Шість порад щодо підвищення точності вимірювань за допомогою високоякісних осцилографів.

Осцилографи є контрольно-вимірювальними приладами, і тому можливість виконання точних вимірів є їх основним якісним показником. У цій статті обговорюються деякі з цих функцій, здатних суттєво підвищити точність вимірів, а також загальні питання підвищення точності вимірів осцилографів.

Точність вимірювань та статистика

Для достовірного прогнозування надійності цифрової системи треба зазначити статистичні показники її функціонування. Окремі вимірювання часу встановлення, часу утримання, затримки розповсюдження та фазового зсуву сигналу не дозволяють адекватно оцінити ймовірність помилки, пов'язаної з порушенням тимчасових співвідношень. У той же час технологія, заснована на параметрах з найгіршими значеннями, може виявитися неоптимальною. Вимірювання найгіршого випадку не показують, наскільки часто і за яких умов може виникнути цей найгірший випадок.

У таких ситуаціях цінну інформацію може стати статистика вимірювань. Взагалі вимірювання виконуються на численних захватах деякого сигналу. Потім результати всіх вимірів усереднюються та розраховуються відповідні статистичні показники. Як приклади таких показників, що розраховуються осцилографами, можна навести середнє значення, стандартне відхилення, мінімальне та максимальне значення виміряних величин.

Стандартне відхилення є мірою розкиду виміряної величини (наскільки окремі значення відхиляються від середнього). Якщо стандартне відхилення невелике, значить, більшість окремих вимірювань, що використовуються для розрахунку середнього значення, розташовані дуже близько від цього середнього значення.Якщо стандартне відхилення велике, отже, результати вимірів мають досить великий розкид. Не забувайте, що величина стандартного відхилення має оцінюватись порівняно із середнім значенням. Стандартне відхилення 20 нс мало, якщо середнє значення одно секунді, але велике, якщо середнє значення дорівнює 25 нс. Невелике стандартне відхилення означає, що отримані результати мають високу відтворюваність (щільно згруповані, мають високий ступінь повторюваності тощо), але воно не означає, що вони безпомилкові. Цілком можна отримати результати, які щільно згруповані навколо невірного значення
Мінімальним та максимальним значенням називається мінімальний та максимальний результат конкретного вимірювання. Ці значення показують діапазон розкиду результатів, обчислений на основі вимірів. Аналізуючи, наскільки далеко відстоять ці значення середньої величини, ви можете оцінити абсолютне максимальне відхилення своїх вимірів. Однак ця статистична величина найбільш чутлива до похибок виміру. Якщо крайні значення є реальними тому, що вони пов'язані з помилками процесу вимірювання чи з аномаліями сигналу, їх треба враховувати. Однак якщо вони виникли через помилки, то максимальні та мінімальні значення вимірювання можуть демонструвати великі абсолютні відхилення, тоді як насправді результати не матимуть такого великого розкиду.

Тепер, коли ви зрозуміли сенс статистичних показників, які може дати ваш осцилограф, розглянемо можливі способи підвищення точності вимірювань.

Порада 1. Використовуйте повний динамічний діапазон аналого-цифрового перетворювача

Для перетворення аналогових сигналів на цифрові (які потім можутьоброблятися, аналізуватися, відображатися та зберігатися) в осцилографах застосовуються аналого-цифрові перетворювачі (АЦП).

Для максимального підвищення точності вимірювання осцилограма повинна відображатися з використанням всього динамічного діапазону АЦП. Це означає, що осцилограма має мати максимальний вертикальний розмах на екрані осцилографа. У попередніх поколіннях осцилографів вертикальна чутливість змінювалася дискретно з кратністю кроку 1-3-5, тобто значення напруги на один поділ встановлювалося кроками, кратними 1, 3 або 5. Однак для тонкого налаштування амплітуди сигналу відповідно до повного динамічного діапазону АЦП часто потрібно більше дрібний крок. Осцилографи серії Agilent Infinitum 90000A та нової серії Agilent Infiniium 9000A обладнані з цією метою налаштуванням вертикальної вертикальної чутливості з малим кроком, що дозволяє ефективніше використовувати динамічний діапазон АЦП (рис. 1). Користувач може, як і раніше, користуватися традиційним дискретним налаштуванням, але при натисканні відповідний регулятор переходить у режим верньєра.

Мал. 1. Новий осцилограф серії Agilent Infiniium 9000A, обладнаний налаштуванням вертьера

Використання повного динамічного діапазону АЦП для відображення сигналу є важливим і в тих випадках, коли доводиться працювати з декількома осцилограмами. Найчастіше потрібно вивести кілька осцилограм на один екран. Але оскільки при цьому не так просто відрізнити один сигнал від іншого, доводиться змінювати вертикальний масштаб і зрушувати сигнали по вертикалі, щоб осцилограми не перекривалися. Якщо осцилограми потрібно просто розглянути, то їхнє накладення один на одного або рознесення в різні зони по вертикалі нічого страшного не несе. Але якщо ви виконуєте вимірювання,це може призвести до істотного зниження точності, оскільки ви знижуєте вертикальну роздільну здатність і відношення сигналу до шуму. Краще розділити екран на окремі вікна. У кожному з цих вікон має бути задіяний весь динамічний діапазон АЦП, що дозволяє використовувати повний розмах всім осцилограм.

