О полосе пропускания осциллографа и отображаемой форме сигнала
Просматривая обзоры осциллографов на тематических ресурсах и на YouTube, я прихожу к выводу, что не многие радиолюбители понимают суть такого параметра осциллографа, как полоса пропускания.
Вот горе обзорщик берёт осциллограф с полосой пропускания 100 мегагерц, подаёт на вход осциллографа меандр с частотой 60 мегагерц, получает на экране осциллографа синусоиду вместо меандра и делает вывод (или выводы за него делают в комментариях), что осциллограф полное… подставьте самое плохое слово из вашего словарного запаса, которым можно охарактеризовать некачественную вещь.
И я понимаю, что эти радиогубители совсем не понимают сути полосы пропускания осциллографа, не слышали о преобразовании Фурье и амплитудно-частотном спектре периодического сигнала.
Сейчас я постараюсь безо всяких заумных формул объяснить, почему при повышении частоты отображение любого периодического сигнала на осциллограмме стремится к подобию синусоиды.
Полоса пропускания.
Взгляните на график (взятый из пособия по осциллографам фирмы «тектроникс»), иллюстрирующий полосу пропускания осциллографа. Этот график отображает зависимость амплитуды гармонического (то есть синусоидального) сигнала от его частоты.
На графике видно, что чем больше частота гармонического сигнала, тем ниже его амплитуда. В итоге график обрывается на значении амплитуды -3 дециБела или 70%. Но на самом деле график АЧХ тут не заканчивается. Следующее изображение иллюстрирует полную форму амплитудно-частотной характеристики. То место, где пересекаются 2 графика и есть полоса пропускания. Но, как видно из графика, при превышении полосы пропускания АЧХ не обрывается резко, но её спад становится круче.
Существуют модели осциллографов, у которых амплитудно-частотная характеристика обрывается резко (максимально плоская полоса пропускания на следующем изображении), но такая полоса пропускания встречается не часто и только в профессиональных осциллографах.
Получается, что чем выше частота гармонического сигнала, тем сильнее затухает его амплитуда по мере прохождения по цепям осциллографа (и по цепям ДО осциллографа). И затухать амплитуда начинает задолго до приближения частоты к полосе пропускания (АЧХ на втором изображении нарисована условно, на первом она изображена намного точнее). Считается, что чтобы получить ошибку амплитуды сигнала не менее 3%, необходима полоса пропускания в 3 раза выше частоты сигнала для гармонического сигнала, и в 5 раз выше для сложного.
Амплитуда затухает, но форма сигнала остается прежней — синусоидальной. А если на вход осциллографа подается НЕ синусоидальный, периодический сигнал (меандр, пила, ШИМ, треугольник)?
Преобразование Фурье.
Преобразование Фурье выпило много крови и испортило много нервов студентам. Но сейчас я не буду вдаваться в дебри высшей математики, расслабьтесь. Итак.
Любой (почти) периодический сигнал можно разложить на гармонические составляющие, то есть на синусоиды, у которых будет своя частота, амплитуда и фаза. И хотим мы этого или нет, любой периодический сигнал ведет себя именно так, как набор синусоид, каждая из которых обладает своей частотой, амплитудой и фазой.
Приведу самый распространенный пример: меандр частотой 10 килогерц состоит из синусоиды 10 килогерц и её нечётных гармоник (сигналов кратной частоты) 30, 50, 70 килогерц и так далее до бесконечности. Но амплитуда гармоник не постоянна, и для её отображения строят амплитудный спектр сигнала. Таким же образом можно построить и фазовый спектр сигнала.
“Иголочки” на спектре обозначают частоту, а их длина амплитуду и фазу соответственно.
Но фаза нас сейчас не интересует, только амплитуда.
Настало время собрать всю эту информацию воедино.
Допустим, у нас есть синусоидальный сигнал. При повышении частоты вплоть до полосы пропускания полосы и даже выше, осциллограф будет отображать её как синусоиду (насколько позволит частота дискретизации сигнала). Но как только на вход осциллографа подадим сложный периодический сигнал, то в дело вступит Фурье со своим разложением и начинается магия…
Я обладаю осциллографом-приставкой к ПК Instrustar ISDS205A (полоса пропускания 20 мегагерц), программное обеспечение которого имеем массу дополнительных функций, среди которых быстрое преобразование Фурье. Воспользуюсь им, чтобы продемонстрировать амплитудно-частотный спектр меандра различных частот.
Начну совсем с низкой частоты — 10 Гц. Справа отображается форма осциллограммы, слева амплитудно-частотный спектр сигнала. Пики — это гармоники основной частоты (в данном случае 10 герц). Под амплитудно-частотным спектром перечислены семь первых гармоник сигнала, их вычисленные частоты и измеренная амплитуда. Что мы видим? Фундаментальная частота (равная частоте меандра) имеет самую большую амплитуду. Вторая гармоника имеет практически нулевую амплитуду. Третья гармоника (30 килогерц) имеет амплитуду примерно равную трети амплитуды фундаментальной частоты. Четвертая снова практически нулевую амплитуду, потому что меандр состоит только из нечетных гармоник, потому смысла рассматривать четные гармоники дальше нет. Пятая гармоника — амплитуда равна одной пятой амплитуды фундаментальной частоты. Седьмая — одна седьмая амплитуды фундаментальной частоты. Параметры остальных гармоник не отображаются, но на изображении видно, что амплитуда последующих гармоник снижается всё сильнее.
Я уже писал, что чтобы получить меандр, необходимо бесконечное количество гармоник. Здесь их много, даже на изображение все не помещаются. И амплитуда их видна, несмотря на то, что она снижается с повышением частоты гармоники.
