Grunnleggende om 8-bits kontra 12-bits oscilloskop, og hvordan du bruker moderne 12-bits teleskoper

Det finnes mange bruksområder der designere og test- og måleingeniører har behov for å lage brede målinger av dynamiske områder for å se svært små signaler i nærheten av store signalamplituder. Kvalitetssikring av strøm, ekkolokalisering og systemer som radar og sonar, medisinske bildesystemer som kjernemagnetisk resonans (NMR) og magnetisk resonanstomografi (MRI), samt ikke-destruktiv testing (non-destructive testing – NDT) ved hjelp av ultralyd, er blant disse typene bruksområder.

Oscilloskoper er selvfølgelig standardverktøyet for å gjøre disse målingene på systemutviklings- og prototypestadiene, men disse er hovedsakelig begrenset av den vertikale oppløsningen for teleskopets front-end. Et 8-bits oscilloskop har for eksempel et dynamisk område på 256:1, så på et 1 volts område er det teoretiske minimumssignalet 3,9 millivolt (mV). Når du prøver å vise rippelsignaler på millivoltnivå på en 3,3 volts buss, er det nødvendig med høyere følsomhet og forskyvningsområde. Når du bruker sonder med mye demping for å hindre kretsbelastning, vil signalnivåene være dempet ved oscilloskopets inngang, og det vil være vanskelig å måle med mindre instrumentet har høy oppløsning.

Problemet er at høyere følsomhet i nærheten av et større signal eller en forskyvning krever høyere oppløsning, og disse er vanligvis kostbare, særlig for et kvalitetsskop med lav støy inngang. Høyere oppløsning uten lavere støygulv er ubrukelig.

Det designere og utviklere trenger, er et rimelig 12-bits skop med et lavt front-end støygulv. En løsning på dette behovet for høy oppløsning med lavt front-end støynivå til lav pris, er Teledyne LeCroy WaveSurfer 4000HD-serie høydefinisjons oscilloskop. Denne artikkelen drøfter vanskelighetene med målinger med høyt dynamisk område, rollen til høydefinisjons oscilloskop, og hvordan de kan brukes effektivt for måling av høye dynamiske områder.

Oscilloskopets vertikale oppløsning

Oscilloskopets vertikale oppløsning henviser til forholdet mellom det høyeste inndatasignalet som oscilloskopet kan håndtere til den minste signalamplituden det kan oppdage. Oppløsning blir vanligvis kvantifisert av antall biter i analog-til-digital-omformeren (ADC). Oppløsningen er lik 2 med antall biter som potens. Dermed har en 8-bits omformer en oppløsning på 2⁸ eller 256:1. En 12-bits omformer har en oppløsning på 4096:1, som er 16 ganger større enn en 8-bits omformer.

I mange år tilbød digitale oscilloskoper 8-bits oppløsning i oscilloskoper med høyere båndbredde. Dette er på grunn av en teknisk avveining i ADC-er som gjør oppløsning, målt i antall biter, omvendt proporsjonal med ADC-ens maksimale avsøkingsfrekvens. For omtrent åtte år siden var Teledyne LeCroy pionér på 12-bits oscilloskop som ble kalt høy definisjon eller «HD»-oscilloskop. De har nylig lagt til WaveSurfer-4000HD-serien i HD-produktlinjen. Serien inkluderer fire oscilloskop med båndbredde på 200, 350, 500 og 1000 megahertz (MHz). Alle tar prøver ved 5 gigasamples per sekund (GS/s), som er svært respektabelt for et 12-bits oscilloskop. Innvendige, miksede digitale innganger, DVM, funksjonsgenerator og frekvensteller er tilgjengelig for å komplettere dette multiinstrumentet. Familien tilbyr alt dette sammen med 12-bits oppløsning til en rimelig pris.

