Измерение очень слабых сигналов может быть сложной задачей, поскольку возможность их наблюдения зависит не только от шума осциллографа, но и от его конфигурации и используемого щупа. Семь описанных ниже методов помогут вам увидеть с помощью осциллографа сигналы меньшей интенсивности, чем те, которые вы видели раньше.
1. Начните с осциллографа с низким уровнем шума.
Хотя производитель осциллографа не влияет на другие описанные методы просмотра слабых сигналов, наличие осциллографа с низким уровнем шума крайне важно для получения изображения малых токов и напряжений. Вы не сможете увидеть детали сигнала, размер которых меньше уровня шума осциллографа.
Как быстро проверить уровень шума конкретного осциллографа? Большинство производителей осциллографов указывают уровень шума каждой модели и включают это значение в техническое описание продукта. Если это не относится к вашему осциллографу, вы можете запросить эту информацию у производителя или узнать её самостоятельно. Измерение займет всего несколько минут. Отключите все входы на передней панели осциллографа и установите входной сигнал осциллографа на 50 Вт. Вы также можете провести тест с сигналом 1 МВт. Включите достаточный объем памяти сбора данных (от 100 тыс. точек до 1 Мт), используйте осциллограф с бесконечной задержкой и наблюдайте за толщиной результирующего сигнала. Чем толще сигнал, тем больше шума генерирует осциллограф внутри себя.
Для каждого канала осциллографа будет характерен уникальный уровень шума в зависимости от вертикальной конфигурации. Шум можно оценить визуально, наблюдая за толщиной осциллограммы, или же использовать более аналитический подход, проведя измерение среднеквадратичного напряжения (Vrms) для его количественной оценки. Постройте график, подобный показанному на рисунке 1. Эти измерения позволят определить уровень шума, генерируемого каждым осциллографом в различных вертикальных конфигурациях. Очевидно, что измерить сигналы ниже уровня шума осциллографа не удастся.
В настоящее время на рынке представлено несколько осциллографов с разрешением более 8 бит. Какова ценность этих дополнительных битов? При достаточно высоком соотношении сигнал/шум (SNR) чем выше количество бит в аналого-цифровом преобразователе (АЦП), тем мельче детали сигнала можно увидеть. Шум обычно является одним из основных факторов, ограничивающих эффективность дополнительных битов разрешения.
2. Увеличьте осциллограммы для достижения максимального разрешения АЦП
. Разрешение — это минимальный уровень квантования осциллографа. 8-битный АЦП может кодировать аналоговый вход в 256 различных уровней, поскольку 2⁸ = 256. АЦП работает с вертикальным значением полной шкалы осциллографа. Следовательно, шаги уровня Q связаны с вертикальным значением полной шкалы осциллографа. Если пользователь устанавливает вертикальное значение на 100 мВ на деление, то полное отображение соответствует 800 мВ (8 делений * 100 мВ/дел), а разрешение уровня Q равно 3125 мВ/уровень (800 мВ, разделенных на 256 уровней).
Увеличение осциллограммы до полного заполнения экрана осциллографа позволяет более эффективно использовать встроенный АЦП. Если увеличить сигнал до половины вертикального экрана, количество используемых битов АЦП уменьшится с 8 до 7. Если сигнал увеличится до четверти вертикального экрана, количество используемых битов АЦП уменьшится с 8 до 6. Чтобы использовать все 8 бит АЦП осциллографа, увеличьте осциллограмму до полного заполнения вертикального экрана. При этом, не снимая осциллограмму с экрана, используйте наиболее чувствительную настройку вертикального масштабирования.
Многие производители осциллографов предлагают пользователям возможность добавления нескольких сеток к прибору. Цель состоит в том, чтобы позволить пользователям просматривать отдельные осциллограммы, а не перекрывающиеся. На каждой сетке можно разместить и увеличить одну или несколько осциллограмм, что упрощает просмотр экрана осциллографа. С сеткой, подобной показанной на рисунке 2, каждую осциллограмму можно увеличить до ее полного вертикального значения.
Можно ли наблюдать слабые сигналы с помощью АЦП с большим количеством разрядов? Теоретически, да. На практике же осциллографы с 12-битными АЦП демонстрируют уровень шума на самых низких уровнях квантования. Следовательно, 4096 доступных уровней не могут быть использованы в полной мере, поскольку младшие разряды представляют собой просто шум квантования. 8-битные АЦП, работающие в режиме высокого разрешения, достигают уровня шума, аналогичного уровню шума осциллографов с 12-битными АЦП. Это происходит потому, что шум квантования маскируется входным шумом осциллографа.
3. Используйте все возможности динамического диапазона осциллографа, доступного вне экрана.
Увеличение масштаба осциллограммы для использования всего 8-битного диапазона АЦП осциллографа — хорошая идея. Но почему бы не увеличить масштаб еще больше? Если слишком большая часть сигнала остается выше или ниже вертикальных пределов отображения осциллографа, АЦП насытится. В состоянии насыщения АЦП перестает выдавать достоверные показания. Осциллографу требуется неопределенное количество времени для восстановления после насыщения, и измерения, выполненные в течение этого времени восстановления, будут недействительными.
