CC BY
314
Решение проблем с шумами осциллографа при проведении точных измерений
Рассматриваются методы, которые могут быть использованы для сбора, отображения и измерения сигналов с максимальной точностью при помощи цифровых осциллографов. Сложности исследования сигналов с высоким уровнем шума, низким соотношением сигнал/шум и прикладные задачи в сфере медицинского оборудования, и прочие специфичные высокочастотные исследования, требуют использования нового поколения осциллографов с высоким разрешением.
Сергей Корнеев,
Цифровой осциллограф в настоящее время стал самым мощным и часто используемым инструментом для инженеров-разработчиков при тестировании и ремонте электронных устройств. Поскольку характеристики электронных устройств становятся лучше с каждым новым поколением, требования к спецификации таких устройств становятся более жесткими, это требует высокой точности измерений.
Проблема точных измерений ВЧ-сигналов
Все цифровые осциллографы реального времени включают широкополосный усилитель и АЦП. Поскольку сигнальные скорости стали выше, соответственно возросли требования к пропускной способности и скорости сбора данных. Однако собственный шум широкополосного усилителя имеет тенденцию увеличиваться с квадратным корнем пропускной способности. В ряде случаев это становится проблемой. Никакой инженер не хочет провести свое время, исследуя качество сигнала его устройства, и позже обнаружить, что он фактически исследовал шум, добавленный к его сигналу в процессе обработки данных осциллографом.
Решения
Рассмотрим, какие же методы предлагают производители осциллографов для решения задачи точных измерений зашумленного сигнала.
1. Самое очевидное решение состоит в том, чтобы использоватьдля измерений цифровой осциллограф с широкой полосой пропускания малым собственным шумом и высокой частотой дискретизации. Наиболее востребованным сегментом являются модели осциллографов с полосой пропускания до 500 МГц.
Некоторые приложения требуют немного большей или обходятся меньшей полосой пропускания.
Эту задачу успешно решила компания LeCroy, выпустив серию осциллографов Wave Runner HRO 6 Zi (рис. 1), которая включает две модели с полосами пропускания 400 и 600 МГц. Эти осциллографы имеют входной усилитель с очень низким уровнем шума и быс-тродействуюшее АЦП с частотой дискретизации 2 ГГц и вертикальным разрешением 12 бит. Данные модели осциллографов имеют соотношение сигнал/шум не хуже 55 дБ, что по сравнению с 35 дБ для 8-битньх осциллографов, дает более четкое отображение сигнала во
временной и частотных областях. Это также добавляет точность в статистической обработке, уменьшая влияние собственных шумов прибора при поиске кратковременных импульсов или построении гистограмм распределения значений параметра. Пользователь может характеризовать свой фактический сигнал с очень маленьким воздействием от входного усилителя.
Конечно, до появления серии Wave Runner HRO 6 Zi были осциллографы с разрешением АЦП более 8 бит, но все они имеют либо узкую полосу пропускания, либо недостаточную частоту дискретизации и достаточно ограниченный набор инструментов для анализа, таких как, БПФ, математика, измерения и режимы
Рис 1. Осциллограф Wave Runner HRO 6 Zi
File Vertical Timebase Trigger Display Cursors Measure Math Analysis Utilities Help
А
1 1 д А
/ \ / \ L \ /\ J А А Л —
у I \ / \/ \7 \7 V
W V v
V
500mVA*v £ 500 mVttv
OmV offset В 1 OOysAlv
1 000 t#
lOOpsJAv Normal 6Ô3mV
10.0 kS 1.0 OS* Edge Postfve
Average Zoom
Trace On !
Sourcel <v> Operator!
— —-1 Cl_f I Areraga |
accumulation stops аПег the specified number of sweeps
single dual W 9WX) Actions for trace Math
oi
Store
—<V—
Label Zoom
Sweeps Ю00
1000 sweeps processed
12/9/2005 1 27 12 PM
Рис. 2. Верхняя развертка - необработанные данные с АЦП. Нижняя развертка -1000-кратное усреднение. Уровень шума (от сигнала и от процесса сбора данных) значительно сокращены путем усреднения.
синхронизации. Осциллографы WaveRunner HRO 6 Zi предлагают полный набор аналитических инструментов для решения самых сложных исследовательских задач: анализатор спектра, 16 экранов отображения сигналов, допуско-вый контроль, анализ электрической мошности, анализ систем последовательной передачи данных, анализ джиттера и временных параметров, режим предыстории, синхронизация по результатам измерений, все виды измерений, режим WaveScan (поиск заданных участков сигнала в памяти осциллографа), XDEV (ссо-здание собственного пользовательского интерфейса) режим TriggerScan (захват и регистрация редких аномалий).
