Osciloskopy s 16bitovým vertikálním rozlišením

Zobrazte více s vertikálním rozlišením až 16 bitů. Osciloskopy R&S RTO a R&S RTE s doplňkem pro režim vysokého rozlišení zvyšují vertikální rozlišení 256násobně.

Vertikální rozlišení je u osciloskopů, vedle šířky pásma, vzorkovací rychlosti a kapacity paměti, stále častěji považováno za klíčový parametr. Tento vývoj je dán rostoucími požadavky na detaily zobrazení, se kterými se setkáváme například v oblastech výroby a vývoje spotřební elektroniky nebo lékařské techniky. Specifickou výzvou je měření nízkonapěťových složek signálu s úrovněmi řádově ve stovkách milivoltů, které jsou superponovány na signály s velkou amplitudou.

Zvyšování vertikálního rozlišení s využitím zisku filtru

Vertikální rozlišení osciloskopu určuje, jak detailně budou signály zobrazovány. Ještě před několika lety měly osciloskopy běžně vertikální rozlišení 8 bitů. Avšak pokud mají měřené signály velký dynamický rozsah – tj. obsahují signály s malou i velkou amplitudou, přičemž je třeba oba signály zachytit věrně – nemusí být 8bitové rozlišení dostatečné. To je důvod, proč technici vyžadují osciloskopy s vyšším rozlišením.

Jednou z možností jak zvýšit vertikální rozlišení je použití A/D převodníků, které mají na výstupu více než 8 bitů. Druhou možností je pak použití algoritmů následného digitálního zpracování. Firma Rohde & Schwarz ve svých osciloskopech R&S RTO a R&S RTE využila druhý z uvedených přístupů. Výsledkem je 256násobné navýšení počtu kvantizačních hladin naměřených dat, což odpovídá použití 16bitového A/D převodníku. Tohoto navýšení je dosaženo pomocí digitálního filtrování dolní propustí. Funkce digitálního filtru je implementována v obvodu ASIC (Application Specific Integrated Circuit), který je zařazen ihned za blok A/D převodníku (obr. 1).

Dolní propust potlačuje šum, tím zvyšuje odstup signálu od šumu, a dochází tak k navýšení vertikálního rozlišení. Její šířku pásma můžete nastavit podle potřeby od 10 kHz do 1 GHz tak, aby nedocházelo ke zkreslování měřeného signálu. Tabulka 1 popisuje vztah mezi zvolenou šířkou pásma filtru a dosaženým rozlišením výstupních dat. Čím menší bude šířka pásma filtru v porovnání s šířkou pásma přístroje, tím větší bude rozlišení a omezení šumu (obr. 2) To je ilustrováno spektrem na obrázku 3, kde fa je vzorkovací kmitočet osciloskopu, fBje šířka pásma dolní propusti a S(f) je požadovaný signál. Budeme-li předpokládat čistě aditivní bílý šum (AWGN – Additive White Gaussian Noise), což je pro A/D převodníky vysoké kvality docela dobrá aproximace, a ideální filtr typu dolní propusti, platí pro zisk v odstupu signálu od šumu následující vztah:

SNRgain = 10 · log(fa/2fB)

Podrobnější detaily signálu a přesnější naměřené výsledky

Zvýšení rozlišení vede k ostřejšímu zobrazení průběhů, které umožňuje odhalit takové detaily signálů, které by jinak byly překryty šumem a zůstaly neodhaleny. Osciloskopy R&S RTO a R&S RTE nabízejí zvýšenou vstupní citlivost 500 μV/dílek, aby umožnily podrobnou analýzu popisovaných velmi malých signálů. Nízkošumový vstupní díl a velmi přesný jednojádrový A/D převodník, kterými jsou osciloskopy R&S RTO a R&S RTE vybaveny, zaručují vynikající dynamický rozsah a vysokou přesnost měření. Přechod do režimu vysokého rozlišení vám umožní těžit z výhod mnohem detailnějších výsledků měření, jak je patrné z obrázků 4 a 5.