Порада 2. Точно встановлюйте пороги вимірювань

Зазвичай осцилографи використовують стандартні рівні порогів 10-90%. Це означає, що така величина як тривалість фронтів розраховується як час зміни рівня осцилограми від 10 до 90% амплітуди. Однак у багатьох стандартах використовують пороги 20-80%. Отже, під час виконання вимірювань необхідно, щоб пороги відповідали вимогам конкретного стандарту. Крім того, якщо аналізована осцилограма має викиди або дзвони, можна покращити результати, встановивши нижній та верхній поріг виміру на 20 і 80% відповідно.

Порада 3. Обмежуйте смугу пропускання відповідно до вимог вимірювання

Багато користувачів вважають, що чим ширша смуга пропускання, тим краще. Якщо ви виконуєте вимірювання 4-гігагерцовим осцилографом, то з 8-гігагерцовим вони будуть ще точнішими, правильно? Але насправді це завжди так. Обмежуючи смугу осцилографа до того значення, яке реально потрібне для конкретного виміру, ви обмежуєте шум, а отже, підвищуєте точність.

Осцилографи серії Agilent Infiniium 90000A дозволяють обмежувати смугу пропускання за допомогою смугового фільтра, доступного в діалоговому вікні Acquisition («Захоплення») меню осцилографа. Цей фільтр легко вмикається шляхом встановлення прапорця, після чого активується відповідне поле, в якому можна вибрати одну з пропонованих смуг.

Більше того, ви можете придбатиосцилограф, смуга якого відповідає вашим поточним потребам, а потім оновити його, якщо для вимірювань знадобиться велика смуга. Осцилографи серії Agilent 90000A дозволяють розширювати смугу пропускання описаним вище способом. Наприклад, якщо ви працюєте з шиною PCI-Express Gen 2, можна купити осцилограф з меншою смугою, а потім розширити її, коли ви почнете працювати з шиною PCI-Express Gen 3 (у зв'язку з великими вимогами цієї шини до смуги пропускання ).

Порада 4. Вимірюйте всі фронти

За виконання вимірювань фронтів зазвичай вимірюються характеристики однієї з них, та був розраховуються статистичні показники з урахуванням серії вимірів. Однак, якщо ваш осцилограф має режим, в якому вимірюються часові параметри всіх фронтів захопленого сигналу, це може суттєво підвищити точність вимірювання періодичних сигналів. Наприклад, осцилографи серії Agilent Infiniium 90000A та 9000A мають функцію вимірювання всіх фронтів, здатну охопити до двох мільйонів фронтів. Це дозволяє виконувати статистичний аналіз усієї осцилограми (до двох мільйонів фронтів), а не одного фронту.

Порада 5. Використовуйте відповідний пробник/головку пробника

АЧХ будь-якого пробника тією чи іншою мірою відрізняється від ідеалу, що робить внесок у загальну похибку системи. Крім того, пробник та вимірювана схема утворюють ланцюг, характеристики якого відрізняються від характеристик схеми без пробника. Сигнал на щупі пробника не такий, як сигнал, що знаходиться в тому ж місці при відключеному пробнику. Навантаження, що створюється пробником, часто надає більший вплив, ніж передавальна характеристика осцилографа, і повинна враховуватися при аналізі похибок вимірювання. Ось кілька порад щодо пробників та точностівимірювань:

Перевірте повний вхідний опір пробника та оцініть його вплив на ваш ланцюг. Не забувайте, що вплив навантаження зростає із зростанням частоти, намагайтеся використовувати максимально короткі дроти «землі».
Пробник вноситиме мінімальні спотворення у вимірюваний сигнал, якщо він має плоску АЧХ у смузі вимірювання. Плоска АЧХ дозволяє точно передати сигнал в осцилограф.
Неможливо виміряти краще, ніж це дозволяє пробник і з'єднувальні дроти, тому ретельно вибирайте пробники і застосовуйте їх з відповідними пристроями узгодження. Це покращить результати вимірювань та їх відтворюваність.
Осцилограф та пробник утворюють єдину вимірювальну систему (рис. 2).

Мал. 2. Пробники серії InfiniiMax 1168A/1169A чи N2870A

Якщо ви правильно знаєте вплив пробника на загальну смугу пропускання системи, то можете правильно вибрати осцилограф і пробник. Найкраще, що може зробити пробник, це максимально знизити вплив на схему, що вимірюється, і передати сигнал з мінімальними спотвореннями.

Порада 6. Знижуйте шум

Один метод зниження шумів (обмеження смуги) ми вже обговорювали, але далеко не єдиний. Наприклад, багато осцилографів (такі як Agilent Infiniium 90000A і 9000A) пропонують режими захоплення з високою роздільною здатністю. Більшість цифрових осцилографів у нормальному режимі захоплення мають вертикальну роздільну здатність 8 біт. На відміну від цього, в режимі високої роздільної здатності (зазвичай до 12 біт) знижується шум каналу вертикального відхилення і підвищується роздільна здатність по вертикалі. Щоправда, за це доводиться розплачуватися звуженням смуги пропускання та зниженням частоти дискретизації осцилографа.

Також для зниження шумів можна застосовувати режимиусереднення. Однак для цього сигнал повинен бути періодичним або являти собою постійну напругу. У цих режимах виконується усереднення періодичного сигналу за результатами багаторазових захватів, у результаті вдається знизити шум. Але при цьому також звужується смуга та знижується частота дискретизації.

Висновок

Знання того, як впливають на вимірювання різні параметри та пристрої, може серйозно позначитися на точності вимірювання. Правильне використання всіх можливостей пробника та осцилографа завжди гарантує отримання точних результатів.