Про шум та його вплив на осцилографічні виміри

Новини
Про компанію
Продукція, ціни
Статті, огляди
Схеми, документація
Контакти
F.A.Q.

Про шум і його вплив на осцилографічні виміри. Вимірювання у присутності шуму

Частина II.Вимірювання в присутності шуму

Введение Всі осцилографи мають один недолік — вертикальний шум, обумовлений аналоговим і цифровим перетворенням вимірюваного сигналу. Перша частина цієї статті присвячена тому, як правильно оцінювати та порівнювати осцилографи за такими характеристиками вертикального шуму, як середньоквадратичне значення та розмах. У другій частині статті дається низка корисних порад щодо більш точної оцінки рівнів випадкових і детермінованих складових шуму при вимірі малих сигналів в умовах щодо високого рівня власного шуму осцилографа.

Вимірювання в умовах шуму При проведенні вимірювань осцилографом на найбільш чутливих налаштуваннях коефіцієнта відхилення (найменша величина В/справ), власний випадковий шум осцилографа може замаскувати вимірювані сигнали. Однак є способи, що дозволяють мінімізувати вплив власного шуму осцилографа. Допустимо, виконується вимірювання рівня шуму та пульсацій на виході джерела живлення. У цьому випадку, можливо, потрібно використовувати осцилограф на максимально чутливих настройках В/справ. Для початку скористайтеся пробником з коефіцієнтом ослаблення 1:1 замість пробника 10:1, який, можливо, був поставлений разом з осцилографом у стандартній комплектації. Використання пробника 10:1 небажано, оскільки в цьому випадку не тільки базовий рівень шуму осцилографа зростає в 10 разів, але також у 10 разів зростає мінімальне значення коефіцієнта відхиленняВ/справ, порівняно з пробником 1:1. У разі вимірювань середньоквадратичного значення рівня шуму джерела живлення, необхідно пам'ятати, що отримана величина також включатиме власний шум осцилографа з пробником. Оскільки ця величина може бути досить великою, суттєво зростає похибка вимірів. Даної ситуації можна уникнути, ретельно дослідивши шумові характеристики використовуваного осцилографа та вимірюваного сигналу (джерела живлення). Знаючи ці характеристики, можна отримати більш точне значення рівня шуму джерела живлення, що досліджується.

Мал. 1. Вимірювання шуму джерела живлення, включаючи власний шум вимірювального тракту осцилограф + пробник

Мал. 2. Вимірювання власного шуму вимірювального тракту (осцилограф + пасивний пробник 1:1)

Таким чином, згідно з результатами вимірювань з використанням пробника 1:1 середньоквадратичне значення рівня шуму досліджуваного п'ятивольтового джерела живлення дорівнює 1,5 мВ. На рис. 2 представлені результати вимірювання рівня власного шуму вимірювального тракту осцилографа при використанні пасивного пробника 1:1. Для цього вимірювання заземлююча клема пробника приєднувалася до вимірювального кінця пробника. В результаті, рівень власного шуму вимірювального тракту становив приблизно 480 мкВ при коефіцієнті відхилення 10 мВ/справ (про подробиці вимірювання характеристик власного шуму осцилографа див. Частину I цієї статті). Тепер, виходячи з визначення середньоквадратичного значення величини (корінь із суми квадратів компонентів), можна визначити точне значення рівня власного шуму джерела живлення. Воно становило близько 1.4 мВ. Важливо відзначити, що результат вимірювань сигналу джерелахарчування крім випадкової компоненти може мати детерміновану складову. Якщо детермінована складова не має певної кореляції із частотою синхронізації осцилографа, використання вищеописаного методу виключення власного шуму з результатів вимірювань дає дуже добрий результат. Окремі детерміновані (систематичні) складові вимірюваного сигналу, наприклад, складові на частотах перемикання силових ключів джерела живлення та цифрового тактового сигналу, також можуть бути враховані при оцінці результатів вимірювань, навіть за наявності значної випадкової складової власного шуму осцилографа. Шляхом залучення додаткових каналів осцилографа для синхронізації за підозрілими сигналами, користувач може виконати багаторазовий збір даних та усереднення сигналу. При цьому відфільтровуються всі випадкові і некорельовані складові шуму, викликані осцилографом з пробником, так і вимірюваним сигналом. В результаті користувач зможе провести вимірювання певної складової шуму джерела живлення з високою роздільною здатністю, навіть у разі використання найбільш чутливих налаштувань В/поділ, таких як 2 мВ/поділ (див. рис. 3).