Spouštění v reálném čase nejdrobnějšími detaily signálu

Vyšší rozlišení u osciloskopů vybavených režimem vysokého rozlišení umožňuje odhalit i ty nejjemnější detaily signálu. Možnost využít tyto detaily pro spouštění tak, aby se spolehlivě zobrazily na monitoru, výrazně závisí na vlastnostech spouštěcího systému. Digitální systém spouštění vyvinutý společností Rohde & Schwarz je dostatečně citlivý na to, aby mohl těžit ze signálů s vysokým rozlišením. Každý ze 16bitových vzorků je porovnáván se spouštěcími podmínkami a může vyvolat spuštění měření (viz obr. 1). Jak je patrné z obrázku 6, spouštěcí systém osciloskopu je schopen reagovat i na nejmenší úrovně signálu a izolovat příslušné spouštěcí události tak, aby mohla být provedena podrobnější analýza. Tradiční analogové systémy spouštění naproti tomu nedokážou využít ke spouštění signály s vysokým rozlišením, protože jsou v cestě spouštěcího signálu překryté hysterezí analogových součástek.

Režim vysokého rozlišení versus redukce dat v režimu HiRes

Doplněk pro režim vysokého rozlišení, kterým jsou osciloskopy Rohde & Schwarz vybaveny, nabízí podstatné výhody v porovnání s redukcí dat v režimu HiRes, která je podporována většinou osciloskopů na trhu. Za prvé, díky explicitnímu filtrování dolní propustí víte přesně, jaká šířka pásma signálu je k dispozici. Za druhé, neexistují žádné neočekávané projevy zrcadlení (aliasingu). Režim vysokého rozlišení není založen na redukci dat. To znamená, že osciloskopy R&S RTO zachovávají dokonce i v režimu vysokého rozlišení vzorkovací kmitočet 5 Gvz./s, resp. 2,5 Gvz./s u osciloskopů R&S RTE, a to zaručuje nejlepší možné rozlišení v časové oblasti. Režim vysokého rozlišení vám umožňuje využít ke spouštění signály se zvýšeným rozlišením, zatímco redukce dat HiRes se uplatňuje až za jednotkou spouštění.

Vysoká rychlost sběru dat a řada funkcí pro rychlé získání výsledků měření

Osciloskopy R&S RTO a R&S RTE dokonce ani v režimu vysokého rozlišení nijak neomezují rychlost měření ani dostupné volby. Filtrování dolní propustí, které zlepšuje rozlišení a omezení šumu, je implementováno v obvodu ASIC (Application Specific Integrated Circuit) osciloskopu v reálném čase, a proto zůstává vysoká rychlost jak sběru dat, tak jejich zpracování. Osciloskopy zaručují plynulou činnost a velmi rychlou dostupnost výsledků měření. Všechny analyzační funkce, včetně automatického měření, FFT nebo režimu History, lze používat také v režimu vysokého rozlišení.

Příklady aplikací měření RDS(on) stejnosměrného měniče

Nedílnou součástí moderních elektronických zařízení jsou spínané napájecí zdroje. Přenášejí elektrickou energii ze zdroje do spotřebiče a současně mění velikost napětí a proudů tak, že jednotlivé komponenty jsou napájeny správným napětím. Jedním z kritérií pro klasifikaci spínaných napájecích zdrojů je typ vstupního a výstupního napětí. Stejnosměrný měnič například převádí stejnosměrné napětí na svém vstupu na jiné stejnosměrné napětí, které je buď vyšší (zvyšovač napětí), nebo nižší (snižovač napětí) než napětí vstupní. Stejnosměrné měniče mají celou řadu aplikací, počínaje napájecími zdroji počítačů nebo notebooků přes mobilní telefony až po automobily. Pracují s vysokým kmitočtem spínání, a proto se jako spínací prvky typicky používají tranzistory MOSFET (polem řízené tranzistory s hradem izolovaným oxidem), i když účinnost tranzistoru přirozeně je klíčovým faktorem. Výkonové ztráty musejí být co nejmenší, bez ohledu na typ tranzistoru. Z tohoto hlediska je klíčovým parametrem odpor RDS(on). Pokud je tranzistor v sepnutém stavu, chová se jako klasický rezistor s určitým odporem, který je zapojen mezi zdroj a zátěž. Velikost tohoto odporu, která závisí na pracovním bodě tranzistoru, určuje výkonové ztráty měniče.

