2. díl - Do útrob osciloskopu

Technický seriál, který poskytuje budoucímu uživateli určitý nadhled při výběru osciloskopu.Upozorňuje na omezení a úskalí, která zůstávají při výběru nového přístroje často skrytá. Pak se lehce stane, že zákazník objeví tato omezení, až když se svým novým osciloskopem začne skutečně pracovat. V tomto díle se budeme věnovat šumu v osciloskopu a technologiím ERES a HiRes.

Technický seriál - Rady a tipy při výběru osciloskopu

Autor Bohumil Vítovec

 

Moderní osciloskopy jsou komplexní přístroje a je tedy vhodné při výběru osciloskopu věnovat pozornost více faktorům. Pokud bychom chtěli rozepsat veškeré náležitosti, které se této oblasti týkají, sepsali bychom obsáhlou knihu. To určitě není účelem našeho seriálu. Zde chceme upozornit čtenáře na klíčová témata ve zkráceném znění a v textu uvádíme také odkazy, ze kterých lze čerpat detailnější informace.

V minulém díle jsme se věnovali vertikálnímu rozlišení digitálních osciloskopů. Dnes se zaměříme na téma šumu v osciloskopu a na technologie ERES a HiRes.V příštím se můžete těšit na ENOB, SNR a mnohé další.

Zdroje šumu v osciloskopu

Vertikální rozlišení je definováno jedinou komponentou v systému - ADC. Má komponenty, které zavádějí šum do měření a snižují efektivní rozlišení. Další komponenty a jejich celková integrace do akvizičního systému přispívají také k vytváření šumu a zkreslení.

Zjednodušené schéma digitálního osciloskopu

1. Vstupní zesilovač - ovlivňuje šířku pásma a vertikální šum

2. Sample & Hold - vzniká zde nejistota zachycení měřícího okna

3. AD převodník - ovlivňuje chybu amplitudy

4. Akviziční paměť a časová základna - vzorkovací rychlost

5. Zpracování a zobrazení dat - vznikají zde interpolační chyby

6. Trigger - jitter (horizontální šum)

7. Hodiny a referenční signál - určuje přesnost časové základny

Dominantním zdrojem šumu každého digitálního osciloskopu je vstupní zesilovač. Proto je nezbytné, aby osciloskop s vysokým rozlišením měl speciálně navržený nízkošumový předzesilovač.

Důležité parametry zdroje šumu v systému:

• velikost šumu
• korelace mezi zdrojem a jinými zdroji
• umístění zdroje šumu v dráze signálu a jak běžný je zdroj šumu pro ostatní cesty přes systém
• spektrální charakteristiky šumu

Jak lze využít nejlépe znalosti o zdrojích šumu pomocí technik post-zpracování softwaru?

Pořiďte si osciloskop s co možná nejnižším šumem a s nejvyšším rozlišením hardwaru před aplikací technik post-procesingu. Získáte tím nejefektivnější rozlišení po aplikování technik post-zpracování softwaru.

Další podrobnosti o technikách post-zpracování softwaru, které lze použít ke snížení šumu osciloskopů, najdete v UnderstandingVerticalResolution inOscilloscopes [1].

 

Jak funguje ERES [2]

ERES je post-akviziční procesní funkce v osciloskopech Teledyne LeCroy, která umožní uživateli navýšit efektivní hodnotu vertikálního rozlišení o 0,5 1, 1,5, 2, 2,5 a 3 bity. Extra rozlišení ovšem není zadarmo. Šířka pásma křivky matematiky ERES je menší, než šířka pásma původně získaného průběhu. Proč tomu tak je? Dialogové okno zobrazuje šířku pásma matematické křivky 36,25 MHz, to je 0,029 x Nyquistova šířka pásma původní akvizice. Původní akvizice byla provedena na hodnotě 2,5 GS / s, pro který by kritéria Nyquistova teorému řekla, že rozsah může zachytit frekvence signálů, až do 1,25 GHz. Filtr však snižuje šířku pásma matematické křivky. Operace tedy zvyšuje vertikální rozlišení za cenu snížení šířky frekvenčního pásma.

 

 

 

 

 

 

Ilustrace 1: Původní signál uchovaný v paměti(červený), a filtrovaný signál metodou Eres (modře)

Vzorkům surových dat, získaných blíže ke konkrétnímu časovému okamžiku, je dána větší váha a vzorky, které byly získány dále v čase, mají menší váhu. Matematicky je každý nový bod součtem od N / 2 do plus N / 2 datových vzorků ADC, kdy je křivka vážícího tvaru zvonku (N je délka filtru). Nový matematický tvar má stejný počet bodů jako původně získaný průběh, ale na počátku a na konci vlny, není dostatek bodů pro výpočet filtrovaného výsledku. Matematický tvar má o N bodů méně, než původní vzorky ADC. Pro získání 100 000 bodů a navýšením vertikálního rozlišení o 2 bity, je délka filtru 25 a výsledná matematická křivka ERES je 99 975 bodů. Obvykle je toto snížení délky záznamu příliš krátké, než aby bylo uživatelům viditelné.

