reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© rob hill dreamstime.com Technologie | 23 lutego 2016

Oscyloskopowe pomiary wysokiej rozdzielczości do 16bit (Część II)

Wprowadzenie oscyloskopów wysokiej rozdzielczości stanowi odpowiedź na rosnące potrzeby bardziej zaawansowanej analizy sygnałów w takich zastosowaniach, jak lotnictwo i astronautyka, motoryzacja, medycyna i analiza zużycia mocy - prezentujemy II część artykułu, zawierającą opis przykładowych pomiarów w trybie HD .
4. Przykładowe pomiary w trybie HD

4.1. Wizualizacja zwiększenia rozdzielczości pionowej

Oscyloskopy RTO i RTE mogą w łatwy sposób pokazać zwiększenie rozdzielczości pionowej (precyzji) w trybie HD. Rysunek 4-1 pokazuje przykładowy przebieg sygnału kalibrującego sondę o częstotliwości 1 kHz oraz jego powiększenie na ekranie oscyloskopu RTO z pasmem 4 GHz.

Ustawiając wyświetlanie przebiegu na linię kropkowaną i włączając interpolację (sample&hold ) można zaobserwować poziomy kwantyzacji 8-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego. Poziomy kwantyzacji zostały zmierzone za pomocą poziomych kursorów – w tym przypadku różnica wynosi 7,3 mV. Jest to zgodne z oczekiwaną wartością: 190 mV/div * 10 div /28.


Obrazek 4-1. Poziomy kwantyzacji w normalnym trybie pracy

Jest to domyślny tryb akwizycji w przyrządach RTO/RTE. Następnie został włączony tryb HD. W menu Mode pozycja Mode została zmieniona z „Normal” na „High definition”, a pasmo filtru ustawiono na 1 GHz. Na obrazku 4-2 widać wyraźną różnicę. Pomiędzy liniami kursorów pojawiły się 4 dodatkowe poziomy kwantyzacji. Odpowiada to zmianie rozdzielczości poziomej z 8 bitów na 10 bitów w trybie wysokiej rozdzielczości. Pasmo filtru jest równe 1 GHz.

Oscyloskopy RTO oraz RTE informują o aktywnym trybie HD na pasku sygnału. RTO informuje o ustawionym paśmie za pomocą ikony. Obie informacje są oznaczone czerwoną obwódką na obrazku 4-2.


Obrazek 4-2. Poziomy kwantyzacji w trybie HD

4.2. Detekcja małych sygnałów

W poprzedniej części został pokazany zysk w postaci zwiększonej rozdzielczości poziomej. Bardziej zbliżonym do rzeczywistości scenariuszem jest analiza silnego sygnału z małymi zaburzeniami. W takiej sytuacji wysoka rozdzielczość staje się bardzo pomocna, ponieważ zmniejszenie skali poziomej nie pozwoli przeanalizować zaburzeń. Sygnał wysokiej wartości przekroczy zakres pracy oscyloskopu i spowoduje przesterowanie – co uniemożliwia pomiar.

Obrazek 4-3 przedstawia sygnał sinusoidalny o amplitudzie 1 V i częstotliwości 5 kHz w maksymalnym powiększeniu. Na zrzucie ekranu widać, że sygnał zawiera wysoki poziom szumów, a zaburzenia są ledwo widoczne. Za pomocą kursorów można zmierzyć poziomy kwantyzacji co najwyżej 5,1 mV.

W takiej sytuacji tryb HD pozwala użytkownikowi zaobserwować więcej szczegółów sygnału (obrazek 4-4). Tryb jest włączany za pomocą menu wyboru trybu. Pasmo jest zawężane krok po kroku, dzięki czemu widać poprawę jakości wykresu. Przy paśmie 30 MHz powiększony fragment wykresu wyraźnie pokazuje zaburzenia sygnału.

Co więcej, tryb HD pozwala nie tylko wykryć słabe sinusoidalne zaburzenie, ale też je przeanalizować. Za pomocą kursorów możliwy jest pomiar częstotliwości zaburzenia 1,02 MHz i amplitudy 4,9 mV. Obie wartości dobrze pasują do parametrów, z którymi został wygenerowany ten złożony sygnał. Ten poziom amplitudy jest niższy, niż nominalna rozdzielczość przetwornika ADC – wartość najmłodszego bitu to 5,08 mV (130 mV/div * 10 div/28).


Obrazek 4-3. Analiza sygnału z rozdzielczością poziomą 8 bitów


Obrazek 4-4. Analiza sygnału w trybie HD

4.3. Poprawa czułości układu wyzwalania

W części 3.3 został omówiony wzrost czułości układu wyzwalania w trybie HD. W tej części został przedstawiony przykład, który demonstruje tą unikalną cechę trybu HD dostępnego w przyrządach RTO oraz RTE.

Obrazek 4-5 przedstawia sygnał zegarowy o częstotliwości 250 kHz i amplitudzie 500 mV, którego czas narastania jest względnie długi i wynosi 500 ns. Duży wykres pośrodku obrazka to powiększenie przebiegu widocznego w górnej części w pobliżu punktu wyzwolenia. Powiększony obszar ma bardzo mały zakres pionowy, przez co szumy nie mieszczą się w całości w obszarze okna.


Obrazek 4-5. Analiza sygnału zegarowego 250 kHz

Tryb HD pozwala wyświetlić więcej szczegółów sygnału. Bez zmiany ustawień okna uruchomiony został tryb HD w menu wyboru trybu. Zaburzenie w górnej części stanu wysokiego sygnału zegara staje się wyraźnie widoczne wraz z zawężaniem pasma.