Det å øke oppløsningen i et oscilloskop krever selvfølgelig mer enn bare å endre ADC-en. Den krever også forbedring av signal-til-støy-forholdet (SNR) på oscilloskopets front-end, slik at den sensitive ADC-en ikke fylles med støy. Et 12-bits skop med en 8-bits front-end er fremdeles et 8-bits skop. WaveSurfer 4000HD-oscilloskopfamilien har imidlertid vellykket implementert HD-konseptet. Den 12-bits vertikale oppløsningen, kombinert med en front-end med lavt støynivå, leverer 12-bits ytelse som faktisk er 16 ganger mer følsom i et gitt amplitudeområde enn et 8-bits skop.

12-bits kontra 8-bits målinger

HD-oscilloskop er beregnet på målinger som har bølgeformer som viser et høyt dynamisk område. Dette er målinger som samtidig inkluderer en signalkomponent med høy amplitude sammen med lave signalnivåer. Tenk deg et bruksområde som eksempel en ultralydområdesøker. Den overfører en puls med høy amplitude, og venter deretter på et ekko med lav amplitude fra målet. Det høye amplitudesignalet fastsetter spenningsområdet som trengs til teleskopets vertikale forsterker. Oppløsningen og systemstøyen fastslår det minste ekkosignalet som kan måles (figur 1).

Figur 1: det samme ultralydsignalet gjengitt med både 12-bits og 8-bits vertikal oppløsning. Den øvre sporingen består av begge versjoner av hele signalet, lagt oppå hverandre. De nedre sporingene viser en zoomet del av bølgeformen. Det er liten forskjell når man ser på signalkomponentene med høy amplitude, men signalene på lavere nivå viser en klar fordel for 12-bits avbildning. (Bildekilde: DigiKey)

Det øvre rutenettet viser de innhentede signalene i både 12-bits og 8-bits oppløsning lagt oppå hverandre. Det er liten observerbar forskjell mellom bølgeformene oppå hverandre. Det midtre rutenettet viser 12-bits bølgeformen utvidet både horisontalt og vertikalt. Det nedre rutenettet er den samme delen av den 8-bits bølgeformen. De dårligere signaldetaljene på lavt nivå i 8-bits versjonen er ganske tydelig. Merk også at signaltoppene i 12-bits avbildningen viser tydelige forskjeller som er gått tapt i 8-bits versjonen.

Bruksområder for målinger av områder med høy dynamikk

Målinger av høye dynamiske område er inkluderer all ekkolokalisering og områder som radar, sonar og LiDAR. Mange teknologier for medisinsk bildebehandling, som NMR og MRI, er basert på lignende teknikker: sende en puls på høyt nivå bort fra av kroppen og innhente og analysere ekkoer eller stimulert stråling fra det overførte signalet. På samme måte bruker ultralydbasert teknologi som ikke-destruktiv testing (non-destructive testing – NDT) reflekterte ultralydpulser for å oppdage sprekker og feil i faste materialer.

Kvalitetskontroll av strøm, der små millivoltsignaler som støy og rippel måles på buss-spenninger mellom 1 og 48 volt eller større, trenger også skop med høy dynamisk rekkevidde.

Vurder å måle signaler fra en enkel ultralydsøker eller elektronisk målebånd (figur 2). Ultralydsøkeren avgir fem pulser for hver måling, ca. 16,8 ms fra hverandre i tid. I stedet for å fange opp dødtid mellom disse pulsene, bruker Teledyne LeCroy WaveSurfer 4104HD 12-bits oscilloskopet en sekvensmodusinnhenting som deler skopets minne inn i et brukervalgt antall segmenter, fem i dette eksempelet.

