reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© AMTechnologies Technologie | 05 lipca 2018

Jak dobry jest twój oscyloskop?

Czy mo偶esz zaufa膰 temu, co widzisz na ekranie oscyloskopu i pomiarom, kt贸re wykonujesz? Integralno艣膰 sygna艂u w oscyloskopie wp艂ywa na kszta艂t sygna艂u i wyniki pomiar贸w.
Projektujesz elektronik臋? Zarezerwuj 4 pa藕dziernika 2018 roku na najwi臋ksz膮 w Polsce konferencj臋 dedykowan膮 projektantom, Evertiq Expo Krak贸w 2018. Przesz艂o 60 producent贸w i dystrybutor贸w komponent贸w do Twojej dyspozycji, ciekawe wyk艂ady i 艣wietna, tw贸rcza atmosfera. Jeste艣 zaproszony, wst臋p wolny: kliknij po szczeg贸艂y.

漏 Evertiq
Integralno艣膰 sygna艂u jest podstawow膮 miar膮 jego jako艣ci. Znaczenie tego parametru ro艣nie wraz z wi臋ksz膮 szybko艣ci膮 sygna艂u, pasmem oscyloskopu, konieczno艣ci膮 obrazowania s艂abych sygna艂贸w oraz konieczno艣ci膮 obrazowania ma艂ych zmian wyst臋puj膮cych w du偶ych sygna艂ach. Integralno艣膰 sygna艂u wp艂ywa na wszystkie pomiary oscyloskopu. Oscyloskopy o dobrej integralno艣ci sygna艂u zapewniaj膮 lepsze odwzorowanie sygna艂贸w wej艣ciowych, a te o s艂abej integralno艣ci sygna艂u - gorsze. Wyb贸r oscyloskopu o dobrej integralno艣ci sygna艂u jest kluczowy, gdy偶 w przeciwnym wypadku ro艣nie ryzyko wyd艂u偶enia cyklu projektowego, pogorszenia jako艣ci produkcji i doboru niew艂a艣ciwych komponent贸w. Oceniaj膮c integralno艣膰 sygna艂u nale偶y przeanalizowa膰 rozdzielczo艣膰 przetwornika A/C, skalowanie pionowe, szum, odpowied藕 cz臋stotliwo艣ciow膮 i fazow膮, efektywn膮 liczb臋 bit贸w (ENOB) i wprowadzany jitter.

Rozdzielczo艣膰 przetwornika A/C


Rozdzielczo艣膰 odpowiada najmniejszemu poziomowi kwantyzacji przetwornika A/C w oscyloskopie. Im wi臋ksza liczba bit贸w przetwornika, tym wi臋ksza jest rozdzielczo艣膰 oscyloskopu. Dla przyk艂adu, 8-bitowy przetwornik A/C mo偶e zakodowa膰 napi臋cie wej艣ciowego na jednym z 256 dost臋pnych poziom贸w (poniewa偶 28 = 256), a przetwornik 10-bitowy zapewnia 4-krotnie wi臋ksz膮 rozdzielczo艣膰, koduj膮c napi臋cie na 1024 (210) poziomach.


Rys. 1. Rozdzielczo艣膰 jest wa偶nym atrybutem integralno艣ci sygna艂u. Wi臋ksza liczba bit贸w przetwornika i lepsze skalowanie pionowe pozwalaj膮 zwi臋kszy膰 rozdzielczo艣膰.

Skalowanie pionowe


W艂a艣ciwe skalowanie pionowe r贸wnie偶 pozwala zwi臋kszy膰 rozdzielczo艣膰 oscyloskopu. Na rysunku 1 pokazano ekran o zakresie pionowym 800 mV (8 dzia艂ek * 100 mV/dzia艂k臋).

Oscyloskop z 8-bitowym przetwornikiem A/C zapewnia rozdzielczo艣膰 r贸wn膮 3,125 mV (800 mV/256 poziom贸w), natomiast dla przetwornika 10-bitowego jest to 0,781 mV. Ka偶dy oscyloskop mo偶e obrazowa膰 sygna艂y o warto艣ci r贸wnej co najmniej jego poziomowi kwantyzacji.

