Приборы для испытаний и измерений LeCroy, обмен отличными статьями.

Как работает осциллограф

Принципиальная структурная схема цифрового запоминающего осциллографа

Сигнал входного напряжения передается на входной усилитель через схему связи, а входной усилитель усиливает сигнал для улучшения чувствительности и динамического диапазона осциллографа. Выходной сигнал усилителя дискретизируется схемой выборки/хранения и оцифровывается аналого-цифровым преобразователем. После аналого-цифрового преобразования сигнал принимает цифровую форму и сохраняется в памяти. Микропроцессор преобразует сигнал в цифровую форму. Соответствующая обработка выполняется и отображается на дисплее. Вот как работает цифровой запоминающий осциллограф.

Выборка, частота выборки

Мы знаем, что компьютеры могут обрабатывать только дискретные цифровые сигналы. Основная проблема, с которой приходится сталкиваться после того, как аналоговый сигнал напряжения поступает в осциллограф, — это оцифровка (аналогово-цифровое преобразование) непрерывного сигнала. Обычно процесс перехода от непрерывных сигналов к дискретным называется выборкой. Непрерывные сигналы должны быть дискретизированы и квантованы, прежде чем они смогут быть обработаны компьютерами. Таким образом, дискретизация является основой для расчета и анализа формы сигнала с помощью цифровых осциллографов. Измерение амплитуды напряжения сигнала через равные промежутки времени и преобразование напряжения в цифровую информацию, представленную восьмибитным двоичным кодом, представляет собой выборку цифрового запоминающего осциллографа. Чем меньше временной интервал между напряжениями выборки, тем ближе восстановленная форма сигнала к исходному сигналу. Частота выборки — это временной интервал выборки. Например, если частота выборки осциллографа составляет 10G раз в секунду (10GSa/s), это означает, что выборка производится каждые 100 пс.

Выборка осциллографа

Согласно теореме о выборке Найквиста, при дискретизации сигнала с ограниченной полосой частот с самой высокой частотой fmax частота дискретизации SF должна быть больше, чем в два раза fmax, чтобы гарантировать, что исходный сигнал полностью восстанавливается из дискретного значения. Здесь fmax называется частотой Найквиста, а 2fmax — частотой дискретизации Найквиста. Для синусоидального сигнала требуется как минимум две выборки за цикл, чтобы гарантировать, что оцифрованная последовательность импульсов сможет точно восстановить исходную форму сигнала. Если частота дискретизации ниже частоты дискретизации Найквиста, произойдет наложение спектров.

Частота выборки SF<2 f max , сглаживание искажений

Формы сигналов, показанные на рисунке ниже, выглядят очень похожими, но результаты измерения частоты сильно различаются. Какой из них правильный?

левый：250MS/sЧастота Отображение формы волны выборки Справа: отображение формы сигнала с частотой дискретизации 20 Гвыб./с.

Внимательно наблюдая, мы обнаружим, что положение триггера и уровень триггера на левом рисунке не совпадают. скорость выборки составляет всего 250 Гвыб/с, на изображении справа используется скорость 20 Гвыб/с Частота выборки. Конечно, форма сигнала, показанная слева, нас обманывает. Это пример Частота Сглаживание (Aliasing), вызванное слишком низкой выборкой, дает нам артефакт.

Поэтому при реальных измерениях,Для более высокочастотных сигналов,инженерглаза всегда должны быть включены Выборка Скорость осциллографа, предотвращающая риск наложения спектров. Мы рекомендуем инженеру починить Выборку перед началом измерений. осциллографа, что позволяет избежать недостаточной выборки. База времени осциллографа Ле Кроя Эта опция предусмотрена в меню (Время База) для удобства настройки.

Из теоремы Найквиста мы знаем, что для максимума Частота выборки — это осциллограф с частотой 10 Гвыб/с, а максимальная частота, которую можно измерить, — 5 ГГц, то есть Частота выборкиполовина,Это цифровая полоса пропускания осциллографа,И эта полоса пропускания является верхней предельной частотой DSO.,Фактическая пропускная способность не может достичь этого значения.,Цифровая полоса пропускания определяется теоретически.,— теоретическое значение полосы пропускания DSO. Это две совершенно разные концепции, отличные от полосы пропускания осциллографа (аналоговой полосы пропускания), о которой мы часто упоминаем.