Figur 2: Et Teledyne LeCroy WaveSurfer 4104HD-oscilloskop som brukes til å hente inn et signal fra en 40 kilohertz (kHz) ultralydsøker. På toppen viser den fem pulser for hver måling, som skilt med rundt 16,8 millisekunder (med) fra hverandre. (Bildekilde: DigiKey)

Hvert segment innhenter én overført puls og tidsstempler utløserpunktet. Den øvre sporingen er den innhentede bølgeformen med hvert segment avmerket. En innzoomet sporing (nedre rutenett) viser et valgt segment, i dette tilfellet det første. Tabellen nederst på skjermen viser tidsstemplene som markerer tidspunktet for hver utløser, tiden siden segment 1 og tiden mellom segmentene. Den overførte pulsen har en topp til topp-amplitude på 362 mV, mens det reflekterte ekkoet har en topp til topp-amplitude på bare 21,8 mV. Det er denne forskjellen i amplitude som gjør dette til en måling av et høyt dynamisk område. Figuren bruker en ekkoamplitude som kan ses på skjermen, men 12-bits oppløsning fanger opp dette signalet ved amplitudene lavere enn skopets pikselgjengivelse, som vist i figur 1.

Målinger av strømkvalitet krever også et skop med høyt dynamisk område. Målinger av rippelspenning krever at du kan måle millivoltsignaler oppå strømbusser. I eksempelet i figur 3 måler den øvre sporingen rippel på en 5 volts buss. Rippelspenningen er 45 mV_{topp-til-topp} oppå en buss-spenning på 4,98 volt som leses direkte ved hjelp av WaveSurfer 4104HD-ens måleparametere, hhv. P2 og P1. Den nedre sporingen er den raske Fourier-transformeringen (FFT) for rippelspenningen, som viser et harmonisk, rikt spektrum med en grunnleggende komponent på 982 Hz.

Figur 3: En strømkvalitetsmåling på en 5 volts buss for et datterkort viser rippelspenningen og rippelens FFT. (Bildekilde: DigiKey)

I tillegg til høy oppløsning krever dette bruksområdet et oscilloskop med et godt forskyvningsområde. I dette eksempelet har skopet et ±8 volts forskyvningsområde på 10 mV-skalaen. Forskyvningsområdet skalerer med oscilloskopets vertikale område. Hvis det trengs et større forskyvningsområde, har Teledyne LeCroy RP4030 skinnesonde med et 30 volts forskyvningsområde. Skinnesonder er spesielt utformet for sondering av strømskinner med lav impedans. De har en stor innebygd forskyvning, høy inngående impedans og lav demping og støy. Denne proben har en båndbredde på 4 gigahertz (GHz), demping på 1,2, og en inngående impedans på 50 kilohm (kΩ).

HD-oscilloskopr kan også håndtere høyspentmålinger, som de som oppstår i strømomformere i brytermodus (SMPC-er). SMPC-er omfatter strømforsyninger, vekselrettere og industrielle kontrollere. De styrer strømmen ved å justere driftssyklusen eller frekvensen til en svitsjet bølgeform. De viktigste målingene involverer spenningen på tvers av og strømmen gjennom strømvekslerenheten(e), vanligvis en felteffekttransistor (FET). For å hjelpe utviklere med SMPC-målinger tilbyr Teledyne LeCroy spesifikk programvare og spennings- og strømsonder. En vanlig måling vises i figur 4.

Figur 4: Karakterisering av en SMPCs tap innebærer å måle spenningen og strømmen i strømbryterenheter og deretter beregne strømtapet i hver fase av strømsbrytersyklusen. (Bildekilde: DigiKey)

Strømmen, den rosa sporingen, måles med en Teledyne LeCroy-modell CP030A strømsonde. Denne klemsonden har en maksimal strøminngang på 30 ampere (A) og en båndbredde på 50 MHz. Spenningens bølgeform, som vises som et beige spor, måles ved hjelp av en Teledyne LeCroy HVP1306 høyspenningsdifferensialsonde. Denne sonden er klassifisert for maksimal CATIII-spenning på 1000 volt ved en båndbredde på 120 MHz. Begge sondene gjenkjennes av WaveSurfer-skopet, som automatisk skalerer de målte bølgeformene for å registrere sondens forsterkning og måleenheter.