Aby uzyska膰 najwy偶sz膮 rozdzielczo艣膰, nale偶y u偶y膰 najbardziej czu艂ej nastawy skalowania, pozwalaj膮cej zobrazowa膰 pe艂en przebieg na ekranie. Takie zobrazowanie przebiegu, aby zajmowa艂 ca艂膮 dost臋pn膮 wysoko艣膰 ekranu pozwala w pe艂ni wykorzysta膰 parametry przetwornika A/C oscyloskopu. Je艣li sygna艂 zostanie zobrazowany tak, 偶e zajmuje po艂ow臋 lub mniej wysoko艣ci ekranu, nast膮pi utrata co najmniej 1 bitu rozdzielczo艣ci przetwornika.

Przetwornik A/C, architektura g艂owicy wej艣ciowej oscyloskopu i sonda pomiarowa s膮 elementami decyduj膮cymi o granicznej warto艣ci powi臋kszenia pionowego realizowanej sprz臋towo. 呕aden z oscyloskop贸w nie pozwoli na ustawienie skalowania pionowego poni偶ej pewnej warto艣ci granicznej. Producenci cz臋sto okre艣laj膮 t膮 warto艣膰 jako punkt, w kt贸rym oscyloskop przechodzi do trybu powi臋kszenia programowego. Przekroczenie tej warto艣ci granicznej pozwoli powi臋kszy膰 obraz przebiegu, ale nie zapewni wi臋kszej rozdzielczo艣ci.

Na rysunku 2 widoczny jest przyk艂ad dw贸ch oscyloskop贸w obrazuj膮cych przebieg wej艣ciowy w taki spos贸b, 偶e przy skali pionowej ekranu wynosz膮cej 16 mV, zajmuje on prawie ca艂膮 wysoko艣膰 ekranu. Tradycyjny oscyloskop 8-bitowy przechodzi do trybu powi臋kszania programowego przy 7 mV/dzia艂k臋, czemu odpowiada rozdzielczo艣膰 218 渭V (7 mV/dzia艂k臋 * 8 dzia艂ek/256 poziom贸w kwantyzacji). Oscyloskop 10-bitowy, np. Keysight Infiniium S-Series pozostaje w trybie powi臋kszania sprz臋towego do warto艣ci 2 mV/dzia艂k臋, co daje rozdzielczo艣膰 16,6 碌V (2 mV/dzia艂k臋 * 8 dzia艂ek)/1024 poziomy kwantyzacji), 13-krotnie wi臋ksz膮 ni偶 dla oscyloskopu 8-bitowego.


Rys. 2. Maksymalne rozci膮gni臋cie pionowe, kt贸re oscyloskop obs艂uguje sprz臋towo pozwala obserwowa膰 drobne detale przebiegu

Szumy


Szumy maj膮 wp艂yw na pomiary parametr贸w toru pionowego i poziomego. Im mniejsze szumy, tym lepsza integralno艣膰 sygna艂u. Je艣li poziom szumu jest wi臋kszy od poziomu kwantyzacji przetwornika A/C, nie b臋dzie mo偶liwe pe艂ne wykorzystanie jego rozdzielczo艣ci. Posiadanie oscyloskopu niskoszumowego (o szerokim zakresie dynamicznym) jest niezb臋dne do obserwacji ma艂ych pr膮d贸w i napi臋膰, czy te偶 ma艂ych sygna艂贸w wyst臋puj膮cych na tle du偶ych.

Szumy pochodz膮 z wielu 藕r贸de艂, w tym z g艂owicy analogowej oscyloskopu, jego przetwornika A/C oraz z sondy i kabli sygna艂owych. Sam przetwornik A/C wykazuje pewien szum kwantyzacji, ale zazwyczaj odgrywa on mniejsz膮 rol臋 ni偶 szum wyst臋puj膮cy w g艂owicy analogowej.

Wi臋kszo艣膰 producent贸w oscyloskop贸w mierzy warto艣膰 szumu i podaje j膮 na karcie katalogowej. Je艣li nie jest ona podana, mo偶na o ni膮 zapyta膰 lub okre艣li膰 j膮 we w艂asnym zakresie. Pomiar ten jest 艂atwy do przeprowadzenia i zajmuje tylko kilka minut. Ka偶dy z kana艂贸w oscyloskopu charakteryzuje si臋 r贸偶nymi warto艣ciami szumu przy r贸偶nych ustawieniach toru pionowego. Roz艂膮cz wszystkie wej艣cia oscyloskopu i ustaw je do pracy z impedancj膮 50 惟 (mo偶na te偶 przeprowadzi膰 ten test dla impedancji 1 M惟). W艂膮cz odpowiedni膮 pojemno艣膰 pami臋ci akwizycji danych, np. 1 Mpt i du偶膮 szybko艣膰 pr贸bkowania pozwalaj膮c膮 wykorzysta膰 pe艂ne pasmo oscyloskopu. Mo偶esz obserwowa膰 szum, reprezentowany przez grubo艣膰 przebiegu na ekranie lub zmierzy膰 go w trybie Vrms AC. Metody te pozwalaj膮 okre艣li膰, jaki szum wyst臋puje w ka偶dym kanale oscyloskopu przy poszczeg贸lnych ustawieniach toru pionowego.