Сразу перепрыгну на частоту 100 килогерц.
На осциллограмме видны заваленные фронты меандра. Причина же такого отображения меандра видна на амплитудно-частотном спектре. Тут снова иголочки амплитуды, но есть два “но”:
- их намного меньше, чем на предыдущем скриншоте;
- их амплитуда падает значительно быстрее.
А если повысить частоту до 500 килогерц?
Меандр становится похож на нечто синусо-треугольно-образное, на амплитудно-частотном спектре можно разглядеть от силы 10 гармоник
Частота 1 мегагерц.
Меандр не похож на меандр, на амплитудно-частотном спектре можно выделить всё меньше гармоник и амплитуда их падает очень быстро.
Максимум что я смог получить от своего “генератора” — 2 мегагерца.
Меандр больше похож на треугольник, на амплитудно-частотном спектре можно различить четыре гармоники.
Если бы я смог повышать частоту далее до бесконечности, то все гармоники оказались бы заглушены, осталась бы фундаментальная частота, которая отображалась бы на экране осциллографа как синусоида.
Раскладывать электрические сигналы в ряд Фурье и любоваться амплитудно-частотными спектрами довольно занятно. Вот, например, на закуску амплитудно-частотный спектр ШИМ-сигнала.
Но пора подводить итоги.
Чем выше частота сложного периодического сигнала, тем сильнее искажается его форма, отображаемая осциллографом. Это связано в первую очередь с тем, что и без того низкая амплитуда гармоник высокой частоты дополнительно снижается. И снижается она не только из-за амплитудно-частотной характеристики осциллографа. У щупов для осциллографа тоже есть своя амплитудно-частотная характеристика, и максимальная частота, на которую рассчитан щуп (указана на самом щупе).
На фото показаны щупы P2060 (рассчитанный на работу с сигналами с частотой до 6 мегагерц при отключенном делителе на 10 и с частотой до 60 мегагерц при включенном делителе на 10) и P6100 (рассчитанный на работу с сигналами частотой до 100 мегагерц).
Замечу, что для наглядности все измерения выше я проводил щупом Р2060 в режиме 1х, чтобы его влияние на сигнал было максимальным. Да, я схитрил и сделал это намеренно, для наглядности. Но при реальных измерениях так делать конечно же не стоит.
К тому же, не только щуп и осциллограф вносят погрешность в сигнал. Сигнал способен исказить свою форму просто при прохождении по проводнику. Потому что любой проводник, кроме сопротивления, имеет также емкость и индуктивность, которые влияют на переменный ток. Все эти факторы совместно влияют на амплитуды и фазы гармоник и соответственно на форму сигнала.
Какие условия необходимо соблюдать для правильного измерения формы сложного периодического сигнала:
- убедитесь, что полоса пропускания осциллографа превышает частоту хотя бы пятой-седьмой гармоник сигнала (глупо измерять меандр 16 мегагерц осциллографом с полосой 20 мегагерц);
- убедитесь, что максимальная частота щупа выше полосы пропускания осциллографа (на ISDS205A полоса пропускания 20 мегагерц, но в комплекте идут щупы, способные работать с частотой до 60 мегагерц), да и вообще используйте качественные щупы для осциллографа;
- измеряйте форму сигнала как можно ближе к источнику сигнала, потому что прохождение сигнала по любым цепям способно нарушить его форму;
Помните, что хоть осциллограф и вносит погрешность в сигнал, еще большую погрешность могут ввести электронные компоненты и проводники до осциллографа. То есть там, где вы ожидаете увидеть меандр (пилу, ШИМ и прочее), меандр уже может быть искажен. Так было и в моем случае, меандр частотой 1-2 мегагерца уже приходил на осциллограф сильно искаженным, из-за цепей генератора. Но в моем случае это не важно, важно было показать почему именно он искажен.
И помните, осциллограф — в первую очередь прибор для наблюдения, и только во-вторую, прибор для измерения.
P.S. Если вы хотите наглядно посмотреть преобразование Фурье, то рекомендую посетить ссылку.
20 самых важных характеристик осциллографов!
Попробуем разобраться в том, какую роль играет полоса пропускания, чувствительность и память осциллографа при измерениях, в каких случаях лучше использовать аналоговые и цифровые, двухканальные и двухлучевые осциллографы, а когда вместо современного стационарного цифрового или портативного осциллографа достаточно иметь под рукой старый советский прибор? Ответы на эти и другие вопросы, а также все типовые заблуждения, связанные с этими приборами, вы найдете в нашей подборке — 20 самых важных характеристик осциллографов!
Когда мы говорим «осциллограф», то представляем себе прибор, на лицевой панели которого расположен экран, отображающий графики входных электрических сигналов (амплитудные и временных характеристики). Однако поскольку видов этих сигналов «великое множество», очевидно, что не может быть одного универсального прибора, способного адекватно показать все. Поэтому, выбирая осциллограф, нужно ориентироваться во всех разновидностях этого «многоликого» по областям применения прибора, чтобы выбрать именно тот, который подходит для решения стоящих перед вами задач. И здесь немудрено запутаться или упустить какие-то моменты, что может привести к покупке «ненужного чуда» электронной техники. А чтобы не попасть впросак, стоит прислушаться к отзывам опытных практиков, помогающим системно подойти к своим запросам и сделать действительно безошибочный выбор. Далее разбираются основные параметры и технические характеристики осциллографов.
1. Чем хорош двухлучевой осциллограф?
