10. Díl - Naučte se pět tipů pro zlepšení dynamického rozsahu

Dynamický rozsah je poměr maximální úrovně signálu k nejmenší úrovni signálu dosažitelné při měření.

Technický seriál - Rady a tipy při výběru osciloskopu

Autor Bohumil Vítovec

Nástroje s dobrým dynamickým rozsahem jsou zvláště užitečné pro analýzu signálů širokého dynamického rozsahu, ve kterých musí být získán signál v plném rozsahu, zatímco zároveň musí být viditelné velmi malé detaily amplitudy signálu.

Zde je pět tipů pro zlepšení dynamického rozsahu měřicího přístroje.

1. Začněte s nejvyšším možným vertikálním rozlišením

Obrázek 1: Měření saturačního napětí výkonového FET pomocí 8bitových a 12bitových osciloskopů.

Bylo by snadné tento první tip zlehčovat jako nestydatý marketing, ale faktem zůstává, že ne všechny nástroje jsou si rovny a někdy potřebujete jen lepší nástroje, abyste svou práci odvedli.
Dynamický rozsah osciloskopu je založen na rozlišení analogově-digitálního převodníku používaného v akvizičním systému a na architektuře, která jej podporuje. Každý bit vertikálního rozlišení odpovídá 6 dB dynamického rozsahu.
Obrázek 1 znázorňuje dvě měření saturačního napětí výkonového FET.  Saturační napětí je asi 1 V, ale plný dynamický rozsah signálu je 46 dB. Rozlišení 8bitového osciloskopu je 48 dB, což sotva stačí k tomu, aby vyhovovalo plnému dynamickému rozsahu signálu, zatímco rozlišení 12bitového osciloskopu je 72 dB. Existuje viditelný rozdíl v tom, jak je každý přístroj schopen změřit a zobrazit tento velmi malý signál.
Teledyne LeCroy High Definition Osciloskopy (modely HDO a HD) budou poskytují 12 bitů vertikálního rozlišení bez ohledu na vzorkovací frekvenci, počet aktivních kanálů, souběžné digitální vstupy atd. Když říkáme "12 bitů po celou dobu", myslíme to vážně.

2. Pro každý průběh použijte samostatnou mřížku

Obrázek 2: Nesnižovat svislou citlivost, aby se zobrazily všechny stopy v jedné mřížce. Místo toho použijte zobrazení s více mřížkami.​

Použijte všechny mřížky zobrazení, které potřebujete, abyste se vyhnuli ztrátě dynamického rozsahu osciloskopu. Před příchodem více mřížkových displejů bylo běžné seskupit více tras na jedné mřížce snížením vertikální citlivosti (zisku) každého z nich jakýmkoli faktorem, který byl potřebný k jejich přizpůsobení všem, a poté přidat posun, aby je oddělil na displeji. Pro některé to může být stále běžná praxe.
Pokud však například zobrazíte čtyři stopy na jedné mřížce snížením svislé citlivosti každé z nich o faktor 4, snížíte tak dynamický rozsah také o faktor 4 (obrázek 2). Zobrazení může být rozumné, ale dynamický rozsah každého kanálu byl snížen o 2 bity nebo 12 dB. 8bitový osciloskop je nyní 6bitový osciloskop, 12bitový osciloskop je nyní 10bitový osciloskop a tak dále.
Na osciloskopech Teledyne LeCroy udržuje každá mřížka zobrazení plné vertikální rozlišení a dynamický rozsah osciloskopu a na většině osciloskopů můžete otevřít jednu nebo více mřížek pro každý kanál. Mřížky nejsou pouhá kosmetika, ale nástroj!

 

3. Použijte průměrování

 

 

 

 

 

 

 

 

Obrázek 3: Ke zlepšení dynamického rozsahu měření použijte průměrování.​

Průměrování můžete použít ke zlepšení dynamického rozsahu. Pokud se signál opakuje, může získání více pořízení a zprůměrování výsledku zlepšit dynamický rozsah o odmocninu počtu zprůměrovaných signálů. Takže pro čtyři průměry dostanete 2x zlepšení nebo 6 dB (1 bit). U průměrů 64 se vám dostane 8x vylepšení nebo 18 dB (3 bity). To také povede k viditelně ostřejšímu obrazu na displeji. Obrázek 4 znázorňuje zlepšení v důsledku průměrování použitého jako matematická funkce.
Průměrování nesnižuje šířku pásma měření. Eliminuje bílý šum, ale nesnižuje produkty zkreslení, takže budete stále schopni zachytit anomálie průběhů.

4. Použijte filtrování

 

Obrázek 4: Použijte ERES ke zlepšení rozlišení filtrováním získaného signálu s low-pass filtrem.

Další technikou pro zlepšení dynamického rozsahu je filtrování signálu. Moderní osciloskopy mají několik softwarových nástrojů pro implementaci filtrů. Na osciloskopech Teledyne LeCroy je nejjednodušším z těchto nástrojů použít vylepšené rozlišení neboli ERES. ERES používá low-pass filtr s omezenou odezvou impulsu (FIR) ke snížení šířky pásma signálu. To snižuje bílý šum, ale na úkor snížené šířky pásma měření.
ERES poskytuje šest nastavení vylepšení rozlišení, od 0,5 do 3 bitů.  Každý půlbitový krok snižuje šířku pásma faktorem 2 a zlepšuje vertikální rozlišení o 3 dB. Na obrázku 4 2,5 bitů ERES přidaných ke trasování snižuje šířku pásma na 36,5 MHz, ale zlepšuje rozlišení o 15 dB.
Všimněte si, že získaný signál i zpracovaný signál lze pozorovat současně, když se průměrování nebo filtrování používá jako matematické funkce, nikoli jako forma předběžného zpracování kanálu. To vám pomůže ověřit účinky operace na signál a měření a správně interpretovat data z měření.

