Grunderna för 8-bitars- och 12-bitarsoscilloskop och hur du använder moderna 12-bitarsoscilloskop

Det finns många tillämpningar där konstruktörer samt provnings- och mättekniker måste göra mätningar med stort dynamiskt omfång för att titta på mycket små signaler i närvaro av stora signalamplituder. Kontroll av effektintegritet, ekolokalisering och avståndsmätningssystem som radar och sonar är medicinska avbildningssystem som system för kärnmagnetisk resonans (NMR) och magnetkamerasystem (MRI) samt icke förstörande provning med ultraljud är några av dessa typer av tillämpningar.

Oscilloskop är standardverktyget för att göra den här typen av mätningar i systemutvecklings- och prototypkonstruktionsstegen, men de begränsas huvudsakligen av den vertikala upplösningen i oscilloskopets front-end. Till exempel har ett 8-bitarsoscilloskop ett dynamiskt omfång på 256:1, så i ett 1-voltsområde är den teoretiska minimisignalen 3,9 millivolt (mV). När du försöker visa rippelsignaler på millivoltnivå på en 3,3-voltsbuss, behövs högre känslighet och offset. När du använder sonder med hög dämpning för att undvika kretsbelastning dämpas signalnivåerna vid oscilloskopets ingång och är svåra att mäta om instrumentet inte har hög upplösning.

Problemet är att högre känslighet i närvaro av en större signal eller offset kräver oscilloskop med högre upplösning och dessa är typiskt sett dyra, särskilt för kvalitetsoscilloskop med ingångar med lågt brus. Högre upplösning utan ett lägre brusgolv är meningslöst.

Konstruktörerna och utvecklarna behöver ett 12-bitarsoscilloskop till ett rimligt pris med lågt brusgolv i dess front-end. En lösning på det här behovet av hög upplösning med lågt brus i front-end till låg kostnad är Teledyne LeCroys WaveSurfer 4000HD-serie av oscilloskop med hög upplösning. Den här artikeln diskuterar svårigheten med mätningar med brett dynamiskt omfång, högupplösta oscilloskops roll och hur de kan användas effektivt för mätningar med brett dynamiskt omfång.

Vertikal upplösning för oscilloskop

Oscilloskopets vertikala upplösning syftar på förhållandet mellan den högsta ingångssignal som oscilloskopet kan hantera och den lägsta signalamplitud det kan känna av. Upplösningen kvantifieras normalt av antalet bitar i analog-till-digitalomvandlaren (ADC). Upplösningen är lika med 2 upphöjt till antalet bitar. Det innebär att en 8-bitarsomvandlare har en upplösning på 2⁸ eller 256:1. En 12-bitarsomvandlare har en upplösning på 4096:1, vilket är 16 gånger högre än en 8-bitarsomvandlare.

Under många år erbjöd digitala oscilloskop 8-bitarsupplösning i oscilloskop med högre bandbredd. Det beror på en konstruktionskompromiss i A/D-omvandlare som gör upplösningen, mätt i antal bitar, omvänt proportionell mot omvandlarens maximala samplingsfrekvens. För cirka åtta år sedan var Teledyne LeCroy först med 12-bitarsoscilloskop, som kallas högupplösta oscilloskop eller HD-oscilloskop. De har nyligen lagt till WaveSurfer 4000HD-serien till HD-produktsortimentet. Serien inkluderar fyra oscilloskop med bandbredd på 200, 350, 500 och 1000 MHz. De har alla en samplingsfrekvens på 5 gigasamples per sekund (GS/s) vilket är mycket bra för ett 12-bitarsoscillokop. Interna digitala ingångar med blandade signaler, DVM, funktionsgenerator och frekvensräknare är tillgängliga för att komplettera det här multiinstrumentsortimentet. Familjen erbjuder allt detta tillsammans med 12-bitarsupplösning till ett rimligt pris.

