10. diel - Päť typov na zlepšenie dynamického rozsahu

Dynamický rozsah je pomer maximálnej úrovne signálu k najnižšej úrovni signálu dosiahnuteľnej pri meraní.

Technická séria – Rady a typy pri výbere osciloskopu

Autor Bohumil Vítovec

Nástroje s dobrým dynamickým rozsahom sú osobitne užitočné pre analýzu signálov širokého dynamického rozsahu, v ktorých musí byť získaný signál v plnom rozsahu, zatiaľ čo musia byť viditeľné veľmi malé detaily amplitudy signálu.

Tu je päť typov na zlepšenie dynamického rozsahu meracieho prístroja.

1.Začnite s najvyšším možným vertikálnym rozlíšením

Obrázok 1: Meranie saturačného napätia výkonového FET pomocou 8-bitových a 12-bitových osciloskopov.

Bolo by jednoduché zľahčovať tento prvý typ ako hanebný marketing, ale faktom zostáva, že nie všetky nástroje sú si rovné a niekedy potrebujete len lepšie nástroje, aby ste svoju prácu vykonali.
Dynamický rozsah osciloskopu je založený na rozlíšení analógovo-digitálneho prevodníka používaného v akvizičnom systéme a na architektúre, ktorá ho podporuje. Každý bit vertikálneho rozlíšenia zodpovedá 6 dB dynamického rozsahu.
Obrázok 1 znázorňuje dve merania saturačného napätia výkonového FET.  Saturačné napätie je asi 1 V, ale úplný dynamický rozsah signálu je 46 dB. Rozlíšenie 8-bitového osciloskopu je 48 dB, čo sotva postačuje na to, aby vyhovovalo plnému dynamickému rozsahu signálu, zatiaľ čo rozlíšenie 12-bitového osciloskopu je 72 dB. Existuje viditeľný rozdiel v tom, ako je každý prístroj schopný zmerať a zobraziť tento veľmi malý signál.Teledyne LeCroy High Definition Osciloskopy (modely HDO a HD) budú poskytovať 12 bitov vertikálneho rozlíšenia bez ohľadu na frekvenciu odberu vzoriek, počet aktívnych kanálov, paralelné digitálne vstupy atď. Keď hovoríme "12 bitov po celý čas", myslíme to vážne.

2. Pre každý priebeh použite samostatnú mriežku

Obrázok 2: Neznížiť vertikálnu citlivosť, aby sa zobrazili všetky stopy v jednej mriežke. Namiesto toho použite zobrazenie s viacerými mriežkami.​

Použite všetky mriežky zobrazenia, ktoré potrebujete, aby ste sa vyhli strate dynamického rozsahu osciloskopu. Pred príchodom viacerých mriežkových displejov bolo bežné zoskupiť viac trás na jednej mriežke znížením vertikálnej citlivosti (zisku) každého z nich akýmkoľvek faktorom, ktorý bol potrebný na ich prispôsobenie všetkým, a potom pridať posun, aby ich oddelil na displeji. Pre niektorých to môže byť stále bežnou praxou.
Ak však napríklad zobrazíte štyri stopy na jednej mriežke znížením vertikálnej citlivosti každej z nich o faktor 4, zmenšíte aj dynamický rozsah o faktor 4 (obrázok 2). Zobrazenie môže byť rozumné, ale dynamický rozsah každého kanála bol znížený o 2 bity alebo 12 dB. 8-bitový osciloskop je teraz 6-bitový osciloskop, 12-bitový osciloskop je teraz 10-bitový osciloskop a tak ďalej.
Na osciloskopoch Teledyne LeCroy udržiava každá mriežka zobrazenia plné vertikálne rozlíšenie a dynamický rozsah osciloskopu a na väčšine osciloskopov môžete otvoriť jednu alebo viac mriežok pre každý kanál. Mriežky nie sú len kozmetika, ale aj nástroj!

3. Použite priemerovanie

Obrázok 3: Na zlepšenie dynamického rozsahu merania použite priemer.​

Na zlepšenie dynamického rozsahu môžete použiť priemerovanie. Ak sa signál opakuje, získanie viacerých odberov a priemerov výsledkov môže zlepšiť dynamický rozsah o odmocninu počtu priemerov signálov. Takže pre štyri priemery dostanete 2x zlepšenie alebo 6 dB (1 bit). Pri priemere 64 dostanete 8x zlepšenie alebo 18 dB (3 bity). To tiež povedie k viditeľne ostrejšiemu obrazu na displeji. Obrázok 4 znázorňuje zlepšenie v dôsledku priemeru použitého ako matematická funkcia.
Priemer neznižuje šírku meracieho pásma. Odstraňuje biely šum, ale neznižuje výsledky skreslenia, takže budete stále schopní zachytiť anomálie.

