Ще раз про похибку вимірювання часових інтервалів цифровими осцилографами або як турецьку

Ще раз про похибку вимірювання часових інтервалів цифровими осцилографами або як турецький султан 5 ppm лопатою міряв

А.А. Дедюхін, АТ «ПріСТ»

Є таке поняття «ведмежа послуга». Здавалося б, яке відношення воно має до метрології і особливо до цифрових осцилографів? Так, начебто ніякого, якщо не йдеться про марнославство. Але не перевелися ще на землі української «ведмеді та послуги», які заради власних амбіцій, аби лише на їх рецензії звернули увагу, готові обляпати «жовтим і рідким» предмет свого давнього обожнювання…

Чесно кажучи, мені і раніше здавалося, що Tektronix DPO-4000 серії якось погано вимірює часові інтервали, але деяким к.т.н-ам вдалося переконати мене в тому, що він не просто погано вимірює часові інтервали, а робить цеГІРШЕ ВСІХ, в порівнянні з іншими осцилографами. Причому, порівняно не тільки з цифровими осцилографами, а й з аналоговими. Заради справедливості зазначимо, що це «ГІРШЕ ВСІХ » він примудряється робити в межах допустимої для нього похибки.

Дійсно, у моїх ранніх математичних викладках зроблено недбалі помилки (в оригіналі вони не будуть виправлені, оскільки виправлення призведе до перекручування наступної логіки). Можна було б з цього посміятися і забути, але «ведмедям» хотілося правди і, виправляючи мої помилки, вони вивели цифру0,8% - це і є похибка вимірювання часових інтервалів осцилографом Tektronix DPO-4000 серії (мова йдеться про інтервал 0,1 мкс, при частоті дискретизації 2,5 Гвиб/с). Думати у радісній ейфорії «викриття» про сенс цифр було невтямки.

Нагадаємо, що однією з відмінних рис цифрових осцилографів є те, що вони забезпечують набагато більшу точність вимірювань, як по тимчасовій осі, так і по осі амплітуд, попорівняно з аналоговими осцилографами. Однак, виявляється, є аналогові осцилографи, розробки аж 1980 року, які краще вимірюють часовий інтервал, ніж DPO-4000 серії зразка 2006 року. Це радянський аналоговий осцилограф С1-108, що має похибку вимірювання часового інтервалу 0,5%. Пошана і слава Генеральному Конструктору цього виробу (мається на увазі С1-108, а не DPO-4000), до параметрів якого через 26 років наблизився світовий лідер цифрових осцилографів. Навіть TDS-2000 серії, що має похибку вимірювання 0,645%, вимірює більш точно, ніж його старший брат. А новий TDS-2000 із літерою «B» вимірює з тією ж похибкою, як і DPO-4000. Скопметр Fluke-192B здатний виміряти часовий інтервал 0,1 мкс з похибкою 0,4%. Причому для всіх перелічених вище засобів вимірювання йдеться саме про вимір інтервалу 0,1 мкс (або частота 10 МГц), і це визначено і посібниками з експлуатації на ці осцилографи (де наведені повні ТТД), і описами типу засобів вимірювання (в яких наведені основні ТТД), які є частиною сертифіката затвердження типу засобу вимірювання, та затвердженими методиками повірки, які верифікують усі ці прилади як придатні до використання. Ще раз акцентую увагу: як технічні аргументи будуть використовуватися лише матеріали, які мають законне визнання на території України, а не «технічні думки виробника», які іноді не співпадають зі здоровим глуздом (про це нижче). Нижче наведено таблицю порівняльних характеристик різних типів осцилографів на основі керівних документів та їх похибки вимірювання часового інтервалу 0,1 мкс.

Це розрахункові похибки виміру часового інтервалу 0,1 мкс. І з цього випливає лише один висновок -Ганьба DPO-4000, що має найгіршу похибку вимірюваннятимчасових інтервалів порівняно з деякими бюджетними цифровими осцилографами та деякими аналоговими осцилографами. І велике спасибі к.т.н-ам – технічним директорам, які зробили це «відкриття» надбанням громадськості!

Але, відійдемо від того, що пише в РЕ виробник Tektronix, а як видно пише він «що в голову спало» і звернемося до нормальної української метрології – все-таки Tektronix DPO-4000 серії включено до українського державного реєстру засобів вимірювання та під час випробувань для цілей затвердження типу СІ ці «заокеанські ляпи» при нормуванні похибок повинні бути усунені та приведені у повну відповідність для метрологічного забезпечення на території РФ. Отже, в описі типу кошти вимірювання DPO4032, DPO4034, DPO4054, DPO4104, включені до держреєстру під номером 32619-06, зазначено:

межі допускається абсолютної похибки вимірювання часових інтервалів, з

± (1 / Fд + 5 × 10 -6 × Tизм + 0,4 × 10 -9 ), де

Fд - частота дискретизації, Tизм - вимірюваний часовий інтервал.