Att öka upplösningen i ett oscilloskop kräver förstås mer än att bara byta A/D-omvandlare. Det kräver även att signal-brusförhållandet (SNR) förbättras för oscilloskopets front-end så att den känsliga A/D-omvandlaren inte fylls med brus. Ett 12-bitarsoscilloskop med en 8-bitars front-end är fortfarande ett 8-bitarsoscilloskop. Oscilloskopfamiljen WaveSurfer 4000HD har dock implementerat HD-konceptet med framgång. Dess vertikala upplösning på 12-bitar i kombination med en front-end med lågt brus ger 12-bitarsprestanda som i faktiska tal är 16 gånger känsligare i ett givet amplitudområde än ett 8-bitarsoscilloskop.

Jämförelse mellan 12-bitars- och 8-bitarsmätningar

HD-oscilloskop är avsedda för mätningstillämpningar som har vågformer som uppvisar ett brett dynamiskt omfång. Det här är mätningar som samtidigt inkluderar en hög amplitudsignal tillsammans med låga signalnivåer. Tänk på en tillämpning som en avståndsmätare med ultraljud. Den sänder ut en puls med hög amplitud och inväntar ett lågamplitudeko från målet. Högamplitudsignalen avgör vilket spänningsområde som krävs för oscilloskopets vertikala förstärkare. Upplösningen och systembruset avgör den lägsta ekosignal som kan uppmätas (figur 1).

Figur 1: Samma ultraljudssignal återgiven med 12-bitars och 8-bitars vertikal upplösning. Den övre banan innehåller båda versionerna av hela signalen lagda ovanpå varandra. De nedre banorna visar en förstorad del av vågformen. Skillnaden är liten vid en granskning av signalkomponenterna med hög amplitud, men signalerna med låg nivå visar en tydlig fördel för 12-bitarsåtergivningen. (Bildkälla: DigiKey)

Den övre bilden visar de uppfångade signalerna med både 12-bitars och 8-bitarsupplösning lagda på varandra. Det går inte att se någon större skillnad mellan vågformerna. Bilden i mitten visar 12-bitarsvågformen expanderad både horisontellt och vertikalt. Den nedre bilden är samma del av 8-bitarsvågformen. Den bristande detaljnivån för lågnivåsignalerna i 8-bitarsversionen är tydlig. Notera även att signaltopparna i 12-bitarsåtergivningen visar tydliga skillnader som förloras i 8-bitarsversionen.

Tillämpningar med mätning med brett dynamiskt omfång

Mätningar med brett dynamiskt omfång inkluderar alla ekolokaliserings- och avståndsmätningstillämpningar som radar, sonar och LiDAR. Många medicinska bildbehandlingstekniker som NMR och MRI bygger på liknande tekniker: att låta en utsänd högnivåpuls studsa mot kroppen och ta emot och analysera ekon eller stimulerade emissioner från den sända signalen. På liknande sätt använder ultraljudsbaserad teknik som icke förstörande provning (NDT) reflekterade ultraljudspulser för att upptäcka sprickor och brister i solida material.

Mätningar av effektintegritet där små millivoltsignaler som brus och rippel mäts på busspänningar mellan 1 och 48 volt, eller högre, kräver också oscilloskop med breda dynamiska omfång.

Tänk på mätsignaler från en enkel ultraljudsavståndsmätare eller ett elektroniskt mätband (figur 2). Ultraljudsavståndsmätaren avger fem pulser för varje mätning med cirka 16,8 ms mellanrum. Istället för att mäta dödtiden mellan dessa pulser använder Teledyne LeCroys 12-bitarsoscilloskop WaveSurfer 4104HD en sekvenslägesregistrering som bryter ner oscilloskopets minne i ett användarvalt antal segment, fem i det här exemplet.

Figur 2: Ett WaveSurfer 4104HD-oscilloskop från Teledyne LeCroy som används för att mäta en 40 kHz ultraljudssignal för avståndsmätning. Överst visas fem pulser per mätning med cirka 16,8 millisekunder (ms) mellan dem. (Bildkälla: DigiKey)

Varje segment tar emot en utsänd puls och tidsstämplar utlösningspunkten. Den övre banan är den mottagna vågformen med varje segment markerat. En zoommätning (undre bilden) visar ett valt segment, i det här fallet det första. Tabellen nedtill på skärmen visar tidsstämplarna för varje trigger, tiden sedan segment 1 och tiden mellan segment. Den sända pulsen har en amplitud från topp till topp på 362 mV medan det reflekterade ekot har en amplitud topp till topp på endast 21,8 mV. Det är skillnaden i amplitud som gör det här till en mätning med brett dynamiskt omfång. Figuren använder en ekoamplitud som syns på skärmen, men 12-bitarsupplösningen fångar signalen vid lägre amplituder än oscilloskopets pixelåtergivning, vilket visas i figur 1.

