8. Czy każdy oscyloskop ma zawsze maksymalny rekord i próbkowanie podczas pomiaru na 4 kanałach jednocześnie?

Prędkość próbkowania najbardziej zaawansowanych oscyloskopów cyfrowych jest już mierzona w dziesiątkach gigaherców. Przy założeniu, że jest ona równa 60 GSa/s okres przebiegu zegarowego taktującego takim przetwornikiem musiałby być równy ok. 17 ps. Zauważmy, że jest to czas krótszy niż trwa operacja zapisu do pamięci RAM, która w wersji DDR3 gwarantuje przepustowość rzędu 19 GB/s. Są to więc zbyt wygórowane wymagania nawet dla najszybszych, współcześnie produkowanych układów cyfrowych. Wniosek jest jeden. Do zrealizowania przetwornika, który byłby zdolny zbierać 60000000000 próbek w ciągu sekundy konieczne jest stosowanie bardzo wyrafinowanych rozwiązań układowych. Można je wręcz nazwać „sztuczkami”. Uwaga ta dotyczy zresztą nie tylko aż tak ekstremalnych przypadków.

Jedną z najczęściej stosowanych metod jest zrównoleglenie przetworników i taktowanie ich przebiegami zegarowymi o odpowiednio przesuniętych zboczach (rysunek 9). Odczytane w odpowiedniej kolejności dane są później traktowane jak próbki sygnału próbkowanego z proporcjonalnie do liczby zastosowanych przetworników większą częstotliwością.

Jest to metoda przypominająca próbkowanie w czasie ekwiwalentnym, z tym, że w tym przypadku akwizycja jest wykonana na jednym cyklu przebiegu, a nie jest składana z kilku. W najbardziej zaawansowanych technicznie konstrukcjach można znaleźć nawet ponad sto takich przetworników. Często przetworniki są wyposażane w specjalną pamięć stanowiącą swego rodzaju bufor umożliwiający odczytywanie danych z mniejszą prędkością niż są zbierane. Wykonanie odpowiedniego bloku cyfrowego nie stanowi już problemu. Opisana metoda nosi nazwę time interleaving.

Rys. 9. Zwiększenie efektywnej prędkości próbkowania w metodzie time interleaving 

Konkretne rozwiązania układowe zleżą od producentów. Są one często zabezpieczane patentami, nie mniej można doszukać się wielu podobieństw, przynajmniej dotyczących samej idei. I tak, niezależnie od marki oscyloskopu, najczęściej spotykane są rozwiązania, w których przetworniki analogowo-cyfrowe nie są na sztywno przypisane do jednego kanału pomiarowego. Pozwala to dość znacznie zwiększyć szybkość próbkowania przy ograniczeniu liczby używanych kanałów. O tym, czy takie rozwiązanie zostało zastosowane w konkretnym oscyloskopie należy upewnić się przeglądając dane techniczne zapisane w instrukcji przyrządu. W oscyloskopach 4-kanałowych można spotkać się z sytuacją, w której nie tylko nie jest obojętna liczba używanych kanałów, ale też istotne może być to, które kanały są wykorzystywane do pomiarów. Zapominając o tym można pozbawić się całkiem sporych możliwości oscyloskopu. Dobrym przykładem jest ustalanie szybkości próbkowania w oscyloskopie MSO-X 3054A Agilenta w zależności od włączonych kanałów, co wyjaśniono w poniższej tabelce:

Na podobnej zasadzie dzielony jest rekord pomiarowy. Jego długość może zależeć od liczby użytych do pomiaru kanałów, ale nie musi. Zawsze należy upewnić się jak ten problem został rozwiązany w konkretnym modelu oscyloskopu.

9. Jak realizowana jest czułość 1 mV/dz u różnych producentów – czy zawsze jest to obwód wejściowy o wymaganej czułości?

Odpowiedź na to pytanie nie jest prosta. Z jednej strony czułość 1 mV/dz nie jest powszechnie stosowana w oscyloskopach cyfrowych. Niemal wyłącznie spotykamy ją w sprzęcie najwyższej klasy. Z tego powodu konkretne rozwiązania konstrukcyjne raczej nie są ujawniane przez producentów. Z drugiej strony, gdyby zajrzeć do wnętrza oscyloskopów różnych producentów mogłoby się okazać, że… wszyscy stosują te same podzespoły. A obwody wejściowe oscyloskopów są najczęściej wykonywane jako układy hybrydowe produkowane przez specjalizującą się w tej dziedzinie firmę, np. Maxtek. Strategia taka jest stosowana zresztą nie tylko w przypadku oscyloskopów, powszechnie spotykamy ją również na przykład wśród producentów popularnych multimetrów cyfrowych.

Na parametry toru pomiarowego mają oczywiście wpływ także pozostałe obwody realizowane poza układem hybrydowym, takie jak wysokoomowe dzielniki wejściowe czy filtry. Nie bez znaczenia pozostaje projekt obwodu drukowanego, sposób doprowadzenia sygnałów itp. Należy pamiętać, że podczas pomiarów z czułością 1 mV/dz należy liczyć się z wpływem naturalnych szumów termicznych, których po prostu wyeliminować się nie da. Na rezystancji 50 Ω (jest to typowa rezystancja wejściowa szerokopasmowego oscyloskopu), w temperaturze pokojowej, zawsze będzie obserwowany szum, którego amplituda w paśmie 100 MHz będzie wynosiła ok. 59 µV_pp. Są to zjawiska fizyczne, na które nie mamy żadnego wpływu. Możliwość stosowania czułości 1 mV/dz wiąże się raczej z pewnymi sztuczkami i nie zawsze jawnie podawanymi przez producentów wybiegami. Na przykład wybranie takiej nastawy zwykle powoduje automatyczne ograniczenie pasma pomiarowego oscyloskopu, co wynika z dość silnej, a przy tym oczywistej zależności poziomu szumów od częstotliwości. Czasami ograniczenie takie jest dość drastycznie. Świadomi użytkownicy korzystają poza tym z możliwości ręcznego włączenia ogranicznika widma. W prostszych oscyloskopach jest to najczęściej jedna częstotliwość (np. 20 MHz), w przyrządach bardziej zaawansowanych do wyboru są nawet trzy zakresy.

Użytkownicy oscyloskopów wyświetlających oscylogramy z modulacją jasności, np. seria DPO (Digital Phosphore), mogą redukować denerwujące na ekranie szumy przez zmniejszenie intensywności wyświetlania przebiegów. W ten sposób można nawet 5-krotnie zmniejszyć amplitudę obserwowanych na ekranie szumów. Inną metodą jest włączenie akwizycji w trybie wysokiej rozdzielczości. Powoduje to filtrację przebiegu badanego już na etapie pozyskiwania próbek. Obserwowany na ekranie szum zależy także od długości rekordu. Jest to zależność odwrotnie proporcjonalna, co oznacza, że przy pracy z dużymi czułościami należy stosować raczej krótkie rekordy.

Jarosław Doliński