A 10 bites A/D-átalakítás előnyei oszcilloszkópos jelalakvizsgálatoknál
Napjaink elektronikus moduljai jelentős mértékben integrált, különféle technológiákon alapuló egységek. Nagy amplitúdójú jelek finom részletei csak nagy függőleges felbontású oszcilloszkópokkal mérhetők meg. A digitális oszcilloszkópok jellemzően 8 bites ábrázolással rendelkeznek, egy 10 bites A/D-átalakítóval azonban ennél négyszer jobb felbontás érhető el, ami lényegesen precízebb vizsgálatokat biztosít.
Az oszcilloszkópok a kutatásban, az oktatásban és ipari fejlesztések folyamatai során is nélkülözhetetlen műszerek. Kiválasztásuk során elsősorban a sávszélesség és a mintavételi sebesség a döntő szempont. Fontos tényező még a memóriaméret és a (képernyőméretet is magába foglaló) kezelhetőség. Mindezek mellett a 8 bitet meghaladó felbontásra egyre gyakrabban nem csupán mint hasznos, hanem egyenesen szükséges tulajdonságként tekintenek. Az A/D-átalakítók bitszámának növelésén kívül számos lehetőség van még a függőleges felbontás finomítására. A két leggyakoribb módszer az átlagolás és az ún. nagy felbontású jelalak-előállítás, amelyeket külön tárgyalunk az alábbiakban.
1. ábra 8 és 10 bites A/D-átalakítók felbontásának összehasonlítása
10 bit – négyszer finomabb felbontás
A digitális oszcilloszkópok a kezdetektől fogva A/D-átalakítókat tartalmaznak, amelyek jellemzően 8 bites felbontással rendelkeznek. Ennek elsődleges oka, hogy korábban nem létezett olyan technológia, amellyel megfelelő mintavételi sebesség és kis zajú működés mellett finomabb ábrázolást lehetett volna elérni. Nehezíti a helyzetet, hogy csak a csúcskategóriás oszcilloszkópok tartalmaznak egyedi, gyártó által kifejlesztett A/D-átalakítót, az alacsonyabb árfekvésű, alapszintű műszerekbe általában kereskedelmi forgalomban kapható konverterek kerülnek – ezek pedig jellemzően nem a legkorszerűbbek. Napjainkban 10, sőt akár 12 bites A/D-átalakítókkal is találkozhatunk, mintavételi sebességük pedig tipikusan 1 GHz-es jelek vizsgálatát is lehetővé teszi. Ezeket azonban – mivel áruk még mindig magas a 8 bites konverterekéihez képest – nem alkalmazzák a másfél millió forint (5000 euró) alatti árkategóriájú készülékekben. A Rohde & Schwarz új, R&S®RTB2000 sorozatú oszcilloszkópjaiba a gyártó egyedi, 10 bites konvertere került, amelyet eredetileg az R&S®Scope Rider elnevezésű műszerhez[1] fejlesztettek ki. Ezzel az egyedi konverterrel lényegesen finomabb függőleges felbontás érhető el, mint más 8 bites műszerekkel, miközben az R&S®RTB2000 oszcilloszkóp alapára mindössze 400 000 forint körül (1250 euró) maradt. A tápfeszültségszintek folyamatos csökkenése és a tápegységek hatásfokával kapcsolatos elvárások szigorodása következtében egyre kisebb tűréssel kell az áramköröket bemérni. Minél pontosabban és finomabban vizsgálható feszültség egy műszerrel, annál hatékonyabban segíti a mérnökök munkáját. A 8 és 10 bites felbontás közötti különbségeket szemléltető táblázatban látható, hogy 10 bites átalakítást alkalmazva 1 mV-os finomsággal mérhető meg egy 1 V-os jel szintje (1. ábra). Teljesítményelektronikai jelek elemzésével foglalkozó vagy széles dinamikatartományú eszközöket fejlesztő mérnökök számára ez a négyszeresre növelt felbontás igen hasznos lehet. A részletesebb ábrázolás nyújtotta lehetőségek ténylegesen csak akkor használhatók ki, ha az oszcilloszkóp bemeneti fokozata elegendően kis zajú. Amennyiben a fenti példában szereplő műszer zajszintje 4 mV lenne, a nagyobb felbontás nem nyújtana semmiféle többletet, mert csupán a berendezés zaja jelenne meg részletesebben, a jelekről nem kapnánk árnyaltabb képet a 8 bites esethez képest. A felbontás mellett tehát az oszcilloszkópok zajjellemzőit is figyelembe kell venni.
2. ábra A függőleges felbontás kiterjesztése nagy felbontású (HiRes) működési módban
A függőleges felbontás növelésének módszerei
Egy oszcilloszkóp függőleges felbontása az A/D-átalakító bitszámának növelése mellett más módszerekkel is javítható. Ezek közül a két legelterjedtebb eljárás az átlagolásos és a nagy felbontású (HiRes) jelalak-előállítás.
