Jak dobry jest Twój oscyloskop?
Czy możesz zaufać temu, co widzisz na ekranie oscyloskopu i pomiarom, które wykonujesz? Integralność sygnału w oscyloskopie wpływa na kształt sygnału i wyniki pomiarów. Oceń integralność sygnału swojego oscyloskopu i wykonuj pomiary, którym możesz zaufać. 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.
Rys. 1. Rozdzielczość jest ważnym atrybutem integralności sygnału. Większa liczba bitów przetwornika i lepsze skalowanie pionowe pozwalają zwiększyć rozdzielczość.
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 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.
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.
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.
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.
Tabela 1. Siedem ważnych atrybutów do oceny integralności sygnału w oscyloskopie
Aby uzyskać więcej szczegółowych informacji, pobierz Notę aplikacyjną.
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:- Płaska odpowiedź częstotliwościowa
- Paska odpowiedź fazowa
- 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
| Atrybut integralności sygnału | Blok oscyloskopu | Gdzie znaleźć dane |
| Rozdzielczość | Przetwornik A/C | Karta katalogowa |
| Szum | Głowica analogowa | Większość producentów określa na karcie katalogowej |
| Pionowe powiększenie sprzętowe | Przetwornik A/C i głowica analogowa | Karty katalogowe nie zawsze podają, kiedy rozpoczyna się powiększanie programowe. Niektórzy producenci ograniczają pasmo przy małej czułości. |
| Nierównomierność charakterystyki częstotliwościowej | Filtry analogowe i filtr korekcyjny | Typowo nie jest zamieszczana na kartach katalogowych. Zapytaj producenta o odpowiedź częstotliwościową i fazową konkretnego modelu oscyloskopu. |
| Dokładność skali czasu | Podstawa czasu | Karta katalogowa |
| Wprowadzany jitter | Podstawa czasu | Niektórzy producenci podają, inni nie. Jeśli nie znajduje się na karcie katalogowej, zapytaj producenta. |
| ENOB | Połączenie parametrów toru pionowego i poziomego | Niektórzy producenci podają, inni nie. Jeśli nie znajduje się na karcie katalogowej, zapytaj producenta. |
Aby uzyskać więcej szczegółowych informacji, pobierz Notę aplikacyjną.
