Możliwości oscyloskopów R&S RTO pozwalają czytelnie przedstawić i wykonać powtarzalne pomiary sygnałów o amplitudzie poniżej 1/100 działki oraz ustabilizować sygnały rejestrowane w długim odcinku czasu. Połączenie ich rozbudowanych funkcji pomiarowych oraz operacji matematycznych wykonywanych na kanałach umożliwiają korekcję poprawki w każdej akwizycji ponad 100 razy na sekundę.

Zadanie

Zadanie polega na wykonaniu precyzyjnych pomiarów powtarzalnych w długim odcinku czasu, dotyczących małych sygnałów ze składową stałą, dryfujących lub zawierających składową szumu na niskich częstotliwościach.

Przykłady

• Małe zmiany sygnałów na tle silnych sygnałów
• Precyzyjne pomiary niskich napięć przy minimalnym uśrednianiu i niskiej różnicy szumów między kolejnymi przebiegami
• Powtarzalne pomiary o bardzo wysokiej rozdzielczości przy dużej skali poziomej w celu obserwacji sygnałów o dużej dynamice
• Długookresowe pomiary przy stałych ustawieniach ekranu w celu łatwiejszej analizy wzrokowej
• Testy z maską przy bardzo małej amplitudzie sygnałów wymagają pewnej i stabilnej pozycji przebiegu
• Stosowanie krótkiego okresu uśredniania przy pomiarach z szumem na niskich częstotliwościach lub w obecności dryftu czy przesunięciu poziomu napięcia
• Dokładne pomiary wartości średniokwadratowej słabych sygnałów
• Zmiany sygnału w stosunku do zmieniającego się poziomu odniesienia

Podstawy teoretyczne

Współczesne oscyloskopy są wyposażone w sprawdzone narzędzia, które pozwalają osłabić wpływ szumów na wysokich częstotliwościach – w tym analogowe ograniczanie pasma, filtrację cyfrową, decymację i uśrednianie przebiegów.

Z drugiej strony, metody walki z szumem na niski częstotliwościach (szumem termicznym i szumem 1/f) oraz dryftem są ograniczone.

Przesuniecie poziomu oznacza w ogólności stałą wartość dla danego czujnika, sondy czy kanału oscyloskopu, którą można łatwo wyregulować czy skompensować za pomocą operacji matematycznej na kanale (przesunięcie skali), poprzez automatyczne centrowanie wokół zera lub zmianę poziomu odniesienia sondy. W niektórych przypadkach wartość przesunięcia może być zbyt mała, aby przesunięcie poziomu odniesienia lub funkcja centrowania były w stanie je w pełni zniwelować. Co gorsza, przesunięcie to może podlegać dryftowi i zazwyczaj zależy od zmiany wzmocnienia czy tłumienia.

Dryft to zjawisko, któremu trudno przeciwdziałać. Oznacza każde przesunięcie punktu zera lub wzmocnienia w czasie znacznie dłuższym, niż okres próbkowania lub pomiaru. Dryft może mieć zarówno składnik losowy, jak i deterministyczny. Powodują go rozmaite czynniki: wilgoć i drgania, starzenie komponentów, niestabilność zasilacza (który sam podlega tym czynnikom), szum 1/f, promieniowanie, zmiany właściwości magnetycznych i inne zjawiska.

Przykład

• System czujnikowy ma dodatni dryft temperaturowy wynoszący 5% amplitudy mierzonego sygnału na odcinku 20 minut. Widoczny jest również szum 1/f poniżej częstotliwości 1 Hz.
• Jeśli czas akwizycji wynosi 1 sekundę, uśrednianie 60 wykresów daje wynik średni z jednej minuty. W tym czasie dryft powoduje zmianę poziomu o 0,25%.
• Dla każdego uśrednionego wykresu zostanie wyeliminowana połowa dryftu równego 0,25% na minutę. Jeśli dryft jest jednostajny, uśrednianie zmniejszy przesunięcie poziomu na skutek dryftu do 0,125% wartości pełnej skali – tylko 1/40 całkowitego przesunięcia pod wpływem dryftu na przestrzeni 20 minut.
• Szum 1/f zostanie zredukowany, ale nie może zostać wyeliminowany, ponieważ jego pasmo nie jest ograniczone z dołu.