- Átlagolásos jelalak-előállítás
A felbontás növelésének elterjedt módszere az átlagolás, ami jellemzően az oszcilloszkóp matematikai funkciói között található meg. Lényege, hogy a műszer több, egymást követő befogott jelszakasz átlagát számítja ki. A feldolgozott jelszakaszok számának növekedésével finomodik a felbontás. E mechanizmus előnye, hogy csökkenti a szélessávú zajszintet, így javítja a mérési pontosságot, ugyanakkor két jelentős hátránnyal rendelkezik:
– A kívánt felbontás eléréshez több százszor kell jelszakaszokat feldolgozni, ami sok időt igényel.
– Ez a módszer csak ismétlődő jelekre alkalmazható (például órajelek mérése esetén).
A legtöbb jel azonban nem ismétlődik periodikusan, így esetükben a több jelszakaszra kiterjedő átlagolás nem alkalmazható. - Nagy felbontású (HiRes) jelalak-előállítás: egyetlen, túlminta-vételezett jelszakasz átlagolása
Egyre több oszcilloszkóp tartalmaz különleges, ún. nagy felbontású (HiRes) jelalakelőállítási (decimálási) funkciót. Ennek működése túlmintavételezésen alapul: az A/D-átalakító nagyobb mintavételi sebességgel működik, mint ami egy jel Nyquist-feltétel szerinti hiteles ábrázolásához szükséges. A túlminta-vételezett értékeket kiátlagolja a műszer, ezt követően rajzolja fel a jelalakot. Mivel az átlagolás egyetlen jelszakasz feldolgozása során megy végbe, ezzel a módszerrel egyszeri, nem ismétlődő események vonatkozásában érhető el finomabb függőleges felbontás. A felbontás tekintetében elérhető elvi nyereség a következő összefüggéssel számítható ki:
ahol N a túlmintavételezés mértéke. Például, az ábrázolás 2 bittel történő javításához 16-szoros túlmintavételezés szükséges. Egy 8 bites A/D-átalakítóval és 1 GHz-es mintavételi sebességgel rendelkező oszcilloszkóp eredő mintavételi sebessége 62,5 MHz-re csökken nagy felbontású működési módban, 10 bitesre növelt függőleges felbontás esetén. E módszer legnagyobb hátránya, hogy csökkenti az eredő sávszélességet (2. ábra).
3ab ábra A 8 bites A/D-átalakítót tartalmazó, R&S®HMO2024 típusú oszcilloszkóp és a helyébe lépő, 10 bites R&S®RTB2024
Hogyan fest mindez a gyakorlatban?
Az előbbi elméleti levezetések után egy gyakorlati példával is szemléltetjük, milyen előnyöket rejt magában a nagyobb felbontás. A kísérleti jelalak egy exponenciálisan csillapodó szinuszhullám, amelyet mindkét irányban viszonylag nagy kezdőimpulzus, majd csökkenő amplitúdó jellemez. Ez egy dinamikus függvény, ennek részleteit fogjuk vizsgálni. Ilyen jellegű hullámformát számos függvénygenerátor tartalmaz, többek között az R&S®RTB2000 típusú oszcilloszkópba beépített is. A jelet először egy R&S®HMO2024 típusú, 200 MHz sávszélességű és kis zajú bemeneti jelfeldolgozó fokozatokkal rendelkező oszcilloszkóppal vizsgáljuk, amely kiváló minőségű, kereskedelmi forgalomban kapható, 8 bites A/D-átalakítót tartalmaz (3a ábra). Majd ugyanezt a jelet az R&S®HMO2024 helyébe lépő, új, R&S®RTB2000 típusú oszcilloszkópra is rávezetjük, amelybe a Rohde & Schwarz saját fejlesztésű, 10 bites konvertere került (3b ábra). Azonnal észrevehető, hogy négyszer finomabb felbontású A/D-átalakítójának és kis zajú bemeneti fokozatának köszönhetően az R&S®RTB2000 részletesebb képet ad a jelről és pontosabb vizsgálatokat tesz lehetővé, mint elődje. Ha ugyanezt a jeltartományt mindkét műszeren függőleges és vízszintes irányban is kinagyítjuk, az említett különbség még szembetűnőbbé válik (4. ábra). Az R&S®HMO2024 lépcsőzetes jelgörbéjén a legkisebb helyi értékű bit hatása tükröződik.
4. ábra 8 és 10 bites felbontás összehasonlítása nagyítás mellett
Szerző: Andreas Grimm – Rohde & Schwarz
Rohde & Schwarz Budapesti Iroda
1138 Budapest, Madarász Viktor u. 47-49.
Tel.: +36 1 412 4460
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.rohde-schwarz.hu
Még több Rohde & Schwarz
[1]Az R&S®Scope Rider a Rohde & Schwarz első olyan hordozható, többcélú oszcilloszkópja, amelynek bemenetei teljes mértékben leválasztottak, valamint vegyes jelű mérésekhez, soros buszok jelei alapján történő szinkronizáláshoz (triggereléshez), illetve soros üzenetek dekódolásához szükséges kiegészítésekkel is rendelkezik.