2. Усреднение. Математический буфер складывает значения N выборок и делит на количество выборок N. Когда требуемый уровень шумоподавления достигнут, пользователь может просмотреть форму усредненного сигнала и сделать измерения. Это — известный метод, доступный в большинстве осциллографов. Однако есть ряд ограничений на применение этого метода. Этот метод не работает при непериодическом и нестабильном сигнале. Измерения времени нарастания, длительности импульса, однократных импульсов и других параметров будут изменены удалением части сигнала. "Истинный" шум, который является частью сигнала, также будет удален.
3. Фильтрация. Аналоговые и цифровые фильтры встроены во многие модели осциллографов различных производителей. Этот метод не основывается на наличии периодического сигнала или на устойчивой синхронизации. Преимушества данного метода состоят в том, что пользователь может более гибко пользоваться настройками фильтра и удалять высокочастотный шум, оставляя низкочастотный. К тому же, в большинстве случаев, реальный сигнал может наблюдаться одновременно с пропу-шенным через фильтр.
На рисунке 2 и 3 представлены оба метода обработки сигнала — усреднение и фильтрация, примененные к одному и тому же сигналу.
При детальном рассмотрении обоих изображений, мы можем видеть отличие после обработки. Сигнал после усреднения выглядит более гладким. Тогда как после фильтрации мы можем заметить всплески и неровности, особенно заметные в середине экрана. Действительно ли эти перекрестные помехи существуют в реальном сигнале, или эти искажения добавлены фильтром? Как видно на рис. 3 — в параметрах фильтра задана частота среза 8 МГц. Фильтр пропускает более низкие частотные составляющие шума, которые и вызывают ухабистую структуру. Если бы фильтр был настроен
на более низкую частоту, то отфильтрованный сигнал, показанный на рис. 3, был ближе к усредненной форме, приведенной на рис. 2. Какой из двух представленных методов обработки сигнала более верный? Пользователь не знает. В данном случае исходная форма сигнала, поданного на вход осциллографа, была
гладкой. Однако, метод фильтрации сильно исказил форму сигнала. Фильтры удаляют шум осциллографа, но они также удаляют реальный сигнал.
Можно ли использовать в таком случае фильтры, чтобы оценить реальную форму сигнала. Ответ - можно, только если вы знаете
File Vertical Timebase Trigger Display Cursors Measure Math Analysis Utilities Help
I \ I \ f \ A r\ /\ vy учЛу J ' “ .1 - , <u -i^n. 1
\ I \ / w ‘V \rjr ' v> \.J Vr* I
v
SQOmVWrv
OmV offset
100us**v Stop 683mV
IWDkS ¡Edge Postrve
Sourcel Operatorl
Cl_________I Eres____________I
single dual l|x| g|f|x)
Summaiy
eres(C1)
Actions for tiace Math
КЗ К m
Measure Store Label |Zoom |
Enhanced resolution achieved through FR fierngusng welbehaved tiers, wth precakxMed noise gain
Enhance
by 3
laps in FIR = 106 -3dB @8 000 MHz
12/9/2005 1 28 50 PM
Рис. 3 . Тот же сигнал, что на рис.2. Нижняя развертка представляет однократный сбор данных без усреднения. Фильтр удаляет шум свыше 8 МГц как реальный, являющийся частью сигнала, так и приобретенный в процессе сбора данных
Рис. 4. Верхняя развертка — сигнал с источника питания. Средняя развертка — РИъ 5. О^ллофсгммы нтапряженмя исго^ига питания, снятые 8-бишым оо
увеличенный масштаб. Нижняя развертка — частотный анализ. циллографом [.еСгоу. Измерения показывают значение шума 160 мВпик-пик
Нижняя развертка — БПФ анализ
корректную форму исходного сигнала, прежде чем вы будете производить настройки фильтра.
Реальные измерительные задачи
1. Тестирование источника питания.
Рассмотрим реальный пример тестирования источника питания. Большинство инженеров не разрабатывает источники питания, но они должны проверять соответствие их параметров допустимым нормам или искать причину отказа. Любой источник питания, у которого есть очевидные отказы, может быть протестирован и отлажен на 8-битном осциллографе.
