2. diel - Do útrob prístroja

Technický seriál, ktorý poskytuje budúcemu užívateľovi určitý nadhľad pri výbere osciloskopu.Upozorňuje na obmedzenia a úskalia, ktoré zostávajú pri výbere nového prístroja často skrytá. Potom sa ľahko stane, že zákazník objavia tieto obmedzenia, až keď so svojím novým osciloskopom začne skutočne pracovať.

Technická séria – Rady a typy pri výbere osciloskopu

Autor Bohumil Vítovec

Moderné osciloskopy sú komplexné prístroje a je teda vhodné pri výbere osciloskopu venovať pozornosť viacerým faktorom. Ak by sme chceli rozpísať všetky náležitosti, ktoré sa týkajú tejto oblasti, napísali by sme rozsiahlu knihu. To určite nie je účelom nášho seriálu. Tu chceme upozorniť čitateľov na kľúčové témy v skrátenej podobe a v texte uvádzame aj odkazy, z ktorých možno čerpať podrobnejšie informácie.

V minulom diele sme sa venovali vertikálnemu rozlíšeniu digitálnych osciloskopov. Dnes sa zameriame na tému hluku v osciloskope a na technológie eres a HiRe. Nabudúce sa môžete tešiť na ENOB, SNR a mnoho ďalších.

Zdroje šumu v osciloskope

Vertikálne rozlíšenie je definované jedinou zložkou v systéme - ADC. Má komponenty, ktoré zavádzajú hluk do merania a znižujú účinné rozlíšenie. Ďalšie komponenty a ich celková integrácia akvizičního systému prispievajú aj k vytváraniu šumu a skresľovaniu.

Zjednodušená schéma digitálneho osciloskopu​.

1. Vstupný zosilňovač - ovplyvňuje šírku pásma a vertikálny šum;

2. Sample & Hold - vzniká neistota zachytenia meracieho okna;

3. AD prevodník - ovplyvňuje chybu amplitúdy;

4. Akvizičná pamäť a časová základňa - rýchlosť odberu vzoriek;

5. Spracovanie a zobrazenie dát - vznikajú tu interpolačné chyby;

6. Trigger - jitter (Horizontálny šum);

7. Hodiny a referenčný signál - určuje presnosť časovej základne;

Dominantným zdrojom šumu každého digitálneho osciloskopu je vstupný zosilňovač. Preto je nevyhnutné, aby osciloskop s vysokým rozlíšením mal osobitne navrhnutý nízkokostný predzosilňovač.

Dôležité parametre zdroja hluku v systéme:

• Veľkosť šumu;
• Korelácia medzi zdrojom a inými zdrojmi;
• Umiestnenie zdroja hluku v dráhe signálu a spôsob, akým je zdroj hluku bežný pre iné cesty cez systém;
• Spektrálne charakteristiky šumu;

Ako najlepšie využiť vedomosti o zdrojoch hluku pomocou techník po spracovaní softvéru?​

Usporiadajte si osciloskop s čo najnižším hlukom a s najvyšším rozlíšením hardvéru pred uplatnením techník post-procesing. Získate tým najefektívnejšie rozlíšenie po uplatnení techník post-spracovania softvéru.

Ďalšie podrobnosti o technikách postspracovania softvéru, ktoré sa môžu použiť na zníženie hluku osciloskopov, nájdete v:​ UnderstandingVerticalResolution inOscilloscopes [1].