Двухлучевой осциллограф позволяет двумя лучами одновременно наблюдать на общей временной развертке два независимых процесса. Двухканальный осциллограф содержит электронный коммутатор, коммутирующий либо намного чаще, чем частота процесса, либо намного реже, чем частота процесса два процесса на один луч. При этом получается, как бы два луча, но график отображается «кусками, хотя, если частота коммутации выбрана верно, то визуально это не заметно. Все это верно до тех пор, пока исследуются строго периодические процессы. Если же процессы импульсные или не строго периодические (форма сигнала отличается в разных периодах или период меняется), качественно наблюдать два таких процесса на двухканальном однолучевом осциллографе невозможно, потому что в каждый момент времени мы видим только кусочек одного процесса. В принципе двухлучевой осциллограф, конечно, намного лучше однолучевого двухканального. У двухлучевого есть и недостаток: вертикальная развертка каждого луча линейна в своей половине экрана, верхнего – в верхней, нижнего – в нижней. При попытке использовать весь экран одним лучом нас ждет разочарование – отклонение луча у двухлучевой ЭЛТ в «чужой» половине экрана существенно нелинейно.
2. Ограничения двухканального (многоканального) осциллографа
Двухканальный (многоканальный) осциллограф отличается от двухлучевого (многолучевого) тем, что у него одновременное наблюдение разных сигналов обеспечивается быстрым переключением с одного канала на другой, т. к. применяется однолучевая трубка. Из-за чего на высоких скоростях развертки он «рвет» сигналы на экране. Двухлучевой (многолучевой) – имеет трубку с несколькими лучами, поэтому он сигналы не «рвет», но стоит обычно дороже.
3. Любой осциллограф – это не измерительный, а наблюдательный прибор
Хотя в цифровых осциллографах используются также измерительные функции (можно, например, проводить измерения амплитуды сигнала и т. д.). У аналоговых осциллографов погрешность по экрану 5-10%. Цифровые, к которым относятся также USB-осциллографы, вроде более точные, но есть такое понятие, как «Вертикальное разрешение». Например, у типового USB-осциллографа – указано 9 бит вертикального разрешения (реально часто – 8 бит). Это значит, что входной сигнал, надо поделить на 2 в 8-й степени, то есть на 256, что при входном сигнале 10 В даст ступеньку в 0,4 В.
4. Цифровой или аналоговый осциллограф?
Выбор «цифровой или аналоговый осциллограф» зависит от характера исследуемых процессов. Цифровой имеет память, широчайшие возможности рассматривать уже зарегистрированные кратковременные сигналы (есть возможность делать их скриншоты), цветной дисплей (что очень способствует восприятию информации), множество способов синхронизации, некоторые возможности обработки сигнала. У аналогового – наименьшие искажения наблюдаемого сигнала, что обычно приводится как основной довод в их пользу. Других, более серьезных доводов обычно не приводят.
5. Цифровой осциллограф не покажет ВЧ импульсы
Еще одна особенность цифровых осциллографов: для наблюдения непрерывного сигнала, и для того, чтобы сильно не увеличивать частоту дискретизации (квантования) по времени (а это необходимо из-за того, что точных быстродействующих АЦП пока еще мало, а то и вовсе нет для решения каких-то задач), часто используются для обработки численные методы (аппроксимация, интерполяция, экстраполяция). Современные микроконтроллеры довольно просто с этой задачей справляются. Но в результате мы видим не настоящий сигнал, а эрзац-сигнал, полученный в результате обработки точечных отсчетов численными методами. То есть мы можем не увидеть на сигнале «иглы» высокочастотных импульсных помех, которые будут прекрасно видны на аналоговом осциллографе.
6. Цифровой осциллограф умеет запоминать сигналы
У цифрового осциллографа дополнительное удобство – он может запоминать сигнал и выводить его на экран в увеличенном масштабе (функция экранной лупы). А также достаточно просто реализуются функции автонастройки на сигнал и измерение параметров сигнала (но это уже в дорогих моделях). Еще одно важное достоинство – просмотр или предварительное (возможно и полное) декодирование промышленных протоколов.
7. Ограничения АЦП цифровых осциллографов
Цифровой осциллограф работает на принципе преобразования аналогового (т. е. непрерывного) сигнала в цифровой (т. е. дискретный) со всеми вытекающими отсюда последствиями:
- Для того чтобы передать сигнал как можно точнее, частота дискретизации должна быть намного выше частоты измеряемого сигнала. Т. е. чем больше дискретных отсчетов в единицу времени, тем более непрерывным будет отображение сигнала и более точным его воспроизведение на экране.
- Дискретизация по уровню измеряемого сигнала (как правило, это напряжение). Чтобы его как можно точнее измерить, надо иметь хорошую дискретизацию по уровню. Допустим, мы имеем АЦП 8-бит. Теоретически он дает 256 уровней сигнала. Т. е. сигнал с амплитудой 10 В он может перевести в цифровой код с точностью 0,04 В, а если у АЦП 10 разрядов (1024 уровня), то мы сможем наблюдать этот же сигнал с точностью 0,01 В (правда, на самом деле точность будет ниже, из-за погрешности самого АЦП).
- Многолучевой цифровой осциллограф должен иметь в своем составе несколько каналов преобразования и обработки сигнала.
- Интерфейс для связи с компьютером имеют не только цифровые, но и многие аналоговые осциллографы.