Ну и на самом цифровом осциллографе,для определенной полосы пропускания,Частота выборки Какой размер мне выбрать? Обычно также используется с осциллографом. Режим выборкисвязанный。

Режим выборки

Когда сигнал поступает в DSO, все входные сигналы должны быть дискретизированы перед аналого-цифровым преобразованием. Технология дискретизации обычно делится на две категории: режим реального времени и режим эквивалентного времени.

Режим выборки в реальном времени используется для захвата неповторяющихся или однократных сигналов с использованием фиксированных интервалов времени для выборки. После однократного запуска осциллограф непрерывно измеряет напряжение, а затем восстанавливает форму сигнала на основе точек выборки.

Выборка эквивалентного времени Выборка) заключается в выборке периодического сигнала в разные периоды, а затем объединении точек выборки для восстановления формы сигнала. Чтобы получить достаточное количество точек выборки, требуется несколько триггеров. Эквивалентная временная выборка включает последовательную выборку и случайную повторную выборку. Использовать эквивалентное время. выборки должны отвечать двум предварительным условиям: 1. Форма волны должна быть повторяющейся. 2. Она должна иметь возможность стабильного запуска.

Полоса пропускания осциллографа в режиме реального времени зависит от максимальной частоты дискретизации аналого-цифрового преобразователя и используемого алгоритма интерполяции. То есть полоса пропускания в реальном времени связана с АЦП и алгоритмом интерполяции, используемыми DSO.

Пропускная способность в реальном времени. Пропускная способность в реальном времени, также называемая эффективной пропускной способностью хранилища, представляет собой полосу пропускания цифрового запоминающего осциллографа, когда он использует режим выборки в реальном времени. Пропускная способность DSO делится на аналоговую полосу пропускания и пропускную способность хранилища. Обычно полоса пропускания, о которой мы часто говорим, относится к аналоговой полосе пропускания осциллографа, то есть к номинальной полосе пропускания, обычно указанной на панели осциллографа. Пропускная способность хранилища — это теоретическая цифровая пропускная способность, рассчитанная на основе теоремы Найквиста. Это всего лишь теоретическое значение.

Обычно мы используем эффективную пропускную способность хранилища (BWA) для характеристики фактической пропускной способности DSO.,Это определяется как：BWa=Максимальная частота дискретизации/k,Максимальная частота дискретизации для одного сигнала относится к его самой высокой частоте дискретизации в реальном времени.,То есть самая высокая частота аналого-цифрового преобразователя для повторяющихся сигналов относится к самой высокой эквивалентной частоте дискретизации. k называется коэффициентом полосы пропускания,Зависит от алгоритма интерполяции, используемого DSO. Алгоритмы интерполяции, используемые DSO, обычно включают линейную интерполяцию и синусоидальную (sinx/x) интерполяцию. k составляет около 10 при использовании линейной интерполяции,Интерполяция с синусом составляет около 2,5.,А k=2,5 подходит только для воспроизведения синусоидальных волн.,Для пульсовых волн,Обычно принимают k=4,в это время,С 1ГС/с Частота Эффективная полоса пропускания хранилища DSO выборки составляет 250 МГц.

Отображение сигналов различных методов интерполяции

При использовании синусоидальной интерполяции,Чтобы точно воспроизвести сигнал,Выборка Частота осциллографа должна быть не менее чем в 2,5 раза выше высшей частотной составляющей сигнала. При использовании линейной интерполяции Выборка Частота осциллографа должна быть не менее чем в 10 раз выше высшей частотной составляющей сигнала. Это также объясняет, почему максимальная Частота, когда осциллограф используется для выборки в реальном времени выборки обычно в четыре или более раз превышает номинальную аналоговую полосу пропускания.

