Jak dobry jest twój oscyloskop?

Projektujesz elektronikę? Zarezerwuj 4 października 2018 roku na największą w Polsce konferencję dedykowaną projektantom, Evertiq Expo Kraków 2018. Przeszło 60 producentów i dystrybutorów komponentów do Twojej dyspozycji, ciekawe wykłady i świetna, twórcza atmosfera. Jesteś zaproszony, wstęp wolny: kliknij po szczegóły. © Evertiq

Integralność sygnału jest podstawową miarą jego jakości. Znaczenie tego parametru rośnie wraz z większą szybkością sygnału, pasmem oscyloskopu, koniecznością obrazowania słabych sygnałów oraz koniecznością obrazowania małych zmian występujących w dużych sygnałach. Integralność sygnału wpływa na wszystkie pomiary oscyloskopu. Oscyloskopy o dobrej integralności sygnału zapewniają lepsze odwzorowanie sygnałów wejściowych, a te o słabej integralności sygnału - gorsze. Wybór oscyloskopu o dobrej integralności sygnału jest kluczowy, gdyż w przeciwnym wypadku rośnie ryzyko wydłużenia cyklu projektowego, pogorszenia jakości produkcji i doboru niewłaściwych komponentów. Oceniając integralność sygnału należy przeanalizować rozdzielczość przetwornika A/C, skalowanie pionowe, szum, odpowiedź częstotliwościową i fazową, efektywną liczbę bitów (ENOB) i wprowadzany jitter.

Rozdzielczość przetwornika A/C

Rozdzielczość odpowiada najmniejszemu poziomowi kwantyzacji przetwornika A/C w oscyloskopie. Im większa liczba bitów przetwornika, tym większa jest rozdzielczość oscyloskopu. Dla przykładu, 8-bitowy przetwornik A/C może zakodować napięcie wejściowego na jednym z 256 dostępnych poziomów (ponieważ 28 = 256), a przetwornik 10-bitowy zapewnia 4-krotnie większą rozdzielczość, kodując napięcie na 1024 (210) poziomach. Rys. 1. Rozdzielczość jest ważnym atrybutem integralności sygnału. Większa liczba bitów przetwornika i lepsze skalowanie pionowe pozwalają zwiększyć rozdzielczość.

Skalowanie pionowe

Właściwe skalowanie pionowe również pozwala zwiększyć rozdzielczość oscyloskopu. Na rysunku 1 pokazano ekran o zakresie pionowym 800 mV (8 działek * 100 mV/działkę). Oscyloskop z 8-bitowym przetwornikiem A/C zapewnia rozdzielczość równą 3,125 mV (800 mV/256 poziomów), natomiast dla przetwornika 10-bitowego jest to 0,781 mV. Każdy oscyloskop może obrazować sygnały o wartości równej co najmniej jego poziomowi kwantyzacji. Aby uzyskać najwyższą rozdzielczość, należy użyć najbardziej czułej nastawy skalowania, pozwalającej zobrazować pełen przebieg na ekranie. Takie zobrazowanie przebiegu, aby zajmował całą dostępną wysokość ekranu pozwala w pełni wykorzystać parametry przetwornika A/C oscyloskopu. Jeśli sygnał zostanie zobrazowany tak, że zajmuje połowę lub mniej wysokości ekranu, nastąpi utrata co najmniej 1 bitu rozdzielczości przetwornika. Przetwornik A/C, architektura głowicy wejściowej oscyloskopu i sonda pomiarowa są elementami decydującymi o granicznej wartości powiększenia pionowego realizowanej sprzętowo. Żaden z oscyloskopów nie pozwoli na ustawienie skalowania pionowego poniżej pewnej wartości granicznej. Producenci często określają tą wartość jako punkt, w którym oscyloskop przechodzi do trybu powiększenia programowego. Przekroczenie tej wartości granicznej pozwoli powiększyć obraz przebiegu, ale nie zapewni większej rozdzielczości. Na rysunku 2 widoczny jest przykład dwóch oscyloskopów obrazujących przebieg wejściowy w taki sposób, że przy skali pionowej ekranu wynoszącej 16 mV, zajmuje on prawie całą wysokość ekranu. Tradycyjny oscyloskop 8-bitowy przechodzi do trybu powiększania programowego przy 7 mV/działkę, czemu odpowiada rozdzielczość 218 μV (7 mV/działkę * 8 działek/256 poziomów kwantyzacji). Oscyloskop 10-bitowy, np. Keysight Infiniium S-Series pozostaje w trybie powiększania sprzętowego do wartości 2 mV/działkę, co daje rozdzielczość 16,6 µV (2 mV/działkę * 8 działek)/1024 poziomy kwantyzacji), 13-krotnie większą niż dla oscyloskopu 8-bitowego. Rys. 2. Maksymalne rozciągnięcie pionowe, które oscyloskop obsługuje sprzętowo pozwala obserwować drobne detale przebiegu