8. Объем памяти цифрового осциллографа
Объем памяти выборок (в английской технической документации используются термины Record Length – длина записи или Memory Depth – глубина памяти) – третья ключевая характеристика цифровых осциллографов, наряду с полосой пропускания и частотой оцифровки. Суть в том, что это память, работающая на частоте оцифровки. Ее нехватка приводит к тому, что на медленных развертках осциллограф вынужден снижать частоту оцифровки во избежание переполнения памяти. Хотя есть «кривые» попытки обойти эту проблему, например, использованием пик-детектора. Если памяти выборок много (от 1 Мегасемплов), то это производителем специально подчеркивается, а если мало, то всячески замалчивается. Или приводится большой объем памяти, но оказывается, что это просто ОЗУ встроенного процессора, а не быстрая память выборок. Допустим, частота выборок – 500 мегавыборок в секунду (полоса пропускания – 50 МГц, 10 выборок на период). Смотрим сигнал 50 Гц (период 20 мс). За это время осциллограф сделает 10 000 000 выборок. С 8-битным АЦП ему надо запомнить 1 байт на выборку. Итого, чтобы зарисовать этот период, ему нужно либо 10 Мб памяти, либо снижать частоту выборок.
9. «Короткая и длинная» память в цифровом осциллографе
Короткая и длинная память — это «закон сохранения энергии в осциллографе». Если вы используете максимальную частоту дискретизации то у вас «короткая память» будет (извините за выражение), если же частота дискретизации будет в два раза меньше — то у вас память будет «ого-го». Если нужно посмотреть пачку импульсов — используете большую память, если периодический, но высокочастотный сигнал (тем более меандр), то тогда более важна частота дискретизации.
10. Время нарастания входного сигнала
Показатель «Время нарастания входного сигнала» – чем меньше, тем лучше. Это значит, что меньше будет «отгрызаться» начало первого сигнала на экране при внутренней синхронизации, и тем лучше частотные свойства осциллографа.
11. Полоса пропускания цифрового осциллографа
Считается, что для наблюдения цифровых сигналов полоса пропускания осциллографа должна быть в несколько раз выше частоты сигнала (хотя бы втрое), иначе прямоугольный сигнал превращается в «квазисинусоиду» (то есть «заваливаются» фронты). И частота дискретизации должна быть выше хотя бы раз в десять (некоторые даже считают, что это соотношение должно быть не менее 1:20).
12. Как связаны шумы и погрешность Разрешение экрана
Чем выше разрешение экрана, тем больше детализация. Выбирайте разрешение не менее 640 точек по горизонтали и не менее 480 точек по вертикали, многие современные относительно недорогие осциллографы уже имеют такие экраны. Экран должен быть цветным и с малой инерционностью. Черно-белые экраны с большой инерционностью — прошлый век.
13. Как связаны шумы и погрешность Когда нужен осциллограф с логическим анализатором?
Современная прикладная электроника – это в большинстве случаев «смесь цифры с аналогом». Расшифровка протоколов здесь не главное (хотя и не без нее). Но вот, допустим, имеем сигнал ШИМ, который в свою очередь может перейти во что угодно – ток, напряжение, температуру, магнитное поле, обороты и т. д. и т. п. Регулирование этих величин, допустим, выполняется с помощью микроконтроллера посредством какого-либо ПИД-регулятора. Как отрабатывать все тонкости этих процессов? Вот тут и придет на помощь встроенный в осциллограф логический анализатор. Конечно, все то же самое можно делать и отдельным анализатором, и синхронизировать его с аналоговыми сигналами. Но все это вы будете видеть на разных мониторах и засечь, что и после чего изменяется «от цифры в аналоге» уже будет очень неудобно и непродуктивно.
Таким образом, если вы собираетесь рассматривать цифровой и аналоговый сигналы одновременно, например, цифровой сигнал зависит (синхронизирован) от аналогового или наоборот, то лучшим решением будет осциллограф с логическим анализатором на борту или хотя бы с возможностью докупить логический анализатор позже (но нужно, чтобы у покупаемого осциллографа была такая опция). Отдельный логический анализатор удобен для работы с чистой цифрой.
14. Как связаны шумы и погрешность Как связаны шумы и погрешность осциллографа с разрешением экрана?
Шумы осциллографа не имеют никакого отношения к разрешению экрана. Точно так же и погрешность осциллографа не имеет никакого отношения к разрешению экрана.
15. Эквивалентный режим
Эквивалентный режим используется только для периодических сигналов. Он позволяет повысить частоту дискретизации в десятки раз. Суть в том, что друг за другом делается не одна запись сигнала, а много, но каждый раз с небольшим смещением. Поскольку сигнал все время одинаковый (периодический), потом полученные записи накладывают друг на друга, и получают запись с как-бы очень высокой частотой оцифровки, например 50 ГГц, хотя реальная частота оцифровки была обычная, например 500 МГц. Для однократных сигналов не годится.
16. Режим сегментированной памяти
Некоторые цифровые осциллографы имеют режим сегментированной памяти. То есть их можно оставить работать хоть на неделю, но они будут записывать не весь сигнал, а только его часть, форма которой задается через меню, например, только короткие пики. Таким образом, ни один пик не будет пропущен и будет записан с нужной (высокой) частотой дискретизации. А потом все записанные сегменты (кусочки сигнала) можно разом просмотреть.
17. Минусы портативных осциллографов
У портативных приборов цены выше, а параметры хуже, это известно. В частности, «настольные» осциллографы давно «доросли» до 1-2 мегасемплов (мегабайт) памяти выборок, а у портативных эта память по-прежнему 1-40 килосемплов (килобайт).
18. Что такое мотортестер?
Для диагностики системы зажигания автомобильного двигателя используется мотортестер, представляющий собой многоканальный осциллограф (осциллограф-мультиметр с четырьмя и более каналами), с инсталлированным в нем специальным ПО. К осциллографу подключается комплект датчиков. Мотортестер отображает осциллограмму высокого напряжения системы зажигания и в реальном времени параметры импульсов зажигания, такие как пробивное напряжение, время и напряжение горения искры.
19. Что такое автомобильный диагностический сканер?