Ako funguje ERES [2]

Eres je post-akvizičná procesná funkcia v osciloskopoch Teledyne LeCroy, ktorá umožňuje užívateľovi zvýšiť efektívnu hodnotu vertikálneho rozlíšenia o 0,5, 1,5, 2. 2,5 a 3 bity. Extra rozlíšenie však nie je zadarmo. Šírka pásma krivky matematiky eres je menšia ako šírka pásma pôvodne získaného tokom. Prečo je to tak? Dialógové okno zobrazuje šírku pásma matematickej krivky 36,25 MHz, to je 0,029 x Nyquistova šírka pásma pôvodnej akvizície. Pôvodná akvizícia bola vykonaná na hodnote 2,5 GS / s, pre ktorú by kritériá Nyquistovej teórii povedala, že rozsah môže zachytiť frekvencie signálov, až do 1,25 GHz. Filter však znižuje šírku pásma matematickej krivky. Operácia teda zvyšuje vertikálne rozlíšenie za cenu zníženia šírky frekvenčného pásma.

Obrázok 1: Pôvodný signál uložený v pamäti (červený) a filtrovaný signál metódou Eres (modrý)

Vzorky nespracovaných údajov získané bližšie k určitému časovému bodu majú väčšiu váhu a vzorky, ktoré boli získané ďalej v čase, majú menšiu váhu. Matematicky je každý nový bod súčtom N / 2 až plus N / 2 dátových vzoriek ADC, kde je krivka vážiaceho tvaru zvonku (N je dĺžka filtra). Nový matematický tvar má rovnaký počet bodov ako pôvodne získaný priebeh, ale na začiatku a na konci vlny, nie je dostatok bodov na výpočet filtrovaného výsledku. Matematický tvar má o N bodov menej ako pôvodné vzorky ADC. Pre získanie 100 000 bodov a zväčšením vertikálneho rozlíšenia o 2 bity, dĺžka filtra je 25 a výsledná matematická krivka eres je 99 975 bodov. Zvyčajne je toto skrátenie dĺžky záznamu príliš krátke, aby bolo užívateľom viditeľné.

Ako funguje HiRes [2]

Hires je režim prevzatia signálu, nie je to matematická funkcia. Keď užívateľ zvolí režim Hires Acquisition, osciloskop Tektronix spustí jeho ADC s maximálnou rýchlosťou a vykoná tzv. Boxcar. Filter, ktorý zpriemeruje niekoľko sekvenčných vzoriek a uloží priemerné číslo do pamäte. Počet vzorkovacích bodov ADC vstupujúcich do procesu filtrácie je pomer medzi celkovými vzorkami ADC dostupnými pri maximálnej vzorkovacej frekvencii a počtom vzoriek požadovaných používateľom pre zobrazený priebeh. Napríklad, ak je rozsah spustený pri maximálnej frekvencii odberu vzoriek, získa 100 000 vzoriek a užívateľ požaduje vlnovú krivku 100 000 vzoriek, neuskutoční sa žiadna filtrácia. Ak užívateľ požaduje len 10 000 vzoriek počas zobrazeného priebehu: Hires zpriemeruje každú skupinu 10 vzoriek ADC do jednej vzorky Hires. Neexistuje žiadna vážená krivka pre priemer, je to jednoduchý súčet N vzoriek, delený N. Pri získavaní vzoriek dochádza k priemerovaniu. Pôvodné vzorky ADC nie sú pre používateľov dostupné, sú stratené v procese Hires.

Mnohí používatelia osciloskopu si zvykli myslieť o dĺžke záznamu ako o spôsobe zvýšenia horizontálneho rozlíšenia. Pre určitú časovú základňu môže pridanie viacerých vzoriek do tvaru vlny pomocou väčšej pamäte umožniť zvýšenú vzorkovaciu frekvenciu ADC a poskytnúť lepšie horizontálne rozlíšenie. Pri používaní režimu Hires, sa mení dĺžka záznamu trochu odlišne. Ak užívateľ aktivuje režim Hires, potom pre určitú časovú základňu skrátenie požadovanej dĺžky záznamu tvaru vlny sa zvýši vertikálne rozlíšenie priebehu, za cenu zníženia počtu horizontálnych bodov a zníženia šírky pásma.