Rysunek 4-6 pokazuje działanie trybu HD oraz szerokości pasma 30 MHz na sygnał. Choć przebieg widoczny w górnej części pozostał bez zmian w stosunku do poprzedniego ekranu, powiększony obraz pokazuje zaburzenie o wartości 2 mV nad poziomem stanu wysokiego, zmierzone kursorami.

Okazuje się, że zaburzenie występuje tylko czasami, ponieważ w powiększeniu widać stabilne nakładanie się bitów niezależnie od tego zaburzenia. Do tego momentu oscyloskopy wysokiej rozdzielczości mogą pokazywać zbliżone rezultaty.

Jednak aby zrozumieć zachowanie tego zaburzenia w czasie trzeba określić czas jego wystąpienia i ustawić wyzwalanie na ten detal sygnału. Nie jest to łatwe, ponieważ wymagana jest bardzo dużą czułość. Czułość jest równa różnicy między maksymalnym poziomem sygnału bez zaburzenia a minimalną wysokością zaburzenia. Zmierzona wartość 2,0 mV jest mniejsza, niż wartość najmłodszego bitu 8-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego równa 2,5 mV. (65 mV/div * 10 div/28).


Obrazek 4-6. Analiza sygnału zegarowego 250 kHz w trybie HD

Cyfrowy układ wyzwalania przyrządów RTO i RTE wykorzystuje zwiększoną rozdzielczość trybu HD w przeciwieństwie do konwencjonalnych oscyloskopów wysokiej rozdzielczości. Na przykładzie sygnału zegarowego widać, jak cyfrowy układ wyzwalania RTO/RTE potrafi wyizolować zaburzenie na tle zwykłych bitów i przedstawić przebieg bez udziału tych bitów.
Aby wyświetlić wyłącznie zaburzenie, poziom wyzwalania ustawiony wcześniej na wartość średnią sygnału (284 mV) został podwyższony do 492 mV, w samym środku zaburzenia między widocznymi kursorami (czerwona przerywana linia na obrazku 4-7). Co więcej, histereza układu wyzwalania została zmniejszona do zera, aby wyzwalanie miało miejsce dokładnie na zaburzeniu. Obie funkcje - arbitralna konfiguracja histerezy układu wyzwalania i czułość poniżej najmłodszego bitu przetwornika ADC – są dostępne tylko dzięki cyfrowemu układowi wyzwalania i stanowią unikalna cechę przyrządów RTO oraz RTE.

Obrazek 4-7 przedstawia wynik. Dzięki zwiększonej czułości przyrządy RTO i RTE są stabilnie wyzwalane na małym zaburzeniu, ale już nie na przestrzale w chwili czasowej -85 ns. Taka sytuacja spowodowałaby niestabilność przebiegu na górnym wykresie. Oscyloskop nie pomija również przebiegów, ponieważ częstość odświeżania przebiegów jest taka sama, jak dla poprzedniego ustawienia poziomu wyzwalania na wartości 248 mV.

Za pomocą trybu historii lub drugiego okna z powiększeniem (obrazek 4-8) użytkownicy mogą zaobserwować zniekształcenie powtarzające się na co 17. impulsie. Okres powtórzeń został na obrazku 4-8 oznaczony czerwoną strzałką. Możliwa jest dalsza analiza w celu określenia związku tego zachowania z innymi układami w obwodzie.


Obrazek 4-7. Analiza sygnału z wyzwalaniem ustawionym na detalu przebiegu


Obrazek 4-8. Analiza sygnału pokazuje powtarzające się zaburzenie

5. Podsumowanie

Rozszerzenie wysokiej rozdzielczości K17 dla przyrządów RTO i RTE jest skutecznym narzędziem, które zwiększa rozdzielczość pionową oscyloskopu do 16 bitów. Dzięki temu rozszerzeniu użytkownicy będą modli analizować zasilacze impulsowe, sygnały radiowe z modulacją amplitudy lub jitter. Analiza jitteru wymaga oscyloskopu o wysokiej szybkości i średniej rozdzielczości, a pozostałe wymienione – średniej szybkości i wysokiej rozdzielczości. Teraz wszystkie te zastosowania może obsłużyć jeden oscyloskop.

Zysk rozdzielczości uzyskany metodami cyfrowego przetwarzania sygnałów wymaga wysokiej jakości analogowych układów wejściowych oraz przetwornika analogowo-cyfrowego, którego efektywna liczba bitów (ENOB) jest bliska jego nominalnej rozdzielczości. Przyrządy RTO oraz RTE spełniają te wymagania. Jest to ważne, ponieważ wzrost rozdzielczości ma wpływ na wartość ENOB, a nie na nominalną rozdzielczość przetwornika.

Tryb HD przynosi więcej korzyści, niż tylko wzrost rozdzielczości pionowej. Dzięki cyfrowemu układowi wyzwalania przyrządy RTO i RTE mogą wykorzystać zwiększoną rozdzielczość do stabilnego wyzwalania na małych detalach sygnału, w przeciwieństwie do oscyloskopów z tradycyjną architekturą. Ponadto to rozszerzenie zachowuje wysoką częstotliwość próbkowania, nie powoduje aliasingu i pozwala na dalszą decymację w celu oszczędnego gospodarowania pamięcią akwizycji. Tym samym umożliwia uzyskanie długiego czasu akwizycji.

Przyrządy RTO oraz RTE w połączeniu z rozszerzeniem K17 High Definition może być lepszym rozwiązaniem dla użytkownika, niż konwencjonalne oscyloskopy wysokiej rozdzielczości. Jest to wszechstronny przyrząd przydatny w wielu zastosowaniach.

© Rohde&Schwarz

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości Rohde&Schwarz, Autor : Łukasz Gierłowski
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
November 29 2016 16:13 V7.6.2-1