Для «общей» автодиагностики применяют диагностический адаптер или CAN-Bus автомобильный диагностический сканер, представляющий собой осциллограф смешанных сигналов – осциллограф со встроенным логическим анализатором, который, используя специальное ПО, выполняет дешифровку протоколов CAN/KWP2000/др. и трактует полученные данные. Система управления современного двигателя, отвечающего строгим нормам токсичности, в качестве главного своего элемента содержит электронный блок управления (ЭБУ). Так вот сканер предназначен именно для работы с ЭБУ, для его «сканирования». А так как сканер работает с блоком, то он позволяет:
- Наблюдать сигналы с датчиков системы, следить за их изменением во времени.
- Проверять работу исполнительных механизмов путем приведения их в действие и визуального или другого контроля.
- Считывать сохраненные системой коды неисправностей.
- Посмотреть идентификационные данные ЭБУ, системы и т. п.
20. Почему лучше не использовать осциллографы, выпущенные в СССР?
В России до сих пор продаются осциллографы, выпущенные в СССР 25-30 лет назад. Они могут привлечь внимание разве что новичков и не очень требовательных радиолюбителей. Однако опытные практики пишут на страницах интернет-форумов буквально следующее: «Ни в коем случае не советую связываться с советскими приборами, тем более осциллографами, управляемыми микропроцессором. Советские приборы утыканы сбоку и сверху подстроечниками для калибровки. Методика описана в инструкции, обычно довольно бестолковой. Перечень «пороков» советских приборов продолжают габариты, вес и высохшие электролиты».
При подготовке этой статьи использовались отзывы, советы и рекомендации по выбору и работе с электронными осциллографами, собранные с крупнейших отечественных и зарубежных интернет-форумов.
Методы расширения полосы пропускания осциллографов
В последнее время тенденция расширения полосы осциллографов приобрела ярко выраженный характер. В 2007 году был представлен первый осциллограф с полосой 20 ГГц, в 2009-м объявлено о выпуске первого осциллографа с полосой 30 ГГц. И, наконец, в 2010 году компания Agilent Technologies стала лидером этой гонки, представив первый в мире осциллограф с полосой пропускания 32 ГГц. Полоса пропускания является наиболее важным параметром, которым оперируют производители осциллографов.
Введение
Когда производитель создает модель осциллографа с наиболее широкой полосой, модели с меньшей полосой испытывают на себе «эффект ореола». Если заявленная характеристика осциллографа приближается к рекордной отметке, важно понять, каким образом производитель добился такого результата. В настоящее время существует три разных способа достижения полосы более 20 ГГц. Эти способы включают применение специальной элементной базы (аппаратный метод), а также чередование частот и расширение полосы за счет цифровой обработки сигнала. Покупая осциллограф, нужно знать, каким образом получены заявленные характеристики, поскольку неправильно принятое решение отрицательно скажется на качестве измерений.
Расширение полосы за счет цифровой обработки сигнала (цифровое усиление)
В первом в мире 13-Гц осциллографе для расширения аппаратной полосы от 12 до 13 ГГц был использован способ, известный как цифровое усиление (рис. 1). В то время (2004 год) многие считали, что такой подход порождает слишком большие шумы, и не считали полученную полосу реальной. Однако в 2007 году в первом 20-Гц осциллографе полоса пропускания была расширена от 16 до 20 ГГц именно путем цифрового усиления. Споры вокруг цифрового усиления стихли, когда уже два производителя применили такой подход в своих осциллографах, и, что более важно, на тот момент это был единственный способ расширения полосы пропускания до 20 ГГц.
Рис. 1. Расширение полосы пропускания с помощью цифрового фильтра
Первый осциллограф с полосой пропускания 20 ГГц имел успех на рынке, поскольку пользователи посчитали, что смогут улучшить измерения сигналов последовательных шин со скоростями передачи данных 6 и 8 Гбит/с. Они готовы были приобрести осциллограф, ориентируясь лишь на заявленные характеристики. Способ, с помощью которого были достигнуты такие высокие показатели, пользователей не особенно интересовал.
Так что же такое цифровое усиление? Цифровым усилением называется вид цифровой обработки, в котором высокочастотные составляющие сигнала усиливаются программным способом. Важно отметить, что цифровое усиление не следует путать с другими вариантами цифровой коррекции, используемыми в современных осциллографах. Чтобы понять, как работает цифровое усиление, давайте вспомним, что любой сигнал можно разложить на несколько частотных составляющих. Затем с помощью специальной программы можно усилить высокочастотные составляющие сигнала. Необходимо помнить о том, что цифровое усиление обладает одним существенным недостатком, а именно увеличением шумов усиленного сигнала (рис. 2). Вместе с сигналом усиливается и шум, вносимый осциллографом. В зависимости от коэффициента усиления этот подход может испортить сигнал и дать худшие результаты, чем в случае с меньшей полосой пропускания и без цифрового усиления. Уже одна эта, очень важная причина заставляет тщательно анализировать значение примененного усиления и приемлемость компромисса между уровнем шума и полосой пропускания.
Рис. 2. Свипирование синусоидального сигнала с помощью цифрового усиления (обратите внимание на «усиление» шума на высоких частотах)
Чередование частот
В первом осциллографе с полосой пропускания 30 ГГц использовался метод, известный как чередование частот (рис. 3). Хотя этот метод не столь известен в цифровой технике, он уже давно применялся в области радиочастотных сигналов. Чередование частот не следует путать с используемым производителями осциллографов традиционным чередованием АЦП. В настоящее время для повышения частоты дискретизации и увеличения объема памяти все производители осциллографов используют чередование ресурсов канала, таких как память и АЦП. Например, в осциллографе Agilent Infinitum DSAX93204A используется чередование четырех АЦП, работающих на скорости 20 Гвыб/с, для получения самой высокой в мире частоты дискретизации 80 Гвыб/с. Тем не менее, до появления метода чередования частот методы чередования применялись только для последующего захвата сигнала и должны были строго контролироваться встроенной системой распределения тактовых частот осциллографа. Но даже, несмотря на это, современные осциллографы не гарантированы от сбоев в процессе чередования. Это приводит к росту коэффициента гармоник, а повышенный коэффициент гармоник, в большинстве случаев, представляет собой наихудшую плату за рост частоты дискретизации. Чередование частот позволяет применять чередование не только после захвата сигнала, но и во время самого захвата. Это значит, что в процессе захвата сигнал подвергается чередованию дважды.