Szumy

Szumy mają wpływ na pomiary parametrów toru pionowego i poziomego. Im mniejsze szumy, tym lepsza integralność sygnału. Jeśli poziom szumu jest większy od poziomu kwantyzacji przetwornika A/C, nie będzie możliwe pełne wykorzystanie jego rozdzielczości. Posiadanie oscyloskopu niskoszumowego (o szerokim zakresie dynamicznym) jest niezbędne do obserwacji małych prądów i napięć, czy też małych sygnałów występujących na tle dużych. Szumy pochodzą z wielu źródeł, w tym z głowicy analogowej oscyloskopu, jego przetwornika A/C oraz z sondy i kabli sygnałowych. Sam przetwornik A/C wykazuje pewien szum kwantyzacji, ale zazwyczaj odgrywa on mniejszą rolę niż szum występujący w głowicy analogowej. Większość producentów oscyloskopów mierzy wartość szumu i podaje ją na karcie katalogowej. Jeśli nie jest ona podana, można o nią zapytać lub określić ją we własnym zakresie. Pomiar ten jest łatwy do przeprowadzenia i zajmuje tylko kilka minut. Każdy z kanałów oscyloskopu charakteryzuje się różnymi wartościami szumu przy różnych ustawieniach toru pionowego. Rozłącz wszystkie wejścia oscyloskopu i ustaw je do pracy z impedancją 50 Ω (można też przeprowadzić ten test dla impedancji 1 MΩ). Włącz odpowiednią pojemność pamięci akwizycji danych, np. 1 Mpt i dużą szybkość próbkowania pozwalającą wykorzystać pełne pasmo oscyloskopu. Możesz obserwować szum, reprezentowany przez grubość przebiegu na ekranie lub zmierzyć go w trybie Vrms AC. Metody te pozwalają określić, jaki szum występuje w każdym kanale oscyloskopu przy poszczególnych ustawieniach toru pionowego.

Odpowiedź częstotliwościowa

Jednolita i płaska charakterystyka częstotliwościowa oscyloskopu jest bardzo pożądana dla zapewnienia dobrej integralności sygnału. Każdy model charakteryzuje się unikalną odpowiedzią częstotliwościową, stanowiącą ilościową miarę zdolności oscyloskopu do precyzyjnego odwzorowania sygnału w zakresie jego częstotliwości pracy. Trzy najważniejsze wymogi zapewniające dokładne odwzorowanie sygnału to:

1. Płaska odpowiedź częstotliwościowa
2. Paska odpowiedź fazowa
3. Częstotliwość rejestrowanych sygnałów w zakresie szerokości pasma oscyloskopu

Płaska charakterystyka częstotliwościowa oznacza, że oscyloskop traktuje wszystkie częstotliwości w jednakowy sposób, a płaska odpowiedź fazowa, że sygnał jest opóźniany o dokładnie taki sam czas dla wszystkich częstotliwości. Niespełnienie jednego lub więcej z powyższych warunków spowoduje, że oscyloskop będzie niedokładnie odwzorowywał przebieg wejściowy. Niektóre oscyloskopy zawierają filtry korekcyjne, które są zwykle implementowane w sprzętowych blokach DSP i dostrojone do konkretnej rodziny oscyloskopów. Na rys. 3 pokazano, w jaki sposób filtry korekcyjne mogą poprawić integralność sygnału, zapewniając płaską odpowiedź częstotliwościową i fazową. Przebieg na ekranie oscyloskopu, zaprezentowany na prawym rysunku odpowiada dokładnie zawartości widmowej sygnału, a przebieg na lewym rysunku - nie. Rys. 3. Do wejść dwóch oscyloskopów o identycznym paśmie, szybkości próbkowania i innych parametrach podłączono identyczny sygnał. Z czego wynika różnica w przebiegach? Obraz po prawej stronie przedstawia przebieg z ekranu oscyloskopu wyposażonego w sprzętowe filtry korekcyjne DSP zapewniające płaską odpowiedź częstotliwościową i fazową. Obraz po lewej stronie pochodzi z ekranu oscyloskopu bez tej korekcji. Sumaryczna charakterystyka częstotliwościowa stanowi kombinację odpowiedzi częstotliwościowej oscyloskopu oraz odpowiedzi częstotliwościowej wszystkich sond i kabli. Jeśli użyty zostanie kabel BNC o paśmie 1,5 GHz do współpracy z oscyloskopem o paśmie 4 GHz, wypadkowe pasmo będzie ograniczone pasmem kabla BNC. Upewnij się, że sondy, akcesoria i kable nie są czynnikami ograniczającymi dokładność pomiaru.