 

Jak funguje HiRes [2]

HiRes je režim akvizice signálu, není to matematická funkce. Když uživatel zvolí režim HiRes Acquisition, osciloskop Tektronix spustí jeho ADC s maximální rychlostí a provede tzv. boxcar. Filtr, který průměruje několik sekvenčních vzorků a uloží průměrné číslo do paměti. Počet vzorkovacích bodů ADC vstupujících do procesu filtrování, je poměr celkových vzorků ADC dostupných při maximální vzorkovací frekvenci k počtu vzorků požadovaných uživatelem pro zobrazený průběh. Například pokud je rozsah spuštěn při maximální vzorkovací frekvenci, získá 100 000 vzorků a uživatel požaduje vlnovou křivku 100 000 vzorků, nevyskytne se žádné filtrování. Pokud uživatel požaduje v zobrazeném průběhu pouze 10 000 vzorků, HiRes bude průměrovat každou skupinu 10 vzorků ADC do jednoho vzorku HiRes. Neexistuje žádná vážená křivka pro průměrování, je to jednoduchý součet N vzorků, dělených N. Průměrování se vyskytuje při získávání vzorků. Původní vzorky ADC nejsou pro uživatele k dispozici, jsou ztraceny v procesu HiRes.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mnoho uživatelů osciloskopu si zvyklo přemýšlet o délce záznamu jako o způsobu zvýšení horizontálního rozlišení. Pro určitou časovou základnu může přidání více vzorků do tvaru vlny pomocí větší paměti umožnit zvýšenou vzorkovací frekvenci ADC a poskytnout lepší horizontální rozlišení. Při používání režimu HiRes, se mění délka záznamu poněkud odlišně. Pokud uživatel aktivuje režim HiRes, pak pro určitou časovou základnu zmenšení požadované délky záznamu tvaru vlny se zvýší vertikální rozlišení průběhu, za cenu snížení počtu horizontálních bodů a snížení šířky pásma.

V diskusi o ERES výše jsme se zabývali příkladem 100 000 vzorků ADC a délkou filtru 25 bodů. Výsledný průběh vlny byl 99,975 bodů. V režimu HiRes s 100 000 vzorky ADC a délkou filtru 25 je zobrazený průběh 4 000 bodů (každá skupina 25 vzorkovacích bodů ADC se zprůměruje do jednoho bodu). Pokud se uživatel pokusí nastavit rozsah Teka, aby získal 100 000 vzorků ADC a zobrazil HiRes akvizici 99 975 bodů, pak by HiRes reálně neměla žádný efekt. HiRes musí decimovat délku záznamu ADC minimálně o faktor 2, potřebuje průměrně alespoň 2 vzorky ADC pro vytvoření nového bodu.

 

Přehled ERES

• Matematická funkce, která vytvoří nový, filtrovaný průběh výpočtem na vzorcích ADC.

• Filtrační koeficienty jsou zvonovité,

• Stejně jako u všech filtrů odstraní ERES část skutečného obsahu signálu,

 

Výhody funkce ERES

• Původní signál z ADC je stále k dispozici pro zobrazení i měření,

• Zachovává větší šířku pásma, než boxcar filtr,

• Osciloskop umožňuje uživateli ovládat délku filtru,extra rozlišení a novou šířku pásma.

• Jiné funkce matematiky mohou být aplikovány před nebo po ERES.

• Nezpůsobuje posun v čase charakteristik průběhů.

• Nemůže způsobit falešné přeslechy, falešné překročení.

Nevýhody funkce ERES

• Při délce filtru N je křivka ERES kratší o N křivek ADC.

• Vyžaduje značný výpočetní výkon.

 

Přehled HiRes

• Režim akvizice, který nahradí vzorky ADC novým filtrovaným průběhem.

• Každá skupina N vzorků ADC vytvoří jeden bod nového tvaru vlny přes boxcar filtr.

• Stejně jako u všech filtrů odstraní HiRes část skutečného obsahu signálu.

Výhody funkce HiRes

• Je zapotřebí velmi málo výpočetního výkonu.

Nevýhody funkce HiRes

• Původní vzorky ADC jsou ztraceny, nejsou k dispozici pro zobrazení nebo měření.

• Pro délku filtru N, HiRes křivka decimuje vzorky ADC o faktor N.

• Může způsobit efekt falešných přeslechů.

• Snižuje šířku pásma rychleji (vzhledem k extra bitům vertikálního rozlišení),než filtr tvaru zvonu.

• Osciloskop neumožňuje uživateli ovládat délku filtru, extra rozlišení nebo novou šířku pásma.

• Žádná matematická funkce nemůže být použita před HiRes.

• HiRes může způsobit změnu času signálových funkcí.

Závěrečná poznámka

Mějte na paměti, že všechny filtry mění tvar vlny. Pokud je vaše základní touha vidět průběh signálu co nejjasněji, nejlepší řešení je získat jej s co možná nejméně přidaným šumem z procesu akvizice.

Mějte na paměti, že odstranění šumu použitím filtru může vést k omylu, pokud rozsah provádí jakýkoli typ měření kvality signálu, protože váš filtr odstranil část signálu. Samozřejmě to zahrnuje měření jako je poměr signálu k šumu, oční diagramy a měření chvění, kde primárním zdrojem chvění je často svislý šum v signálu. Filtr však může také ovlivňovat měření šířky impulzu, doby vzestupu, překročení a jiných signálních vlastností, protože šum na okraji ovlivňuje jeho polohu.

Zdroje:

[1] DesignCon 2017 UnderstandingVertical Resolution in Oscilloscopes

[2] Differences Between ERES and HiRes November 14, 2011

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. 

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!

Další díl / Všechny díly

Osciloskopy Teledyne LeCroy HDO6000B a HDO6000B-MS

Digitální osciloskopy s rozlišením 12 bitů, šířkou pásma 350 MHz až 1 GHz, pamětí až 250 MS na kanál, vzorkováním 10 GSa/s.

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.

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 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.

Osciloskopy

Stolní laboratorní osciloskopy až do šíře pásma 100 GHz a vzorkování až 250 GS/s z produkce Teledyne Lecroy, GW Instek a Teledyne Test Tools