V diskusii o eres vyššie sme sa zaoberali prípadom 100 000 vzoriek ADC a dĺžkou filtra 25 bodov. Výsledný priebeh vlny bol 99,975 bodov. V režime Hires so 100 000 vzorkami ADC a dĺžkou filtra 25 je znázornený priebeh 4 000 bodov (každá skupina 25 vzorkovacích bodov ADC sa zpriemeruje do jedného bodu). Ak sa užívateľ pokúsi nastaviť rozsah Teka, aby získal 100 000 vzoriek ADC a zobrazil Hires akvizíciu 99 975 bodov, potom by Hires reálne nemala žiadny efekt. Hires musí dekantovať dĺžku záznamu ADC minimálne o faktor 2, pričom na vytvorenie nového bodu potrebuje v priemere minimálne 2 vzorky ADC.

Prehľad ERES

• Matematická funkcia, ktorá vytvára nový filtrovaný priebeh výpočtom na vzorkách ADC;

• Filtračné koeficienty sú zvonovité;

• Rovnako ako pri všetkých filtroch odstráni eres časť skutočného obsahu signálu;

Výhody funkcie eres

• Pôvodný signál ADC je stále k dispozícii na zobrazenie aj meranie;

• Zachováva širšiu šírku pásma ako Boxcar filter;

• Osciloskop umožňuje používateľovi ovládať dĺžku filtra, extra rozlíšenie a novú šírku pásma;

• Iné funkcie matematiky môžu byť aplikované pred alebo po eres;

• Nespôsobuje posun v čase charakteristík priebehov;

• Nemôže spôsobiť falošné preslehy, falošné prekročenia;

Nevýhoda funkcie ERES

• Pri dĺžke filtra N je krivka eres kratšia o N krivky ADC;

• Vyžaduje si značný výpočtový výkon;

Prehľad HiRes

• Režim akvizicie, ktorý nahradí vzorky ADC novým filtrovaným priebehu;

• Každá skupina N vzoriek ADC vytvorí jeden bod nového tvaru vlny cez Boxcar filter;

• Rovnako ako u všetkých filtrov odstráni Hires časť skutočného obsahu signálu;

Výhody funkcie Hires

• Je potrebné veľmi málo výpočtového výkonu;

Nevýhody funkcie Hires

• Pôvodné vzorky ADC sú stratené, nie sú k dispozícii na zobrazenie alebo meranie;

• Pre dĺžku filtra N, Hires krivka dekantuje vzorky ADC o faktor N;

• Môže spôsobiť efekt falošných preslechov;

• Znižuje šírku pásma rýchlejšie (vzhľadom na extra bity vertikálneho rozlíšenia), než filter tvaru zvona;

• Osciloskop neumožňuje používateľovi ovládať dĺžku filtra, extra rozlíšenie alebo novú šírku pásma;

• Žiadna matematická funkcia nemôže byť použitá pred HiRes.

• HiRes môže spôsobiť zmenu času signálnych funkcií.

Záverečná poznámka

Pamätajte, že všetky filtre menia tvar vlny. Ak je vaša základná túžba vidieť priebeh signálu čo najjasnejšie, najlepšie riešenie je získať ho s čo najmenej pridaným šumom z procesu nakvizicie.

Pamätajte, že odstránenie šumu použitím filtra môže viesť k omylu, ak rozsah vykonáva akýkoľvek typ merania kvality signálu, pretože váš filter odstránil časť signálu. Samozrejme to zahŕňa merania ako je pomer signálu ku šumu, očné diagramy a merania vibrácií, kde primárnym zdrojom vibrácií je často vertikálny šum v signáli. Filter však môže tiež ovplyvňovať meranie šírky impulzu, času stúpania, prekročenia a iných signálnych vlastností, pretože šum na okraji ovplyvňuje jeho polohu.

Zdroje:

[1] DesignCon 2017 UnderstandingVertical Resolution in Oscilloscopes

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

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.

Ďalši diel / Všetky diely