CC BY
51Повышение эффективного разрешения
и снижение шума осциллографа
Дже-Йонг ЧАнг (Jae-Yong CHANG)
При проведении ряда измерений с помощью осциллографа необходимо измерять значения в большом динамическом диапазоне, и в то же время требуется высокое разрешение для регистрации малых изменений параметра.
Например, вы можете использовать осциллограф для измерения больших напряжений в сети питания переменного тока, одновременно нуждаясь в системе, реагирующей на малые изменения напряжения. Или вы можете измерять большой размах напряжения между истоком и стоком ключевого транзистора в импульсном источнике питания, желая при этом узнать и малое напряжение на транзисторе в открытом состоянии. В таких случаях, как правило, недостаточно разрешения 8 бит, предлагаемого обычными цифровыми осциллографами. Для измерения параметра с разрешением более 8 бит и меньшим шумом вместо внешнего АЦП с высоким разрешением можно использовать встроенный режим высокого разрешения или режим усреднения самого осциллографа (рис. 1).
Режим обычного усреднения
Для получения разрешения более 8 бит современные цифровые осциллографы ис-
пользуют два метода, основанные на сходных математических аппаратах. Первый из них заключается в применении обычного усреднения (рис. 2). Для режима обычного усреднения необходим периодически повторяющийся сигнал. Алгоритм режима усреднения выполняет усреднение точек в одном временном слоте, полученных за несколько захватов. Используя математический алгоритм усреднения точек, можно повысить эффективное разрешение по вертикали. Сколько же усреднений нужно сделать для получения каждого дополнительного бита разрешения по вертикали? Один дополнительный бит разрешения по вертикали получается в результате усреднения четырех выборок. В итоге получаем такую формулу:
Число дополнительных бит = 0,5 log2N,
где N — число усредненных выборок.
Например, усреднение по 16 выборкам даст улучшение:
Число бит = 0,5log216 = 2.
Следовательно, эффективное разрешение по вертикали будет равно 8+2 = 10 бит. Рассмотрим варианты усреднения 8-битовых выборок:
• 4 усреднения = 9-битовая выборка;
• 16 усреднений = 10-битовая выборка;
• 64 усреднения = 11-битовая выборка;
• 256 усреднений = 12-битовая выборка. Этот алгоритм дает наилучший результат
примерно при 12 битах разрешения по вертикали, поскольку затем начинают сказываться другие факторы, такие как погрешность вертикального усиления или смещения осциллографа. Преимущество режима усреднения заключается в том, что он не ограничивает реально-временную полосу пропускания осциллографа. Недостаток режима усреднения — в том, что ему необходим периодический сигнал, и он снижает скорость обновления осциллограммы, поскольку процессору осциллографа приходится делать больше расчетов (рис. 3).
в jaw а І В г [і.Оі б MDI.' T'ig'd і II 1UV
Рис. 1. Осциллограмма напряжения между затвором и истоком транзистора импульсного источника питания в обычном режиме захвата
Q 50 DV.* $ В В ґ ОСЬ 5.QQDL' Tmg'd ? Ц \Ш
Рис. 2. Осциллограмма напряжения между стоком и истоком в режиме обычного усреднения (256 усреднений)
Выборка 1 Выборка 2 Выборка 3 Выборка 4
Рис. 3. Режим обычного усреднения
Рис. 5. Осциллограмма напряжения между стоком и истоком в режиме высокого разрешения
Режим высокого разрешения
Второй метод усреднения, используемый в цифровых осциллографах и не требующий периодически повторяющегося сигнала, называется режимом высокого разрешения (рис. 4). Современные осциллографы, такие как InfiniiVision 5000, 6000 и 7000 компании Agilent, обеспечивают в режиме обычного захвата 8 бит вертикального разрешения (как и большинство других цифровых осциллографов). Однако в режиме высокого разрешения они обладают разрешением до 12 бит в режиме реального времени, что снижает шум и повышает разрешение по вертикали (рис. 5).
Вместо того чтобы усреднять точки нескольких осциллограмм, попадающие в один временной слот, как в режиме обычного усреднения, режим высокого разрешения усредняет последовательные точки в пределах одной осциллограммы. В режиме высокого разрешения нельзя непосредственно контролировать число усреднений, как это делается в режиме обычного усреднения. В этом случае число дополнительных бит разрешения по вертикали зависит от установленной скорости развертки осциллографа.
При медленных развертках осциллограф последовательно фильтрует точки и выводит отфильтрованные результаты на дисплей. С ростом объема экранной памяти растет и число усредняемых точек. Режим высокого разрешения не эффективен при высокой скорости развертки, когда число точек на экране становится небольшим. Больший эффект он имеет на малых скоростях развертки, когда число точек на экране велико.