Gdy taki system czujnikowy osiągnie równowagę temperaturową, uśrednianie nie będzie miało wpływu na przesunięcie poziomu zera. Uśrednianie może jedynie poprawić błąd wprowadzany przez dryft lub szum, którego okres częstotliwości jest krótszy od okresu uśredniania.

Rozwiązanie pomiarowo-testowe: dynamiczna zmiana poziomu odniesienia przy użyciu oscyloskopu R&S RTO

W celu rejestracji sygnałów na poziomie mikrowoltów użytkownik może wykorzystać cechy przyrządów R&S RTO, takie jak:

• Niskoszumne układy wejściowe
• Tryb HD zapewniający rozdzielczość 16 bitów w paśmie 50 MHz, z jednoczesnym wyborem pasma i rozdzielczości
• Precyzyjny cyfrowy układ wyzwalania obsługujący sygnały o amplitudzie nawet 0,02 działki
• Wyzwalanie danymi na magistralach szeregowych lub równoległych pozwalające na pomiary i testy cyfrowych komponentów systemu
• Wysoka liniowość ze względu na jakość układów wejściowych oraz monolityczny przetwornik analogowo-cyfrowy z efektywną liczbą bitów (ENOB) powyżej 7 w paśmie 1 GHz.
• Zaawansowane funkcje matematyczne o następujących możliwościach:

• Opcja wykorzystania wyników pomiaru jako argument funkcji matematycznych kanału
• Uśrednianie przebiegu (w formacie zmiennoprzecinkowym)
• Elastyczna filtracja cyfrowa z filtrem o skończonej odpowiedzi impulsowej (FIR) i średnią kroczącą

Zasada pomiaru

Pomiar wartości średniej z bramką jest wykonywany w zakresie stabilnego przebiegu dla każdego cyklu akwizycji. Otrzymana wartość jest odejmowana od przebiegu. Przebieg na kanale po operacji matematycznej zostaje wówczas przypisany do konkretnej wartości poziomu referencyjnego. Ten proces skutecznie usuwa szum na częstotliwościach poniżej okresu akwizycji, w tym dryft i przesunięcie poziomu.

Jeśli wybrany poziom odniesienia jest równy 0 V, przebieg na kanale po operacji matematycznej zostanie przesunięty do poziomu referencyjnego masy. Jeśli poziom odniesienia jest wartością inną niż 0, zmierzony poziom referencyjny napięcia jest po prostu dodawany do poziomu kanału jako stała.

Konfigurowanie R&S RTO w celu zmiany poziomu odniesienia

 Wyzwalanie

Jeśli tylko w mierzonym kanale zmiany poziomu są większe, niż 0,02 działki, oscyloskop R&S RTO może zapewnić stabilne wyzwalanie.

Jeśli amplituda sygnału jest mniejsza, niż 0,02 działki lub sygnał znacznie dryfuje, można znaleźć inne źródło wyzwalania zsynchronizowane z interesującym nas sygnałem, na przykład:

• Zmianę napięcia zasilania
• Zmianę stanu sygnału na linii sterującej
• Sygnał sterujący dostarczony do badanego urządzenia za pomocą interfejsu szeregowego, takiego jak I2C lub wielu innych interfejsów, które R&S RTO może wykorzystać jako źródło wyzwalania.

Konfiguracja pomiaru poziomu odniesienia

Zazwyczaj pomiar wartości średniej służy do filtracji szumu, który może być obecny w próbkowanym sygnale. Funkcja bramki (gate)  pozwala wybrać stabilną część przebiegu służąca jako poziom odniesienia.