После разговора Частота выборкиназад,Существует также концепция, тесно связанная с A/D DSO.,Это вертикальное разрешение осциллографа. Вертикальное разрешение определяет минимальное приращение напряжения, которое может разрешить DSO.,Обычно выражается количеством битов АЦП n. Ранее мы упоминали, что все современные аналого-цифровые преобразователи DSO имеют 8-битное кодирование.,Тогда наименьшая единица квантования равна 1/256.,(2 в 8-й степени),Это 0,391%.

Если при измерении амплитуды напряжения текущая вертикальная шкала вашего осциллографа установлена ​​на шкалу 1 В/дел, это означает, что погрешность измеренного значения в пределах 8 В*0,391% = 31,25 м В является нормальным явлением. Поскольку осциллограф не может распознать напряжение менее 31,25 м В в этом диапазоне, если использовать только 4 цифры, ошибка измерения будет еще более шокирующей! Поэтому рекомендуется при измерении сигналов максимально отрегулировать форму сигнала, чтобы заполнить весь экран и в полной мере использовать 8-битное разрешение. Мы часто слышим, как инженеры жалуются, что осциллограф не может точно измерить его напряжение или что результаты измерений противоречивы. Фактически, в большинстве случаев инженеры не понимают влияние вертикального разрешения осциллографа на результаты измерений. По поводу точности измерений осциллографом необходимо уточнить одну вещь – осциллограф сам по себе не является измерительным прибором, это «глаз инженера», который поможет глубже понять характеристики вашей схемы.

На рисунке ниже показан импульс со временем нарастания 1 нс, измеренный с помощью осциллографа с аналоговой полосой пропускания 1 ГГц. Сравнивая результаты измерений при выборке, видно, что Частота превышает пропускную способность более чем в 5 раз. выборки Обеспечивает хорошую точность измерений。дальше,По нашему опыту,Рекомендуется при измерении пульсовых волн,Убедитесь, что на нарастающем фронте имеется более 5 точек отбора проб.,Это гарантирует, что форма сигнала не будет искажена.,Точность измерений также повышается.

Взаимосвязь между Частотой выбора и пропускной способностью

Когда дело доходит до Частота выбора, невозможно не упомянуть глубину хранилища. Для DSO эти два параметра тесно связаны.

Хранение, глубина хранения

Сохранение восьмибитной двоичной информации о форме сигнала, оцифрованной аналого-цифровым преобразователем, в высокоскоростную CMOS-память осциллографа представляет собой «процесс записи». Объем памяти (глубина хранения) важен. Для DSO максимальная глубина хранения фиксирована, но длина хранилища, используемая в реальных тестах, является переменной.

В случае определенной глубины хранилища,хранить тем быстрее,хранить, чем короче время,Между ними существует обратная зависимость. скорость хранилища, эквивалентная Частота выборки,время хранения эквивалентно времени выборки,Время выборки определяется временем, представленным в окне дисплея.,так:

глубина хранилища＝Частота выборки×время выборки (расстояние=скорость×время)

Метка Time Base осциллографа LeCroy интуитивно отображает взаимосвязь между этими тремя значениями, как показано на рисунке ниже.

Взаимосвязь между глубиной хранилища, Частотой выборки и временем выборки (временной базой).

Поскольку горизонтальная шкала DSO разделена на 10 сеток, отрезок времени, представленный каждой сеткой, является временной базой, а единицей измерения является т/дел, поэтому:

Время выборки = временная база × 10

Из приведенного выше соотношения мы знаем, что увеличение глубины хранилища осциллографов может косвенно увеличить выборку. Скорость осциллографа: если необходимо измерить сигнал с более длительным периодом времени, поскольку глубина хранилища фиксирована, ее можно уменьшить только на Частота. выборки, но это неизбежно приведет к снижению качества сигнала, если глубина хранилища будет увеличена, чем выше Частота; выборки для измерения для получения неискаженных сигналов.

Кривая на рисунке ниже полностью отображает Частота Взаимосвязь между выборками, глубиной хранилища и временем выборки, а также фактическое влияние глубины хранилища на осциллограф. Влияние выборки. Например, если временная развертка выбрана на уровне 10 мкс/дел, время выборки всего окна осциллографа составит 10 мкс/дел*10 делений = 100 мкс. При глубине хранилища 1 Мпкс текущая фактическая частота. выборки: 1M÷100us=10Gs/s. Если глубина хранилища всего 250K, то текущий факт Частота. выборки всего 2,5GS/s!