4. Použite filtrovanie

Obrázok 4: Použite eres na zlepšenie rozlíšenia filtrovaním získaného signálu s load-pass filtrom.​

Ďalšou technikou na zlepšenie dynamického rozsahu je filtrovanie signálu. Moderné osciloskopy majú niekoľko softvérových nástrojov na implementáciu filtrov. Na osciloskopoch Teledyne LeCroy je najjednoduchším z týchto nástrojov použiť vylepšené rozlíšenie alebo eres. Eres používa low-pass filter s obmedzenou odozvou impulzu (FIR) na zníženie šírky pásma signálu. To znižuje biely šum, ale na úkor zníženej šírky pásma merania.
Eres poskytuje šesť nastavení vylepšenia rozlíšenia, od 0,5 do 3 bitov.  Každý polbitový krok znižuje šírku pásma faktorom 2 a zlepšuje vertikálne rozlíšenie o 3 dB. Na obrázku 4 2,5 bitov eres pridaných k trasovaniu znižuje šírku pásma na 36,5 MHz, ale zlepšuje rozlíšenie o 15 dB.

Všimnite si, že získaný signál aj spracovaný signál možno pozorovať súčasne, keď sa priemer alebo filtrácia používa ako matematická funkcia, a nie ako forma predbežného spracovania kanála. To vám pomôže overiť účinky operácie na signál a meranie a správne interpretovať údaje z merania.

5. Nastavenie spojenia

Snažiť sa merať malé signály na veľkých signáloch je ťažké – napríklad meranie vlnenia napájacieho zdroja nad nominálnym napätím power rail. Staromilci pristupovali k prepätiu osciloskopu, aby sa dosiahla vysoká vertikálna citlivosť potrebná na videnie malých amplitúd. V starších prevedeniach osciloskopu to mohlo fungovať, ale s moderným spracovaním digitálneho signálu vo vstupe je pre to jednoznačné vyjadrenie "Nie-Nie", ak si nechcete zničiť prístroj. Nezaťažujte vstup kanála!
Ak potrebujete použiť celú šírku pásma osciloskopu, odporúča sa použiť DC vazbu. Potom môžete pridať vertikálny offset kanála. Problém, ktorý s tým vzniká, spočíva v tom, že rozsah offsetu napätia na nastavenie vysokej citlivosti môže byť obmedzený. Napríklad HDO osciloskop pracujúci v rozsahu 1 mV až 4,95 mV / div má ofsetový rozsah ± 1,6 V. To je v poriadku pre signál 1 alebo 1,1 V, ale pre signál 3,3 V to nebude fungovať. Pamätajte tiež, že vertikálny offset predstavuje chybu ± (0,5% posunu + 0,5% FS + 1 mV).

Môžete použiť sondu 10: 1, ktorá zvyšuje rozsah odsadenia faktorom 10, ale tiež tlmí malý signál rovnakým faktorom, takže to nie je dobrá voľba.

Alternatívou je použitie AC väzby, ktorá blokuje jednosmernú zložku napätia. Musíte mať na pamäti, že AC spojenie má High-pass charakteristiku filtra a že frekvencie pod 10 Hz budú oslabené. To môže byť problematické, ak potrebujete vidieť komponenty signálu pod touto frekvenciou. Jednosmerná zložka signálu je tiež stratená. Ak sa však nestaráte o nízku frekvenciu alebo komponent DCC, môže to byť dobrá voľba.

Pôvodný článok:

[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 seriáli si nekladieme za cieľ posúdiť, ktorá značka je alebo nie je najlepšia. Chceme len upozorniť čitateľov na časté obmedzenia a úskaly, ktoré nemusia byť na prvý pohľad pri výbere osciloskopu pre vašu prácu zjavné. Chceme vám poskytnúť určitý pohľad pri výbere nového osciloskopu. Informácie, ktoré v seriáli uvádzame, vychádzajú z našich dlhoročných skúseností s osciloskopmi a predovšetkým s prístrojmi Teledyne LeCroy, z verejne dostupných informácií a technickej dokumentácie ostatných výrobcov. Aby sme sa nezaoberali touto problematikou len v teoretickej rovine, zameriame sa na technické parametre prístrojov a rôzne spôsoby merania. 

Obsah tohto seriálu môžete tiež ovplyvniť! Vítame vaše pripomienky, návrhy tém, vaše skúsenosti, ktoré môžete poslať na e-mail bohumil.vitovec@blue-panther.cz.

Rovnako nás môžete kontaktovať, ak potrebujete radu na mieru.

Predchádzajúce časti tejto série návodov nájdete tu.