Programvaren for strømmåling automatiserer de vanligste SMPC-målingene. Figur 4 viser beregningen av enhetens effekttap som den gule sporingen. Dette beregnes fra strøm- og spenningsbølgeformene for hele vekslingssyklusen. Målingsparametere isolerer og viser påslag, ledeevne, avslag og tap i av-tilstand, basert på innhentede bølgeformer, med hver sone tydelig avgrenset med et fargeoverlegg. Den viser også det samlede tapet fra alle soner i tillegg til vekslingsfrekvensen. Andre tilgjengelige målinger, i tillegg til enhetsmålingene som er vist i figuren, bidrar til å karakterisere kontrollsløyfedynamikk, linjeeffekt og ytelsesegenskaper, for eksempel effektivitet.

12-bits oppløsning er også nyttig i strømmålinger ved beregning av belastningskildemotstand (RDS) for strøm-FET. Dette krever at du måler spenning på en eller to volt på en bølgeform med en topp-til-topp-svingning på 400 volt. WaveSurfer 4000HD-serien er kompatibel med alle Teledyne LeCroy-sonder som er kompatible med skopets båndbreddeområde (figur 5).

Figur 5: Teledyne LeCroy WaveSurfer 4000HD-oscilloskopene er kompatible med selskapets omfattende produktrekke av sonder, inkludert de strømmålingsrelaterte sondene som vises her. (Bildekilde: Teledyne LeCroy)

Et bredt utvalg av bruksområder setter en høyere standard for «arbeidshest»-oscilloskop

WaveSurfer 4000HD-serien er ikke begrenset til bare oppgaver med høy dynamisk rekkevidde. Det er et utmerket skop i seg selv, og kan sette en høyere standard for «arbeidshest»-oscilloskoper. Det er et godt valg for feilsøking av lavhastighets serielle data, og tilbyr analysepakker og sonder for å støtte serielle busser som SPI, I²C, UART-baserte koblinger i tillegg til busser for bilindustrien som LIN, CAN og FLEXRAY.

Analyse av en seriell buss krever muligheten til å anskaffe og dekode bussprotokollen og å lese av datainnholdet (figur 6). Det fargekodede overlegget viser hver pakke. Den røde overlegget angir adressedataene, mens de blå overleggene markerer datapakkene. Adressen og datainnholdet vises inne i overlegget. Dekodingsinformasjon er tilgjengelig i binært, hex eller ASCII-format. Tabellen nederst på skjermen oppsummerer innhentete transaksjoner, som viser tid i forhold til utløserpunkt, adresselengde, adresse, retning (lese eller skrive), antall pakker og datainnholdet. Utløsing kan være basert på aktivitet, adresse, datainnhold eller en kombinasjon av adresse og data.

Teledyne LeCroy ZD200 aktiv differensialsonde er et godt valg for å måle serielle data. Denne 10:1-sonden har en inngående impedans på 1 megaohm, en båndbredde på 200 MHz, og kan håndtere differensialspenninger på opptil 20 volt og fellessignalspenninger på opptil 50 volt. Den er særlig godt egnet til differensialbusser som CAN.

Figur 6: Lavhastighets seriell utløser og dekoding av I²C-bussen omfatter muligheten til å lese datainnholdet i bussen. Vist er innhenting og dekoding av et I²C-buss-signal for både en lese- og en skriveoperasjon. (Bildekilde: DigiKey)

Konklusjon

Selv om det alltid vil være bruk for 8-bits oscilloskoper, er det mange bruksområder som har bruk for HD og et bredt dynamisk utvalg som et ekte 12-bits oscilloskop kan tilby, men de relativt høye kostnadene har holdt dem utenfor rekkevidde for mange designere og testingeniører. Teledyne LeCroys oscilloskoper i WaveSurfer 4000HD-serien løser langt på vei dette problemet, med lavere kostnader.

Det gir HD-målinger basert på 12-bites vertikal oppløsning, en 5 GS/s maksimal avsøkingsfrekvens og lavt støygulv. Det er også kompatibelt med Teledyne LeCroy-sonder og programvarepakker for analyse. Dermed åpner oscilloskopene døren for kostnadseffektive målinger av høye dynamiske områder og flytter tilgjengeligheten fra forskningslaboratoriet til ingeniørens arbeidsbenk eller fabrikkgulvet.