Глубина хранилища определяет фактический размер частота выбора

Глубина памяти определяет способность DSO одновременно анализировать высокочастотные и низкочастотные явления, включая высокочастотный шум для низкоскоростных сигналов и низкочастотную модуляцию для высокоскоростных сигналов.

После разговора о соответствующих теориях двух показателей Частота выборки и глубины хранилища,Далее объедините общие приложения,Давайте более подробно рассмотрим влияние этих двух параметров на нашу фактическую производительность.

Приборы для испытаний и измерений LeCroy, обмен отличными статьями.

Важность длительного хранения при измерении мощности

Так как частота силовой электроники относительно невысока (в основном менее 1МГц),Для тех, кто привык использовать широкополосные осциллографы для измерения высокоскоростных сигналов.,Часто возникает иллюзия,Измерение мощности может быть простым,Правда в том, что при выборе осциллографа для измерения мощности делается много ошибок. Хотя полосы пропускания осциллографа в 500МГц достаточно относительно частоты коммутации блока питания в несколько сотен КГц.,Но часто мы игнорируем Частота выборки и хранилище глубины выбора.

Например, в обычном импульсном источнике питания,Частота переключения напряжения обычно составляет 200 к Гц или быстрее.,Поскольку в сигналах переключения часто присутствует частотная модуляция,,инженеру необходимо захватить четверть или полупериод сигнала промышленной частоты.,Даже несколько циклов. Время нарастания сигнала переключения составляет примерно 100 нс.,Мы рекомендуем, чтобы для обеспечения точного восстановления формы сигнала на нарастающем фронте сигнала было более 5 точек выборки.,Прямо сейчас Частота выборки составляет не менее 5/100 нс = 50 мс/с, то есть временной интервал между двумя точками выборки должен быть меньше 100/5 = 20 нс. Требование захвата хотя бы одного цикла промышленной частоты означает, что нам нужно захватить 20 мс. длинная форма сигнала, чтобы мы могли рассчитать глубину хранилища, необходимую для каждого канала осциллографа = 20 мс/20 нс = 1 Мпт. Аналогичным образом, во время процесса плавного запуска источника питания максимальное напряжение, испытываемое силовым устройством, должно фиксировать весь процесс включения питания (более десяти миллисекунд), а необходимый осциллограф Частота выборки и глубина хранилища еще выше.

Влияние глубины хранения на результаты БПФ

В DSO спектр сигнала можно получить с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ), а затем сигнал можно проанализировать в частотной области. Например, измерение гармоник источника питания требует использования БПФ для наблюдения за спектром. При измерении высокоскоростных последовательных данных БПФ часто используется для анализа шума и помех, которые вызывают сбой системы. Для операций БПФ общий объем памяти для сбора данных, доступной на осциллографе, будет определять максимальный диапазон наблюдаемых компонентов сигнала (частота Найквиста), а глубина памяти также определяет разрешение по частоте Δf. Если частота Найквиста составляет 500 МГц, а разрешение — 10 к Гц, рассмотрите возможность определения длины окна наблюдения и размера буфера сбора данных. Чтобы получить разрешение 10 к Гц, время сбора данных должно быть не менее: T=1/△f=1/10 к Гц=100 мс. Для цифрового осциллографа с памятью 100 КБ максимальная частота, которую можно анализировать, равна:

Операция БПФ осциллографа

В примере, показанном ниже, на сигнал частотой 266 МГц влияет шум наводки от источника шума частотой 30 к Гц. БПФ (нижняя кривая) показывает серию пиков с центрами на частоте 266 МГц и на расстоянии 30 к Гц друг от друга. Это искажение очень распространено и может быть вызвано перекрестными помехами от импульсных источников питания, преобразователей постоянного тока или других источников. Это также может быть вызвано намеренным использованием часов с расширенным спектром.