Рис. 3. Сравнение собственного уровня шумов разных осциллографов с разными методами цифровой обработки сигнала (обратите внимание, что осциллографы серии 90000 X используют чистую аппаратную обработку)
Чередование частот требует дополнительной аппаратной обработки и расширенной цифровой обработки сигнала. Для пояснения принципа чередования частот рассмотрим некоторый сигнал. Этот сигнал поступает на вход осциллографа и тут же разделяется диплексером (специальной схемой, разделяющий сигнал на несколько частотных диапазонов) на высокочастотные и низкочастотные составляющие. Низкочастотные составляющие эквивалентны обычной аналоговой полосе осциллографа, которая в настоящее время достигает 16 ГГц. Высокочастотные составляющие немедленно преобразуются с понижением частоты, что позволяет обрабатывать их также в схеме осциллографа. Например, если осциллограф обладает аналоговой полосой 16 ГГц и производитель использует чередование частот для расширения полосы до 30 ГГц, то частотные составляющие, лежащие ниже 16 ГГц, не преобразуются, а все составляющие выше 16 ГГц пропускаются через преобразователь частоты. Затем обе частотные составляющие подвергаются тщательной цифровой обработке для обеспечения корректного захвата высокочастотных составляющих. После этого низкочастотные и высокочастотные составляющие объединяются, фактически удваивая аналоговую полосу осциллографа.
Благодаря методу чередования частот производители осциллографов могут выпускать осциллографы с более широкой полосой, не ожидая появления дорогих широкополосных предусилителей. Но, как и для других методов, здесь нужно учитывать некоторые компромиссы. Самый значительный компромисс относится к гармоническим искажениям. В данном случае сигнал не только чередуется для повышения частоты дискретизации, но и чередуется в начале захвата. Кроме дополнительного чередования, применяется еще и преобразование с понижением частоты и значительная цифровая обработка. Все эти операции вносят свои искажения. Осциллографы, использующие чередование частот, также приводят к повышению уровня шумов в сигнале. Необходимо помнить о том, что все эти компромиссы приводят к снижению точности измерений.
Истинная аналоговая полоса
Наиболее сложным способом достижения полосы выше 20 ГГц является создание широкополосного входного тракта. Для получения полосы пропускания более 20 ГГц производитель осциллографа должен финансировать создание комплекта ИС, способных работать в этой полосе (включая предусилитель и дис-кретизатор). Для обработки таких сигналов необходимы транзисторы с частотой среза более 150 ГГц, что дорого и труднодостижимо. Поскольку производитель осциллографов не специализируется на крупносерийном производстве полупроводниковых приборов, процесс создания таких микросхем обходится весьма дорого. Даже при наличии необходимого технологического оборудования производитель должен иметь опыт разработки высокоскоростных устройств. Agilent DSA93204A серии X обладает единой аппаратной полосой пропускания 32 ГГц — самой широкой в отрасли (рис. 4).
Рис. 4. Осциллограф серии 90000 X, обладающий истинной аналоговой полосой пропускания до 32 ГГц
Компания Agilent сделала крупные инвестиции в разработку специальной технологии изготовления транзисторов на фосфиде индия (InP) с частотой среза 200 ГГц (рис. 5). И осциллограф DSA93204A серии X обладает полной аналоговой полосой пропускания 32 ГГц без применения метода чередования частоты или цифрового усиления. Конечным результатом является равная плотность шума в полосе от 1 до 2 ГГц и в полосе от 31 до 32 ГГц. Кроме кристаллов ИС, позволивших получить столь широкую полосу пропускания, в Agilent DSA93204A серии X используется новая технология изготовления корпусов микросхем, которая позволяет реализовать полную полосу ИС на основе InP без перегрева.
Рис. 5. Многочиповый модуль, разработанный компанией Agilent для осциллографов серии 90000X
Другим преимуществом расширения полосы пропускания аппаратными средствами является то, что и в пробниках может использоваться та же элементная база для обеспечения широкой полосы пропускания. В осциллографах Agilent используется система пробников, полоса пропускания которых расширена до 30 ГГц. Осциллограф с полной аналоговой полосой пропускания дает улучшение высоты и ширины глазка более чем на 25% (рис. 6). Самый большой недостаток аппаратной реализации широкой полосы пропускания заключается в увеличении времени разработки. К тому же, помимо широкой аппаратной полосы пропускания осциллографа, важно учесть, насколько хорошо спроектированы остальные его цепи. Так, неудачная конструкция входного такта может существенно увеличить уровень собственных шумов осциллографа. Кроме того, могут присутствовать гармонические искажения, поскольку для повышения частоты дискретизации все еще применяется метод чередования АЦП.