Плоский сигнал на верхней развертке при детальном рассмотрении (увеличение масштаба) показывает наличие очевидных проблем с шумами источника. Частотный анализ позволяет идентифицировать источник шума.
Следующий пример показывает исследование другого источника питания на осциллографе двух разных производителей.
Возможно, инженер, который протестировал бы этот источник с помощью двух различных осциллографов и получил одинаковый результат, пришел бы к выводу, что источник питания неисправен. Или он мог бы проанализировать частотный спектр и выявить причину шума. В любом случае, он впустую бы потратил свое время. Возможно, сравнив два частотных спектра с разных осциллографов, инженер пришел бы к выводу, что источники шумов имеют разную природу. Какой из осциллографов имеет более корректные показания? На этот вопрос нельзя ответить. Рисунок 7 разрешает все сомнения. Если бы источник питания был протестирован помощью осциллографов высокого разрешения. Результат измерения шума соста-
вил 50 мВ пикового значения, что вполне допустимо для источника питания данного типа. В предыдущих тестах 160 мВ пикового значения шума были шумом, добавленным 8-битным осциллографом. Частотный спектр показывает природу шума. Разная природа шумов в двух предыдущих моделях осциллографов объясняется различной схемотехникой входных усилителей различных производителей.
2. Измерение сигнала с низким
соотношением сигнал/шум.
Рассмотрим дугой пример — измерение сигнала характерного для сферы медицины. На рисунке 8 показан кардио-сигнал. В данном случае, 8-битного разрешения осциллографа, на котором была снята осциллограмма, недо-
Рис. 6. Осциллограммы напряжения источника питания, снятые 8-битным осциллографом другого производителя. Измерения показывают тоже значение шума 160 мВпик-пик
Рис. 7. Осциллограммы напряжения источника питания, снятые осциллографом высокого разрешения LeCroy Wave Runner HRO 6 Zi. Измерения показывают значение шума 50 мВпик-пик
Рис. 8. Сигнал, содержащий значительный шум, часть из которого относится Рис. 9. Аналогичный сигнал на том же осциллографе, но с применением
к реальному сигналу, а часть — шум, добавленный системой сбора. высокочастотной фильтрации
Нижняя развертка — увеличенное изображение
статочно чтобы рассмотреть мельчайшие пики на сигнале, несушие полезную информацию. Применение фильтрации (рис. 9) позволяет удалить высокочастотный шум и рассмотреть мелкие детали.
Как видно на рисунке 9 — шум уменьшился, но мы видим некие неровности. Что это — искажения сигнала фильтром или же реальные всплески в сигнале?
Тот же сигнал, полученный с помошью осциллографа высокого разрешения, представлен на рисунке 10. При увеличенном масштабе виден небольшой шум от входного усилителя осциллографа, но прежде всего, осциллограф дает четкое представление о форме сигнала. На рисунке 11 показан тот же сигнал на Wave Runner HRO 6 Zi, но уже с применением
высокочастотного фильтра.
Теперь мы четко видим, что после большого всплеска в центре экрана идет маленький отрицательный выброс.
Основной вывод, который инженеры давно усвоили — паразитный шум на входе - паразитный шум на выходе. Если осциллограф добавляет значительное количество шума к сигналу при сборе данных, то и после обработки, отображение и измерения сигнала, вероятно, будут неправильными. Такие инструменты как усреднение и фильтрация также будут малоэффективны. С другой стороны, если осциллограф получает чистый сбор данных, то намного более вероятно, что пользователь может применить аналитические возможности осциллографа и получить правильное заключение.
Как видим из представленных выше экспериментов, математические методы и другие способы увеличения четкости изображения, применяемые в 8-битных осциллографах, не всегда дают истинное представление о реальном сигнале. Если инженер должен сделать более точные измерения, наиболее простой способ сделать это состоит в том, чтобы получить сигнал с низким уровнем шума, используя осциллограф высокого разрешения.
Лучшим решением будет применение специальных технических решений, таких как 12-битные широкополосные осциллографы серии WaveRunner НЮ 6 2, позволяющие получить "чистые" данные.
Рис. 10. Кардио-сигнал, представленный на рисунках 8 и 9, но снятый Рис- 11 Кардао-^та^ ^учежш га том же гсцшюфафе Wave Rmner HRO
на осциллографе Wave Runner HRO 6 Zi 6 Zi' но в^окогастотш шум удолен фильтром
