потрібна, і нічого більше
4. Попросіть графіки частотної характеристики, щоб переконатися, що відгук осцилографа залишається рівним у всьому діапазоні смуги пропускання
5. Перевірте рівень шуму при всіх різних зміщеннях на екрані осцилографа, щоб переконатися, що він не суттєво впливає на ваші вимірювання
6. Будьте обережні з надзвичайно високими частотами дискретизації і АЦП, що неправильно чергуються

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