Odpowied藕 cz臋stotliwo艣ciowa


Jednolita i p艂aska charakterystyka cz臋stotliwo艣ciowa oscyloskopu jest bardzo po偶膮dana dla zapewnienia dobrej integralno艣ci sygna艂u. Ka偶dy model charakteryzuje si臋 unikaln膮 odpowiedzi膮 cz臋stotliwo艣ciow膮, stanowi膮c膮 ilo艣ciow膮 miar臋 zdolno艣ci oscyloskopu do precyzyjnego odwzorowania sygna艂u w zakresie jego cz臋stotliwo艣ci pracy. Trzy najwa偶niejsze wymogi zapewniaj膮ce dok艂adne odwzorowanie sygna艂u to:
  1. P艂aska odpowied藕 cz臋stotliwo艣ciowa
  2. Paska odpowied藕 fazowa
  3. Cz臋stotliwo艣膰 rejestrowanych sygna艂贸w w zakresie szeroko艣ci pasma oscyloskopu

P艂aska charakterystyka cz臋stotliwo艣ciowa oznacza, 偶e oscyloskop traktuje wszystkie cz臋stotliwo艣ci w jednakowy spos贸b, a p艂aska odpowied藕 fazowa, 偶e sygna艂 jest op贸藕niany o dok艂adnie taki sam czas dla wszystkich cz臋stotliwo艣ci. Niespe艂nienie jednego lub wi臋cej z powy偶szych warunk贸w spowoduje, 偶e oscyloskop b臋dzie niedok艂adnie odwzorowywa艂 przebieg wej艣ciowy.

Niekt贸re oscyloskopy zawieraj膮 filtry korekcyjne, kt贸re s膮 zwykle implementowane w sprz臋towych blokach DSP i dostrojone do konkretnej rodziny oscyloskop贸w. Na rys. 3 pokazano, w jaki spos贸b filtry korekcyjne mog膮 poprawi膰 integralno艣膰 sygna艂u, zapewniaj膮c p艂ask膮 odpowied藕 cz臋stotliwo艣ciow膮 i fazow膮. Przebieg na ekranie oscyloskopu, zaprezentowany na prawym rysunku odpowiada dok艂adnie zawarto艣ci widmowej sygna艂u, a przebieg na lewym rysunku - nie.


Rys. 3. Do wej艣膰 dw贸ch oscyloskop贸w o identycznym pa艣mie, szybko艣ci pr贸bkowania i innych parametrach pod艂膮czono identyczny sygna艂. Z czego wynika r贸偶nica w przebiegach? Obraz po prawej stronie przedstawia przebieg z ekranu oscyloskopu wyposa偶onego w sprz臋towe filtry korekcyjne DSP zapewniaj膮ce p艂ask膮 odpowied藕 cz臋stotliwo艣ciow膮 i fazow膮. Obraz po lewej stronie pochodzi z ekranu oscyloskopu bez tej korekcji.

Sumaryczna charakterystyka cz臋stotliwo艣ciowa stanowi kombinacj臋 odpowiedzi cz臋stotliwo艣ciowej oscyloskopu oraz odpowiedzi cz臋stotliwo艣ciowej wszystkich sond i kabli. Je艣li u偶yty zostanie kabel BNC o pa艣mie 1,5 GHz do wsp贸艂pracy z oscyloskopem o pa艣mie 4 GHz, wypadkowe pasmo b臋dzie ograniczone pasmem kabla BNC. Upewnij si臋, 偶e sondy, akcesoria i kable nie s膮 czynnikami ograniczaj膮cymi dok艂adno艣膰 pomiaru.