Как получить разрешение 12 бит
В режиме высокого разрешения (рис. 6) осциллографов серии Agilent InfiniiVision разрешение по вертикали меняется с изменением скорости развертки, как представлено в таблице (при частоте дискретизации 4 Гвыб/с).
Для повышения разрешения до 12 бит в режиме высокого разрешения осциллограф выполняет усреднение не менее чем по 16 последовательным выборкам. Ниже показано, как это работает. Дополнительный бит разрешения получается при усреднении каждых двух выборок:
(1+2)/2 = 1,5 (дает 1 дополнительный бит).
Применяя это уравнение к 8-битному осциллографу, получим:
• (8-битовая выборка + 8-битовая выборка)/ /2 = 9-битовая выборка;
• (9-битовая выборка + 9-битовая выборка)/ /2 = 10-битовая выборка;
• (10-битовая выборка + 10-битовая выборка)/ /2 = 11-битовая выборка;
• (11-битовая выборка + 11-битовая выборка)/ /2 = 12-битовая выборка (потребовалось шестнадцать 8-битовых выборок).
Таким образом, для получения разрешения 12 бит мы сложили 16 последовательных выборок и затем разделили сумму на 16. Такой процесс называют прореживанием. В результате получается 12 бит полезных данных. Однако обратите внимание, что это биты разрешения без учета погрешности.
Таблица. Изменение разрешения по вертикали в зависимости от скорости развертки
Скорость развертки Разрешение, бит
<100 нс/дел. 8
500 нс/дел. 9
2 мкс/дел. 10
10 мкс/дел. 11
>50 мкс/дел. 12
о
\о
І 5
1 * Q. h-
3 0.
<D
Q_ ВО
о
Скорость развертки
Рис. 6. Зависимость вертикального разрешения от скорости развертки в режиме высокого разрешения
Эффективность режима высокого разрешения зависит от характеристик преобладающих источников шумов, которые поступают из самого осциллографа или из внешних измеряемых цепей. Другими словами, лучшее разрешение получается в присутствии белого шума. Если сигнал не зашумлен, вы можете не получить большего разрешения.
Большинство применяемых в осциллографах АЦП имеют разрешение 8 бит при 8-битной дифференциальной нелинейности ф^) и 8-битной интегральной нелинейности (1№). Погрешность DNL определяется как разность между реальной шириной шага и идеальным значением наименьшего значащего бита (Ь5В). Погрешность 1№ описывается как отклонение реальной передаточной функции от прямой линии (выраженное в LSB или в процентах от полного диапазона (FSR)). Захват зашумленного сигнала с высоким разрешением улучшает параметр DNL, но не влияет на 1№. Пробники и входные предусилители осциллографа откалиброваны таким образом, чтобы получить погрешность в несколько процентов, поэтому именно они оказывают основное влияние на интегральную нелинейность.
Когда использовать режим высокого разрешения, а когда — режим обычного усреднения
В отличие от обычного усреднения, при котором усредняются точки нескольких осциллограмм, в режиме высокого разрешения усредняются соседние точки одной осциллограммы. К однократным захватам обычное усреднение неприменимо, поскольку ему требуется несколько захватов периодического сигнала. Кроме того, режим высокого разрешения работает значительно быстрее обычного усреднения и требует большего объема памяти. Тем не менее режим высокого разрешения уменьшает полосу сигнала, тогда как обычное усреднение — нет. Ниже приведены краткие рекомендации по применению описанных режимов усреднения.
Используйте режим высокого разрешения для снижения шума сигнала в следующих случаях:
• для однократных и редко повторяющихся сигналов;
• для сигналов, полученных в результате одного захвата при скорости развертки от медленной до средней;
• для сигналов, требующих большого объема памяти для получения высокой частоты дискретизации;
• для сигналов, ширина полосы которых не имеет большого значения.
Используйте режим обычного усреднения для снижения шума сигнала в следующих случаях:
• для периодических сигналов;
• для сигналов, не требующих большого объема памяти;
• при высоких скоростях развертки;
• для сигналов, полосу которых уменьшать нельзя.
Заключение
Режим высокого разрешения позволяет получить больше информации в тех случаях, когда АЦП осциллографа может обработать сигнал быстрее, чем того требует установленная скорость развертки. В этом случае для получения одной точки осциллограммы выполняется усреднение нескольких последовательных выборок в пределах одной осциллограммы. Результатом является снижение шума и повышение разрешения медленно изменяющихся сигналов. В режиме усреднения осциллограф сохраняет выборки каждой осциллограммы, как и в обычном режиме. Затем он усредняет точки нескольких последовательных осциллограмм для получения конечной отображаемой осциллограммы. Режим усреднения снижает шум без ущерба для полосы, но применим лишь к периодически повторяющимся сигналам. ■