5. Nastavení vazby

Snažit se měřit malé signály na velkých signálech je obtížné – například měření zvlnění napájecího zdroje nad jmenovitým napětím power rail. Staromilci přistupovali k přepětí osciloskopu, aby se dosáhlo vysoké vertikální citlivosti potřebné k vidění malých amplitud. Ve starších provedeních osciloskopu to mohlo fungovat, ale s moderním zpracováním digitálního signálu ve vstupu je pro to jednoznačné vyjádření "Ne-Ne", pokud si nechcete zničit přístroj. Nepřetěžujte vstup kanálu!
Pokud potřebujete použít plnou šířku pásma osciloskopu, doporučuje se použít DC vazbu. Poté můžete přidat vertikální offset kanálu. Problém, který s tím vzniká, spočívá v tom, že rozsah offsetu napětí na nastavení vysoké citlivosti může být omezen. Například HDO osciloskop pracující v rozsahu 1 mV až 4,95 mV V/div má ofsetový rozsah ±1,6 V. To je v pořádku pro signál 1 nebo 1,1 V, ale pro signál 3,3 V to nebude fungovat. Mějte také na paměti, že vertikální offset představuje chybu ± (0,5% posunu + 0,5% FS + 1 mV).

Můžete použít sondu 10:1, která zvyšuje rozsah odsazení faktorem 10, ale také tlumí malý signál stejným faktorem, takže to není dobrá volba.

Alternativou je použití AC vazby, které blokuje stejnosměrnou složku napětí. Musíte mít na paměti, že AC vazba má High-pass charakteristiku filtru a že frekvence pod 10 Hz budou zeslabeny. To může být problematické, pokud potřebujete vidět složky signálu pod touto frekvencí. Stejnosměrná složka signálu je také ztracena. Pokud se však nestaráte o nízké frekvence nebo DCc komponentu, může to být dobrá volba.

Původní článek:

[1] Take a Coffee Break and Learn Five Tips to Improve Dynamic Range
https://blog.teledynelecroy.com/2021/06/take-coffee-break-and-learn-five-tips.html [cit.:02.06.2021]

 

V tomto seriálu si neklademe za cíl hodnotit, která značka je nebo není nejlepší. Chceme pouze čtenáře upozornit na častá omezení a úskalí, která nemusí být na první pohled při výběru osciloskopu pro vaší práci zřejmá. Chceme vám poskytnout určitý nadhled při výběru nového osciloskopu. Informace, které v seriálu uvádíme, vychází z našich dlouholetých zkušeností s osciloskopy a především s přístroji Teledyne LeCroy, z veřejně dostupných informací a technické dokumentace ostatních výrobců. Abychom se nezabývali touto problematikou jen v teoretické rovině, zaměříme se na technické parametry přístrojů a různé způsoby měření. V tomto díle se společně podíváme na spektrální analýzu.

Obsah tohoto seriálu můžete také ovlivnit! Uvítáme vaše komentáře, návrhy témat, vaše zkušenosti, které můžete zasílat na email bohumil.vitovec@blue-panther.cz.

Stejně tak se můžete ozvat, pokud potřebujete radu na míru!

Předchozí díly této série návodů najdete zde.

 

Dotaz na další podrobnosti

Položky označené hvězdičkou (*) jsou povinné.

*Vaše údaje zpracováváme na základě oprávněného zájmu, dle našich zásad o ochraně osobních údajů.

Kontaktuje nás

Bohumil Vítovec
Telefon: +420 604 273 701

Osciloskop Teledyne LeCroy HDO 9000

Velmi rychlé čtyřkanálové digitální osciloskopy řady HDO 9000s šířkou pásma 1 GHz až 4 GHz, pamětí až 128 Mpts na kanál a rychlostí vzorkování až 40 GS/s. Poskytují výjimečnou věrnost signálu s 10bitovým rozlišením.

Osciloskop Teledyne LeCroy HDO6000A a HDO6000A-MS

Digiální osciloskop Teledyne LeCroy s rozlišením 12 bitů, šířkou pásma 350 MHz až 1 GHz, pamětí až 250 MS na kanál, vzorkováním 10 GSa/s a možností rozšíření o interní 16. kanálový logický analyzátor.

NOVINKA! Osciloskop Teledyne LeCroy HDO6000B a HDO6000B-MS

Digitální osciloskop Teledyne LeCroy s rozlišením 12 bitů, šířkou pásma 350 MHz až 1 GHz, pamětí až 250 MS na kanál, vzorkováním 10 GSa/s, součástí osciloskopu je interní arbitrární generátor, s možností rozšíření o interní 16. kanálový logický analyzátor. Osciloskop má dotykovou obrazovku o velikosti 15.6 palců a rozlišení 1920x1080px

Osciloskop Teledyne LeCroy HDO4000A a HDO4000A-MS s převodem 12 bitů

12bitové čtyřkanálové digitální osciloskopy s šířkou pásma 200 MHz až 1 GHz, pamětí až 50 M na kanál, vzorkováním 10 GSa/s a možností rozšíření o interní 16kanálový logický analyzátor.

Osciloskop Teledyne LeCroy WaveRunner 9000

Čtyřkanálové digitální osciloskopy s šířkou pásma 500 MHz až 4 GHz, pamětí až 128Mpts na kanál a vzorkováním až 40 GS/s. Nadstardatní sada nástrojů pro zpracování elektronických signálů. Pohodlné uživatelské rozhraní MAUI a širokoúhla 15.4" dotyková obrazovka.