Efektywna liczba bit贸w (ENOB)


ENOB jest miar膮 dynamiki oscyloskopu wyra偶on膮 za pomoc膮 serii krzywych bity-cz臋stotliwo艣膰. Ka偶da z nich jest tworzona dla specyficznego ustawienia toru pionowego przy zmienianej cz臋stotliwo艣ci. Rejestrowane i oceniane s膮 tu wyniki pomiaru napi臋cia. Generalnie im wi臋kszy ENOB (wyra偶ony w bitach), tym lepiej.

Niekt贸rzy producenci mog膮 podawa膰 warto艣膰 ENOB przetwornika A/C oscyloskopu, jednak nie ma on wi臋kszego znaczenia. Wa偶ny jest wsp贸艂czynnik ENOB ca艂ego systemu. Przetwornik A/C mo偶e charakteryzowa膰 si臋 du偶ym wsp贸艂czynnikiem ENOB, ale s艂abej jako艣ci g艂owica analogowa mo偶e wyra藕nie pogorszy膰 ENOB dla ca艂ego systemu. In偶ynierowie, kt贸rzy patrz膮 wy艂膮cznie na ten parametr przy ocenie integralno艣ci sygna艂u, powinni by膰 艣wiadomi, 偶e ENOB nie uwzgl臋dnia b艂臋d贸w offsetu ani b艂臋d贸w fazy, kt贸re mo偶e wprowadza膰 oscyloskop.

Oscyloskop nie charakteryzuje wy艂膮cznie jedna warto艣膰 ENOB, lecz r贸偶ne warto艣ci ENOB dla ka偶dego ustawienia toru pionowego i ka偶dej cz臋stotliwo艣ci.

Wprowadzany jitter


Jitter opisuje odchylenie od idealnego po艂o偶enia poziomego i jest mierzone w ps rms lub ps peak-to-peak. 殴r贸d艂em jitteru jest termiczny i mechaniczny szum wynikaj膮cy z wibracji oscylatora. 艢cie偶ki, kable i z艂膮cza wprowadzaj膮 dodatkowy jitter do systemu poprzez interferencj臋 mi臋dzysymbolow膮.

Sam oscyloskop wykazuje jitter. Okre艣lenie “pod艂oga pomiarowa jitteru” odnosi si臋 do takiej jego warto艣ci, przy kt贸rej oscyloskop raportuje, 偶e sygna艂 wej艣ciowy jest ca艂kowicie pozbawiony jitteru. Warto艣膰 pod艂ogi pomiarowej jitteru obejmuje nie tylko jitter zegara, lecz r贸wnie偶 藕r贸d艂a b艂臋d贸w toru pionowego, takie jak szum i harmoniczne. Te 藕r贸d艂a b艂臋d贸w toru pionowego zaburzaj膮 pomiar czasu w torze poziomym, poniewa偶 zmieniaj膮 punkty przej艣cia sygna艂u przez poziom progowy.

Nadmierny jitter mo偶e wywo艂ywa膰 zak艂贸cenia synchronizacji, powoduj膮ce nieprawid艂owe zachowanie systemu oraz pogorszenie wsp贸艂czynnika bitowej stopy b艂臋d贸w (BER) w systemach komunikacyjnych, wp艂ywaj膮ce na b艂臋dy transmisji. Pomiar jitteru jest niezb臋dny, aby zapewni膰 niezawodne dzia艂anie szybkich system贸w.


Rys. 4. Oscyloskopy Infiniium S-Series firmy Keysight zawieraj膮 nowy blok podstawy czasu, zapewniaj膮cy imponuj膮c膮 dok艂adno艣膰 zegara na poziomie 75 ppb. Wprowadzany jitter dla rekord贸w o ma艂ej d艂ugo艣ci nie przekracza 130 fs.

Podsumowanie


Cho膰 ka偶dy parametr jest wa偶ny, najwi臋ksz膮 dok艂adno艣膰 zapewni膮 oscyloskopy o najlepszych atrybutach wymienionych w tabeli 1. Branie pod uwag臋 tylko jednego atrybutu integralno艣ci sygna艂u przy pomini臋ciu innych mo偶e prowadzi膰 do fa艂szywych wniosk贸w o jako艣ci u偶ywanego oscyloskopu, co z kolei mo偶e prowadzi膰 do niepotrzebnego ryzyka przy wprowadzaniu produkt贸w na rynek i ocenie ich jako艣ci.

Tabela 1. Siedem wa偶nych atrybut贸w do oceny integralno艣ci sygna艂u w oscyloskopie



漏 ATM Technologies
reklama
reklama
Za艂aduj wi臋cej news贸w
November 21 2018 11:24 V11.9.8-2