Мал. 3. Вимірювання величини розмаху шуму, обумовленого сигналом тактової частоти

Використовуючи описану техніку вимірювань, було отримано значення розмаху детермінованої складової, що дорівнює 4,9 мВ, обумовленої сигналом тактової частоти цифрової системи керування джерела живлення (сигнал зеленого кольору внизу на рис. 3). Для пошуку інших детермінованих складових шуму необхідно провести ряд вимірювань за описаною методикою з синхронізацією на передбачуваних сигналах джерел перешкод.

Ефект "потовщення" форми сигналів на екраніосцилографа Існує поширена помилка про те, що цифрові осцилографи мають більший рівень випадкового вертикального шуму, ніж їх аналогові побратими. Ця помилка полягає в тому, що сигнали на екрані цифрового осцилографа зазвичай відображаються товще, ніж на екрані аналогового. Насправді при однаковій смузі пропускання рівень шуму цифрового осцилографа не вище, ніж у аналогового. Вертикальний шум на екрані аналогового осцилографа або слабоконтрастний, або взагалі відсутній, через випадкову природу. Хоча інженери часто сприймають осцилограф як прилад для відображення сигналів у двох вимірах – напрузі та часу – аналогові осцилографи через особливості електронно-променевої технології дозволяють відображати сигнал у третьому вимірі. У цьому вимірі осцилограф відображає частоту повторення сигналу за допомогою модуляції яскравості (інтенсивності) сигналів, що в результаті призводить до візуального придушення або приховування викидів випадкового вертикального шуму. Звичайні цифрові осцилографи не мають властивості відображати сигнали в третьому вимірі (з градацією яскравості). Тим не менш, деякі сучасні моделі вже дозволяють модулювати яскравість сигналів, тим самим досягаючи якості зображення, властивого аналоговим осцилографам. Зокрема, осцилографи нової серії Agilent 6000 з архітектурою MegaZoom III мають найкращі в галузі можливості з варіації яскравості (інтенсивності) сигналів за допомогою 256 рівнів градації яскравості осцилограм, що відображаються на дисплеї з XGA роздільною здатністю.

Мал. 4. Відображення сигналів на екрані без градації яскравості

Мал. 5. Відображення сигналів на екрані з градацією яскравості

Іншим варіантом обліку власного шумувимірювального тракту є повторне вимірювання сигналу з наступним усереднення, як показано на рис. 3. У тих випадках, коли даний варіант неможливий (вимірювання в реальному часі та багаторазові вимірювання), існує варіант використання режиму високого дозволу (якщо це дозволяє осцилограф, що використовується). Оцифрування в режимі високої роздільної здатності може бути використане для одноразових вимірювань, дозволяючи відфільтровувати високочастотні шумові та детерміновані компоненти сигналу за допомогою цифрових фільтрів. Вертикальна роздільна здатність може бути підвищена до 12 біт, але при цьому скорочується смуга пропускання вимірювального тракту.

Висновок При використанні осцилографа на найбільш чутливих налаштуваннях коефіцієнта відхилення, відносний рівень власного шуму осцилографа може бути досить високим, тим самим знижуючи точність вимірювань сигналів з малою амплітудою. У другій частині статті, що розглядає характеристики власного шуму осцилографа та їх вплив на результати вимірювань, були показані методи обліку власного шуму осцилографа при вимірі середньоквадратичного рівня шумів джерела живлення. Крім цього, був представлений метод усереднення сигналу, що дозволяє виключити випадкові компоненти шуму точного вимірювання детермінованих складових шуму.

Частина I. Оцінка вертикального шуму осцилографа. дивитися.

Джонні Хенкок (Johnnie Hancock), Agilent Technologies