Efektywna liczba bitów (ENOB)

ENOB jest miarą dynamiki oscyloskopu wyrażoną za pomocą serii krzywych bity-częstotliwość. Każda z nich jest tworzona dla specyficznego ustawienia toru pionowego przy zmienianej częstotliwości. Rejestrowane i oceniane są tu wyniki pomiaru napięcia. Generalnie im większy ENOB (wyrażony w bitach), tym lepiej. Niektórzy producenci mogą podawać wartość ENOB przetwornika A/C oscyloskopu, jednak nie ma on większego znaczenia. Ważny jest współczynnik ENOB całego systemu. Przetwornik A/C może charakteryzować się dużym współczynnikiem ENOB, ale słabej jakości głowica analogowa może wyraźnie pogorszyć ENOB dla całego systemu. Inżynierowie, którzy patrzą wyłącznie na ten parametr przy ocenie integralności sygnału, powinni być świadomi, że ENOB nie uwzględnia błędów offsetu ani błędów fazy, które może wprowadzać oscyloskop. Oscyloskop nie charakteryzuje wyłącznie jedna wartość ENOB, lecz różne wartości ENOB dla każdego ustawienia toru pionowego i każdej częstotliwości.

Wprowadzany jitter

Jitter opisuje odchylenie od idealnego położenia poziomego i jest mierzone w ps rms lub ps peak-to-peak. Źródłem jitteru jest termiczny i mechaniczny szum wynikający z wibracji oscylatora. Ścieżki, kable i złącza wprowadzają dodatkowy jitter do systemu poprzez interferencję międzysymbolową. Sam oscyloskop wykazuje jitter. Określenie “podłoga pomiarowa jitteru” odnosi się do takiej jego wartości, przy której oscyloskop raportuje, że sygnał wejściowy jest całkowicie pozbawiony jitteru. Wartość podłogi pomiarowej jitteru obejmuje nie tylko jitter zegara, lecz również źródła błędów toru pionowego, takie jak szum i harmoniczne. Te źródła błędów toru pionowego zaburzają pomiar czasu w torze poziomym, ponieważ zmieniają punkty przejścia sygnału przez poziom progowy. Nadmierny jitter może wywoływać zakłócenia synchronizacji, powodujące nieprawidłowe zachowanie systemu oraz pogorszenie współczynnika bitowej stopy błędów (BER) w systemach komunikacyjnych, wpływające na błędy transmisji. Pomiar jitteru jest niezbędny, aby zapewnić niezawodne działanie szybkich systemów. Rys. 4. Oscyloskopy Infiniium S-Series firmy Keysight zawierają nowy blok podstawy czasu, zapewniający imponującą dokładność zegara na poziomie 75 ppb. Wprowadzany jitter dla rekordów o małej długości nie przekracza 130 fs.

Podsumowanie

Choć każdy parametr jest ważny, największą dokładność zapewnią oscyloskopy o najlepszych atrybutach wymienionych w tabeli 1. Branie pod uwagę tylko jednego atrybutu integralności sygnału przy pominięciu innych może prowadzić do fałszywych wniosków o jakości używanego oscyloskopu, co z kolei może prowadzić do niepotrzebnego ryzyka przy wprowadzaniu produktów na rynek i ocenie ich jakości. Tabela 1. Siedem ważnych atrybutów do oceny integralności sygnału w oscyloskopie © ATM Technologies