Odpor RDS(on)stejnosměrného měniče se vypočítává z odebíraného proudu a úbytku napětí na měniči. Obě veličiny tedy musejí být měřeny přesně. Měření úbytku napětí osciloskopem je obzvláště náročné. Je-li tranzistor v sepnutém stavu, je na něm velmi malé napětí, řádově několik stovek milivoltů. Na tranzistoru ve vypnutém stavu jsou naopak velmi vysoká napětí. Rozdíly napětí na tranzistoru v sepnutém a vypnutém stavu mohou v extrémních případech dosáhnout až několika set voltů. Jak je patrné z obrázků 7 a 8, je pro přesné měření malých napětí potřeba vysokého rozlišení, vyššího než 8 bitů.

Horní polovina obrázku 7 ilustruje kompletní cyklus spínání tranzistoru MOSFET, v dolní části je zvětšená část zobrazení úbytku napětí na tranzistoru, který se měří. Průběhy byly zaznamenány s vertikálním rozlišením 8 bitů. Šumová složka signálu je příliš velká na to, aby umožňovala spolehlivé měření úbytku napětí. Naproti tomu se po přepnutí osciloskopu R&S RTO do režimu vysokého rozlišení a po použití vertikálního rozlišení 16 bitů podstatně omezí šum a dosáhne ostřejšího zobrazení průběhů, což umožní odhalit více detailů (obr. 8). To zaručí přesné výsledky měření a umožní vypočítat RDS(on) měniče.

Zde je nutné, v zájmu úplnosti, zdůraznit, že v tomto příkladu byla pro měření odebíraného proudu použita Rogowskiho cívka. Tato cívka umožňuje měřit pouze střídavé komponenty signálu, což znamená, že průběh proudu na obrazovce osciloskopu musí obsahovat stejnosměrnou složku. Správnou hodnotu RDS(on)proto nelze získat prostým podělením příslušné hodnoty napětí odpovídající hodnotou proudu. Je nutné použít diferenciální přístup. Když je tranzistor v sepnutém stavu, zvyšuje se v daném časovém intervalu úbytek napětí i odebíraný proud téměř neustále. Na obrázku 9 je uvedeno, že se odpor RDS(on)proto vypočítává z hodnot ΔuDSa ΔiDurčených pro tento časový interval.

Shrnutí

Osciloskopy s vysokým rozlišením se používají pro aplikace, které vyžadují zvýšené vertikální rozlišení. To jsou především případy, kdy měřené signály mají velký dynamický rozsah. Flexibilní metodou dosažení vysokého rozlišení je následné digitální zpracování. Režimy vysokého rozlišení osciloskopů R&S RTO a R&S RTE umožňují dosáhnout rozlišení až 16 bitů. Podrobnosti na signálu, které by jinak zůstaly neodhaleny kvůli šumu, jsou nyní jasně patrné a zaručují dosažení přesnějších výsledků měření. Digitální systém spouštění dokonce umožňuje spouštět měření těmito detaily na signálu, aby se izolovaly jednotlivé události. Každá základní jednotka osciloskopu je vybavena doplňkem pro režim vysokého rozlišení R&S RTO-K17 nebo R&S RTE-K17. Řešení lze flexibilně upravit tak, aby vyhovovalo požadavkům specifických úloh. Můžete těžit jednak jak z velké šířky pásma (až 4 GHz u osciloskopu R&S RTO nebo až 2 GHz u modelu R&S RTE), tak z vyššího vertikálního rozlišení v režimu vysokého rozlišení.

Autor: Sylvia Reitz je produktovou manažerkou pro osciloskopy ve společnosti Rohde & Schwarz v Mnichově.