Анализ БПФ с помощью осциллографа LeCroy

Для DSO длительное хранение дает лучшие результаты БПФ, увеличивая как разрешение по частоте, так и улучшая соотношение сигнал/шум. Кроме того, для некоторых приложений необходимо проанализировать очень подробную информацию с глубиной хранения 20 Мбит, как показано на следующих двух рисунках.

Результат БПФ в 1 млн точек ничего не говорит о модуляции

20-точечное БПФ ясно подтверждает бимодальное распределение тактовых импульсов и соответствующие правила модуляции.

Следует отметить, что анализ БПФ длинных сигналов требует сверхвозможностей обработки данных осциллографа, которые часто превышают вычислительные возможности некоторых осциллографов. Осциллограф Ле Кроя может выполнять БПФ до 25 миллионов точек, что имеет большое преимущество в отрасли.

Высокоскоростной анализ последовательных сигналов требует действительно длительного хранения

Анализ джиттера и тестирование глазковых диаграмм стали важными средствами анализа высокоскоростных последовательных каналов и важным справочным материалом для оценки высокопроизводительных осциллографов.

При использовании осциллографа для тестирования джиттера длина высокоскоростной памяти для сбора данных является ключевым индикатором, позволяющим осциллографу выполнять тестирование джиттера. Длина высокоскоростной памяти не только определяет количество выборок при тестировании джиттера, но также определяет диапазон частот джиттера, который может тестировать осциллограф. Это связано с тем, что любой джиттер имеет разные частотные составляющие, которые обычно варьируются от постоянного тока до высокочастотных составляющих. Обратная величина временного окна одиночного сбора данных осциллографа указывает диапазон частот теста на джиттер.

Например, вы используете Частоту с частотой выборок 20G/секунду (S/s). Если осциллограф с выборками и выборкой 1M Память улавливает сигнал со скоростью 2,5 Гбит/с, то экран вашего осциллографа может захватывать сигнал длиной 50 микросекунд, что означает, что вы можете улавливать низкочастотный цикл джиттера с частотой 20 к Гц. То же для 20GS/sЧастота Выбирая глубину хранилища 100 МБ (например, SDA6000AXXL от LeCroy), вы можете улавливать низкочастотный джиттер с частотой 200 Гц.

При разработке традиционных осциллографов высокоскоростной интерфейс сбора данных (до 80 АЦП) и высокоскоростная память физически реализуются на одном чипе SoC. Поскольку внутри одного чипа слишком много функций, встроенная высокоскоростная память. емкость ограничена (обычно менее 2 МБ при 40 Гвыб/с), она может измерять только джиттер выше 20 к Гц, а когда необходимо проверить низкочастотный джиттер, память не может быть расширена и модернизирована. Для большинства приложений важно проверять и анализировать информацию о джиттере в диапазоне от 200 Гц до 20 к Гц.

Чтобы компенсировать недостатки данной конструкции конструкции,Этот тип осциллографа будет использовать внешнее низкоскоростное хранилище для компенсации встроенного высокоскоростного храмать.,Но внешняя хранилище не может работать при высоких частотах выбора.,Обычно может быть предоставлена ​​только скорость 2GS/s.,Невозможно предоставить значимые результаты дизеринга. Например,При использовании высокоскоростного сбора данных в реальном времени со скоростью 40 Гвыб./с.,Объем данных, собираемых 512KПамять за один раз, составляет всего 12,5us.,Можно проверить джиттер только в диапазоне частот выше 80К. Трудно выполнить требования испытаний на различных последовательных шинах и тестах на дрожание тактового сигнала.

В тесте на глазковой диаграмме, поскольку технология программного восстановления тактовой частоты (CDR), впервые разработанная Лекроем, стала отраслевым стандартом, а сегодня с ростом популярности высокоскоростных последовательных шин, осциллографы должны обладать более мощными возможностями обработки данных для выполнения анализа в реальном времени. большое количество выборок данных. Анализ глазковых диаграмм. Например, анализ глазковой диаграммы, такой как PCIE-G2, требует одновременного измерения 1 миллиона данных пользовательского интерфейса. Не все осциллографы всех производителей могут выполнять динамический анализ всех захваченных выборок данных в реальном времени, как осциллографы LeCroy.