Рис. 6. Сравнение сигнала PRBS7 со скоростью передачи 10,3125 Гбит/с с добавленным ISI: а) полная аналоговая полоса пропускания; б) цифровое усиление
Заключение
Производители осциллографов реального времени продолжают бороться за расширение полосы пропускания прибора, необходимой инженерам-разработчикам в области высоких технологий. Восемь лет назад широкой полосой пропускания считалась полоса 13 ГГц, а сегодня это значение увеличилось до 30 ГГц и выше (рис. 4). Но, кроме широкой полосы пропускания, инженерам нужен прибор, достоверно отображающий то, что реально происходит в тестируемом устройстве. Одни лишь заявленные характеристики не всегда позволяют оценить истинную ценность осциллографа. Производители осциллографов используют разные способы расширения полосы пропускания.
Эти способы имеют свои недостатки, которые в большинстве случаев отрицательно сказываются на точности измерений. Если у вас есть выбор между истинной аналоговой полосой и полосой, достигнутой путем цифровой обработки сигнала, такой как цифровое усиление или чередование частоты, большую точность обеспечит осциллограф с истинной аналоговой полосой пропускания. Тем не менее, для оптимального выбора необходимо тщательно оценить даже самые дорогие осциллографы и определить уровень собственных шумов, минимальный измеряемый джиттер, полосу пропускания и т. п. Что же касается осциллографа DSA93204A серии X (единственного осциллографа с истинной аналоговой полосой более 16 ГГц), он имеет самую широкую полосу пропускания, самый низкий уровень собственных шумов, самый малый измеряемый джиттер и самый малый уровень гармонических искажений.
Связь между полосой пропускания осциллографа, временем нарастания и точностью измерения
При выборе осциллографа для проведения сложных измерений обычно руководствуются тремя основными характеристиками. Это полоса пропускания, частота дискретизации, объем памяти на канал. Из них полоса пропускания обычно считается ключевой. Является ли более широкая полоса залогом лучших характеристик? Необязательно. В этой статье мы укажем на подводные камни, которых необходимо избегать при выборе осциллографа.
Полоса пропускания —
о чем говорит эта характеристика?
Аналоговая полоса пропускания — это характеристика измерительной системы, определяющая частоту, на которой измеренная
амплитуда синусоидального сигнала на 3 дБ
ниже, чем реальная. На рис. 1 представлен
график, который дает представление о теоретическом поведении амплитудной ошибки по мере приближения частоты синусоидального сигнала к величине, равной значению полосы пропускания измерительного
устройства, ведущего себя как фильтр первого порядка (однозвенный Гауссов). На частоте, равной ширине полосы, ошибка измерения достигает 30%!
Рис. 1. Полоса пропускания осциллографа в зависимости от частоты
Если необходимо измерять синусоидальный сигнал с ошибкой в 3%, необходим осциллограф с полосой, по крайней мере,
в три раза большей, чем частота измеряемого сигнала. Поскольку большинство сигналов имеют более сложную форму, чем
синусоидальный, основное эмпирическое
правило— использовать осциллограф с полосой, в пять раз большей частоты измеряемого сигнала.
О чем не может сказать
полоса пропускания?
Аналоговая полоса пропускания — это,
по определению, характеристика, относящаяся к частотной области. Сложные сигналы
содержат в спектре много составляющих, что
показано на рис. 2.
Рис. 2. Прямоугольный цифровой сигнал как сумма нечетных гармоник
Чтобы полностью охарактеризовать эти
составляющие, мы должны знать как их амплитуду, так и фазу. Полоса пропускания сама по себе ничего не говорит о том, как измерительное устройство фиксирует характеристики.
Кроме характеристик, относящихся к спектральному анализу сигналов, большинство инженеров заинтересовано в таких измерениях, как время нарастания и спада прямоугольных импульсов. Для оценки времени
нарастания осциллографа, используя характеристику его полосы пропускания, можно
воспользоваться следующим выражением:
Значение 0,35 в числителе основано на простой однополюсной модели для времени нарастания от 10 до 90%. Используя эту простую
формулу, легко вычислить время нарастания.
В таблице приведены желательные характеристики измерительных систем при работе с современными сигналами наиболее распространенных стандартов.
Таблица. Требуемые характеристики измерительных устройств
для работы с сигналами различных стандартов
| Стандарт | Скорость передачи данных |
Время нарастания (tr) |
Ширина полосы (BW) исходя из (0,35/tнар) |
Ширина полосы (BW) для получения ошибки, меньшей 3% |
| SHD | 155 Мбит/с | 2,0 нс | 175 МГц | 525 МГц |
| 1394 | 100 Мбит/с | 3,2 нс | 109 МГц | 328 МГц |
| 200 Мбит/с | 2,2 нс | 159 МГц | 477 МГц | |
| 400 Мбит/с | 1,2 нс | 292 МГц | 875 МГц | |
| DDR2 | 400 Мбит/с | 150 пс | 2,3 ГГц | 7 ГГц |
| DDR3 | 1333 Мбит/с | 75 пс | 4,7 ГГц | 14 ГГц |
| PCIe | 2,5 Гбит/с | 50 пс | 7,0 ГГц | 21 ГГц |
| 5,0 Гбит/с | 30 пс | 11,7 ГГц | 35 ГГц | |
| IBTA | 2,5 Гбит/с | 30 пс | 11,7 ГГц | 35 ГГц |
При составлении таблицы было сделано допущение, что как объект измерения, так и осциллограф имеют спад частотной характеристики, как фильтр низких частот первого порядка. В реальности, с современными высокоскоростными сигналами это допущение не совсем корректно. Для максимально равномерной задержки отклика
произведение ширины полосы на время нарастания осциллографа
может приближаться к 0,45.
Два осциллографа, имеющие равные полосы, могут иметь сильно отличающиеся времена нарастания, амплитудный и фазовый отклик. Так что одно только значение полосы пропускания осциллографа не скажет нам о его способности к точному отображению сложных сигналов, таких как высокоскоростные последовательные потоки
данных.