Производители осциллографов указывают динамический диапазон за пределами экрана. Это значение обычно выражается как количество делений, на которое сигнал может сместиться выше или ниже пределов экрана без насыщения осциллографа. Этот метод предоставляет пользователям дополнительное вертикальное масштабирование для повышения вертикального разрешения той части сигнала, которая отображается на экране. На рисунке 3 показан пример, где пользователь собирался удвоить вертикальное разрешение, сместив сигнал на 4 деления за пределы экрана, а затем отрегулировав вертикальные настройки для удвоения разрешения.
4. Используйте математические функции, такие как увеличение, чтобы расширить вертикальное изображение.
После того, как вы использовали максимальное количество бит АЦП осциллографа, следующим шагом будет увеличение масштаба
изучаемого события.
Для сигналов с высоким динамическим диапазоном полезно создать функцию, которая увеличивает интересующую вас часть осциллограммы.
Практически все современные осциллографы оснащены одной или несколькими математическими функциями или позволяют увеличивать окна таким образом, чтобы увеличенное окно включало независимые вертикальные и горизонтальные шкалы от шкал основного окна.
Например, чтобы увеличить изображение с помощью функции, назначьте функцию, которая увеличивает канал 1 осциллографа. Пользователь может изменить положение и масштаб функции увеличения, как показано на рисунке 4. Таким образом, в главном окне отображается вся осциллограмма, а функция увеличения увеличивает исследуемую область. Математическая (масштабирующая) функция не обеспечит лучшего разрешения, чем то, которое генерируется осциллографом с осциллограммой канала, но увеличение позволит увидеть детали, которые было бы невозможно наблюдать на полной осциллограмме.
5. Используйте режим высокого разрешения для снижения шума.
Все ведущие производители предлагают осциллографы с режимом высокого разрешения. Этот режим увеличивает разрешение в битах, одновременно снижая уровень шума. В этом режиме АЦП выполняет передискретизацию, а затем применяет фильтр. Обычно для усреднения промежуточных передискретизаций используется фильтр типа «прямоугольный импульс». На многих осциллографах режим высокого разрешения позволяет пользователю задавать разрешение в битах, которое определяет длину каждого фильтра типа «прямоугольный импульс». Например, если режим высокого разрешения включен на осциллографе с 8-битным АЦП и установлен на 11 бит, каждый фильтр типа «прямоугольный импульс» будет состоять из 8 (2³) точек выборки АЦП.
Фильтр прямого скольжения (DSP boxcar) усредняет выборки и сохраняет полученное среднее вертикальное значение в памяти осциллографа в качестве частоты дискретизации, отображаемой на экране осциллографа. Эта технология статистически устраняет значительную часть внутреннего шума осциллографа, как показано на рисунке 6. Наиболее важным свойством режима высокого разрешения является его способность снижать общий уровень шума осциллографа. Режим высокого разрешения может снизить внутренний шум осциллографа в три раза.
Недостатками режима высокого разрешения являются уменьшенная полоса пропускания и снижение производительности. Поскольку осциллографу приходится выполнять больше задач обработки с помощью фильтров DSP, частота обновления снижается.
6. Ограничьте полосу пропускания, чтобы уменьшить шум.
Уменьшение входной полосы пропускания осциллографа устраняет широкополосный шум, который может ухудшить способность осциллографа отображать слабые сигналы. В идеале, полосу пропускания следует устанавливать всего на 1 Гц выше требуемой осциллографом. Если все остальные характеристики идентичны, то при просмотре синусоидального сигнала с частотой 10 МГц осциллограф с частотой 11 МГц будет работать лучше, чем осциллограф с частотой 50 ГГц. Почему? Потому что более высокая полоса пропускания вносит больше широкополосного шума.
Многие осциллографы оснащены регулировкой полосы пропускания. Для наблюдения слабых сигналов минимизируйте шум осциллографа, установив полосу пропускания на минимальное значение, соответствующее вашим критериям измерения. Если ваш осциллограф не имеет регулируемой полосы пропускания, другой способ ограничения полосы пропускания — использование режима высокого разрешения.
В противном случае осциллограф позволит вам выбрать между ограничением полосы пропускания с помощью аппаратного или программного обеспечения. Рекомендуется аппаратное ограничение полосы пропускания, поскольку это поддерживает высокую скорость отклика осциллографа, тогда как программные методы требуют дополнительной обработки.
7. Вычисление среднего значения при повторяющихся сигналах.
Осциллографы имеют еще один режим, называемый усреднением. Включение усреднения заставляет осциллограф вычислять среднее значение вертикальных величин каждой захваченной осциллограммы с вертикальными величинами последовательных осциллограмм. Осциллографы позволяют пользователю указать, сколько осциллограмм нужно усреднить. Усреднение — это еще один метод, позволяющий пользователям уменьшить шум осциллографа. В отличие от режима высокого разрешения, который использует методы передискретизации, усреднение не работает с однократными измерениями. Усреднение требует повторяющегося сигнала и позволяет обнаруживать любые редкие аномалии. Этот метод уменьшает шум осциллографа и обеспечивает лучшую визуализацию слабых сигналов.
Автор:
Автор: Джоэл Вудворд, старший менеджер по продукции, подразделение осциллографов, Agilent Technologies