Konfiguracja pomiarowa wymaga wyboru kanału źródłowego pomiaru, rodzaj pomiaru i okresu bramki. Należy pamiętać, że kanał źródłowy musi być aktywny, a pole State musi być zaznaczone, aby wybrany zakres bramki był widoczny na ekranie.

Czas włączenie i wyłączenia bramki można ustawić, aby uchwycić pożądany zakres referencyjny mierzonego przebiegu. W przykładzie pokazanym poniżej fragment o wartości 0 woltów przebiegu wyzwalającego (Ch3Wfm1, zielony) odpowiada zerowemu prądowi mierzonego przebiegu (Ch1Wfm1, żółty). Łatwo zatem zobaczyć zakres, w którym należy ustawić bramkę.

Konfiguracja kanału matematycznego

Po określeniu parametrów kanału pomiarowego należy zdefiniować formułę dla kanału matematycznego. Jeśli stabilna część sygnału jest równa 0 lub stanowi poziom odniesienia, wzór matematyczny dla kanału (w oparciu o oznaczenia wprowadzone wyżej) jest następujący:

Ch1Wfm1–Meas1

Jeśli poziom referencyjny ma znaną, niezerową wartość, na przykład 3,65 V, wzór przyjmuje postać

Ch1Wfm1–Meas1 + 3,65 V

W zakładce Setup kanału matematycznego zalecane jest wybranie skali poziomej Manual.

Użytkownicy mogą także wybrać dodatkowe opcje przetwarzania za pomocą menu Mode: obwiednia (envelope), uśrednianie i wartość średniokwadratowa (RMS).

Rys. 2. Przykładowe sygnały i konfiguracja

Rys. 3. Podstawowa konfiguracja operacji matematycznych kanału

Rys. 4. Wprowadzenie formuły matematycznej dla kanału

Przykład

Poniższy przykład dobrze obrazuje zmianę poziomu odniesienia, pozwalając uzyskać efektywne 500-krotne powiększenie przebiegu oraz zmierzony sygnał o amplitudzie 1/500 działki.

Mierzony przebieg jest powtarzalnym sygnałem o częstotliwości 256 Hz i wartości międzyszczytowej 200 µV, nałożonym na sygnał o wartości 80 mV z dwiema zmianami poziomu o 40 mV (czerwony sygnał na dole). Ten przykład demonstruje duży zakres dynamiczny możliwy do uzyskania przez oscyloskop R&S RTO, który potrafi zmierzyć sygnał wynoszący zaledwie 0,02% zakresu skali 1 V.

Wykorzystany został tryb HD z pasmem 20 kHz. Funkcje matematyczne zostały skonfigurowane tak, by uśredniać 20 przebiegów.

Na ekranie oscyloskopu (obraz utrzymuje się przez 10 sekund) wyraźnie widoczny jest sygnał o amplitudzie 200 µV, a przesunięcie poziomu odniesienia jest równe 400 działkom. Utrzymanie obrazu pozwala zaobserwować stabilność sygnału. Potwierdzają ją pomiary – statystyki pomiaru wskazują na odchylenie standardowe sygnału około 44 µV, co stanowi około 0,004% pełnego zakresu skali i rozdzielczość powyżej 14 bitów.

Rys. 5. Pomiar sygnału o amplitudzie 1/500 działki i 1/400 amplitudy sygnału stałego

Podsumowanie

Dynamiczna zmiana poziomu odniesienia pozwala na wykorzystanie dużego zakresu dynamicznego, który zapewnia przyrząd R&S RTO. Oznacza to wysoką precyzję i możliwość zmniejszenia błędu pomiaru długookresowego.

Przedstawicielstwo Rohde & Schwarz w Polsce: ul. Al. Jerozolimskie 92, 00-807 Warszawa, tel: 22 337 64 99.