Переходная характеристика
Пользователям необходим осциллограф с хорошей переходной
характеристикой (реакцией на ступенчатое возбуждение). Для проверки переходной характеристики необходим очень «чистый» генератор прямоугольных импульсов. Отклонения картины, отображаемой осциллографом, от прямоугольного вида называются аберрациями (рис. 3, 4).
Рис. 3. Аберрации переходной характеристики
Рис. 4. Время нарастания переходной характеристики
Факторы, вносящие вклад в отклонения, включают в себя:
- аналоговые характеристики осциллографа;
- влияние пробников.
Факторы, определяющие аналоговые
характеристики осциллографа
Реальные аналоговые характеристики определяются входным трактом осциллографа, ведущим к аналого-цифровому преобразователю (АЦП).
Входной тракт включает аттенюаторы вертикального ослабления,
усилители, схемы контроля положения и схемы запуска.
При детальном исследовании осциллограммы, вам, возможно, потребуется отобразить часть сигнала, далекую от уровня «земли»
(рис. 5, 6). Типичные ±12 делений вертикальной развертки ограничивают размер изображения.
Рис. 5. Динамический диапазон вертикальной развертки и уровня запуска
Рис. 6. Положение по вертикали перемещает нулевую точку отсчета
вертикального масштаба
Если вы хотите увеличить определенную область осциллограммы,
расположенную не на уровне «земли», вы пользуетесь сдвигом, как
показано на рис. 7.
Рис. 7. Вертикальный сдвиг меняет точку отсчета от нуля
к некоторому уровню напряжения
Вертикальный сдвиг позволяет переопределить отображаемую точку отсчета. Например, если вы хотите рассмотреть детали на вершине импульса амплитудой 5 В, установите ручку сдвига на 5 В. Затем
измените масштаб по вертикали до необходимой чувствительности.
Сдвиг вызывает огромное увеличение аналогового динамического
диапазона. Недостатком «зума» деталей осциллограммы является насыщение усилителя. Когда вы перетаскиваете часть картины за экран
для того, чтобы рассмотреть некоторые частные детали, система отклонения по вертикали будет нуждаться в восстановлении после
насыщения (рис. 8). Типовая характеристика
восстановления может быть «90% восстановления за 1 нс». В высококачественных осциллографах восстановление может занимать
100 пс на 15 делений насыщения.
Рис. 8. Характеристики восстановления после насыщения могут привести
к пропаданию высокочастотных деталей сигнала
Влияние пробников
на полосу пропускания
и время нарастания
Каждый пробник для осциллографа имеет определенную емкость и сопротивление, а значит, воздействует на сигнал в точке измерения. Данный факт очевиден и не
нуждается в объяснении, вопросом остается только, насколько сильно это воздействие.
Щупы должны иметь достаточную полосу
пропускания, широкий динамический диапазон и давать минимальную нагрузку на исследуемый сигнал. Необходимо учитывать
воздействие щупа на время нарастания и переходную характеристику.
Полоса пропускания пробников
и время нарастания
Полоса пропускания
Производители пробников допускают, что
на максимальной рабочей частоте пропускание щупа снижается на 3 дБ. На частотах, превышающих полосу пропускания пробника,
результаты измерений могут быть непредсказуемы.
Рис. 9. График зависимости амплитуды от частоты (АЧХ) пробников
Рассмотрим типовую АЧХ на рис. 9.
По мере повышения частоты пропускание падает. При падении на 3 дБ обнаруживаются
значительные изменения на переднем и заднем фронтах прямоугольного сигнала, углы
скругляются, так как высокочастотные составляющие сигнала ослабляются. Выбирая щуп,
который от 3 до 5 раз по полосе превосходит
исследуемый сигнал, можно уменьшить амплитудную ошибку с 30% (3 дБ) до 3%.
Время нарастания
Полоса пропускания не определяет полную картину того, как пробник и осциллограф передают сложную форму сигнала.
Для этого необходимо знать переходную характеристику.
Короткие выводы и выбор
правильных аксессуаров
При снятии сигнала с исследуемой системы подключенный пробник является дополнительной нагрузкой. Индуктивность его может изменяться в зависимости от добавления
различных аксессуаров и изменения длины
проводов для подключения сигнального
и «земляного» выводов.
Подключение к контрольной точке системы может вызвать возбуждение. Как показано на рис. 10, удлинение сигнальных
проводов влияет на результат измерения.
Левый график получен с более короткими
проводами.
Рис. 10. Сигнальные выводы должны быть как можно короче
Осциллографические пробники, как правило, комплектуются некоторым числом наконечников. Пользователь должен сознавать,
что различные наконечники могут привести
к различным результатам измерений. Для более удобного контакта щупа с исследуемой
системой одни выводы делают со специальными клипсами, другие—длиннее, есть и такие выводы, которые имеют прямоугольные
соединители. Некоторые щупы имеют сигнальный и заземляющий выводы длиной
1 дюйм. Такие длинные выводы обладают
большой индуктивностью и могут вызвать
различные эффекты, такие как звон, искажения и выбросы.
Выводы
Полоса пропускания, как основная характеристика, может сказать о том, как осциллограф будет воспроизводить реальную форму
сигнала, но это далеко не все. Переходная характеристика, времена нарастания и спада,
искажения, монотонность внутри полосы,
фазовый отклик скажут гораздо больше
о действительной точности измерительной
системы. Если вы хотите исследовать детали
сигнала, необходимо помнить, что вертикальный сдвиг вместе с хорошей способностью
к восстановлению после насыщения позволит рассмотреть эти детали. Не забывайте про
эффекты, связанные с пробниками, особенно с наконечниками для сигнальных и заземляющих выводов.