Висновки :

Похибка вимірювання часових інтервалів осцилографів DPO4032, DPO4034, DPO4054, DPO4104 для України наведена вище (Острова Зеленого мису, Нікарагуа, Конго та інші країни з їхньою метрологією нас не цікавлять).
Обмеження значень тимчасового інтервалу, що вимірюється, для України не передбачено.
Метод виміру часового інтервалу не визначено, тобто дана похибка справедлива як методу затриманої розгортки, так методу автоматичних вимірів.
РЕ, що поставляється в комплекті постачання з осцилографом Tektronix серії DPO-4000, не відповідає опису типу на це СІ. Опис типу СІ містить основні технічні характеристики та після включення приладівдо держреєстру РФ, які поважають українських користувачів компанії (наприклад LeCroy) постачають в Україну прилади з РЕ, що повністю відповідають українським нормативним документам. Але, схоже, Tektronix хотів чхати на українську метрологію, а в поєднанні з напівукраїнським користувальницьким інтерфейсом і відсутньою в комплекті та обов'язковою, згідно з описом типу СІ, методикою перевірки (071-1808-00МП), і на всіх українських користувачів.

Тепер повернемося знову до теми "як вимірює Tektronix DPO-4000 серії". Якщо порівнювати, як і раніше, Tektronix DPO-4054 з LeCroy WaveRunner 6050А, то похибка вимірювання часових інтервалів для WaveRunner 6050А визначається формулою згідно з описом типу СІ та РЕ (№ держреєстру 28222-04):

(0,06 × 10 × Кр / Кт + 10 × 10 -6 × Tизм + 5 пс), де

10 - кількість поділів по горизонталі, Кр - встановлене значення коефіцієнта розгортки, Кт - кількість точок внутрішньої пам'яті, Tізм - виміряний часовий інтервал.

Абсолютна похибка вимірювання часового інтервалу 0,1 мкс становить 1,8 * 10-11 секунд або відносна похибка дорівнює 0,018%. Для Tektronix DPO-4054 відносна похибка виміру дорівнює 0,801%. Або співвідношення відносної похибки вимірювання часового інтервалу 0,1 мкс (або 10 МГц) для осцилографів Tektronix DPO-4054 і LeCroy WaveRunner 6050А становить 0,801/0,018 =44,47 рази.

Тобто теоретично, згідно з нормативними документами, офіційно визнаними на території України, осцилографLeCroyWaveRunner6050А вимірює конкретний часовий інтервал 0,1 мкс у 44,47 разу краще, ніж TektronixDPO-4054.

А тепер від теорії перейдемо до практики автоматичних вимірів. Чому до автоматичних вимірів? Не будемо сильноштовхати Tektronix DPO-4000, що він погано вимірює методом затриманої розгортки - там все нормально, якщо не вважати, що на часах затримки кратних 10, генератор затримки працює некоректно. Це неважко виявити, якщо подати тимчасовий маркер 10 мс і зрушити його на 10,0001 мс (за шкалою генератора затримки), при цьому сам сигнал на екрані зрушить всього на 50 нс, хоча повинен зрушити на 100 нс, тобто вдвічі менше чим належить. Так, на малюнку 1 наведено приклад вимірювання часового інтервалу 100 нс, між сигналом з положенням затримки 10,0000 мс (білого кольору) і сигналом з положенням затримки 10,0001 мс (жовтого кольору). Різниця за шкалою генератора затримки становить 100 нс, а значення виміряне за шкалою осцилографа та за допомогою курсорних вимірювань становить близько 55 нс.

Малюнок 1 (тут і далі клацання зображення - збільшення)

Швидше за все, таких «жучків» в осцилографі безліч, але нехай дилери та інженери Tektronix самі тестують генератор затримки DPO-4000 на предмет де і наскільки він бреше, я лише констатую факт – місцями бреше. Для користувача цифрового осцилографа метод затриманої розгортки вкрай незручний через велику кількість проміжних операцій з органами управління, а найчастіше для деяких складних сигналів не застосовується взагалі. Метод автоматичних вимірювань швидкий, простий і зручний у використанні, прогресивний, дає радий переваг, наприклад, статистичну обробку результатів вимірювання.

Для практики вимірювання часового інтервалу використовуємо генератор імпульсів Г5-60, що має досить широкий діапазон установки, як тривалості імпульсу, так і періоду прямування. Імпульсні сигнали використовуємо, щоб мінімізуватиявище гістерезису 1 при вимірюванні тимчасовогоінтервалу. Вимірювання проведемо як одноразового події, так вимірювань у режимі накопичення статистики. При цьому використовуватимемо власні можливості осцилографів без залучення додаткових обчислювальних пристроїв (типу зовнішніх комп'ютерів) та без залучення додаткового програмного забезпечення (власної розробки або типу Excel, MatCad, MathLab та інші), оскільки осцилограф для масового користувача більш цікавий як самостійний пристрій.

На генераторі Г5-60 встановимо тривалість імпульсу 12,3456 мс та період повторення імпульсів 23,4567 мс. Проконтролюємо ці параметри частотоміром CNT-90 (а раптом генератор імпульсів зіпсувався) з опорою від зовнішнього джерела рубідії. Результат контролю: тривалість імпульсу - 12,345600544 мс повторення імпульсів - 23,456402021 мс.

На малюнку 2 наведена осцилограма вимірювання цього сигналу осцилографом DPO-4054 в режимі накопичення статистики (адже тільки методи математичної статистики дозволяють отримати достовірні результати.).