Mätningar av effektintegritet kräver också oscilloskop med brett dynamiskt omfång. Rippelspänningsmätningar kräver förmågan att mäta millivoltsignaler på strömbussar. I exemplet i figur 3 mäter den övre grafen rippel i en 5-voltsbuss. Rippelspänningen är 45 mV_{topp till topp} ovanpå en busspänning på 4,98 volt direktavläst med WaveSurfer 4104HD:s mätparametrar P2 resp. P1. Den nedre grafen är "Fast Fourier"-transformen (FFT) av rippelspänningen och visar ett övertonsrikt spektrum med en fundamental komponent på 982 Hz.

Figur 3: En effektintegritetsmätning på en 5-voltsbuss för ett dotterkort visar rippelspänningen och FFT för rippeln. (Bildkälla: DigiKey)

Utöver hög upplösning kräver den här tillämpningen ett oscilloskop med bra offset. I det här exemplet har oscilloskopet ±8 volt offset på 10 mV-skalan. Offsetområdet är i skala med oscilloskopets vertikala område. Om ett högre offsetområde krävs har Teledyne LeCroys RP4030 en probe med 30 volts offsetområde. Matningsprober är särskilt utformade för mätningar på strömmatningar med låg impedans. De har hög inbyggd offset, hög ingångsimpedans samt låg dämpning och lågt brus. Den här specifika proben har en bandbredd på 4 GHz, dämpning på 1,2 och en ingångsimpedans på 50 kΩ.

HD-oscilloskop kan även hantera högre spänningsmätningar som sådana som uppstår i SMPC:er (switched mode power converters). SMPC:er inkluderar strömförsörjningar, växelriktare och industriella styrenheter. De styr effekten genom att justera driftcykeln eller frekvensen för en switchad vågform. Huvudmätningarna inkluderar spänning över och strömmen genom strömomkopplingsenheterna, normalt en fälteffekttransistor (FET). För att hjälpa utvecklarna med SMPC-mätningar erbjuder Teledyne LeCroy tillämpningsspecifik programvara samt spännings- och strömprober. En typisk mätning visas i figur 4.

Figur 4: Bestämning av en SMPC:s förluster innefattar att mäta spänningen och strömmen för strömomkopplingsenheterna och sedan beräkna effektförlusten i varje fas för strömomkopplingscykeln. (Bildkälla: DigiKey)

Strömmen, den rosafärgade linjen, mäts med Teledyne LeCroys strömprobe av modell CP030A. Den här klämproben har en maximal ströminmatning på 30 ampere (A) och en bandbredd på 50 MHz. Spänningsvågformen, som visas som en beige linje, mäts med Teledyne LeCroys högspänningsdifferentialprobe HVP1306. Den här proben är klassad för en maximal CATIII-spänning på 1000 volt med en bandbredd på 120 MHz. Båda proberna känns igen av WaveSurfer-oscilloskopet, som automatiskt skalanpassar de uppmätta vågformerna för att väga in probens förstärkningar och mätenheter.

Effektmätningsprogramvaran automatiserar de vanligaste SMPC-mätningarna. Figur 4 visar beräkningen av enhetens effektavledning som den gula linjen. Detta beräknas utifrån ström- och spänningsvågformerna för hela switchningscykeln. Mätparametrarna isolerar och visar påslagning, konduktion, avstängning och förluster i av-tillstånd baserat på de registrerade vågformerna, med varje zon tydligt avgränsad av ett färgöverlägg. Det visar även den totala förlusten från alla zoner samt switchningsfrekvensen. Andra tillgängliga mätningar, utöver enhetsmätningarna som visas i figuren, hjälper till att karaktärisera styrkretsens dynamik, näteffekt och prestandaegenskaper som verkningsgrad.

12-bitarsupplösningen är också användbar i effektmätningar när motståndet mellan drain och source (Rds) för en kraft-FET beräknas. Detta kräver att en spänning i storleksordningen en eller två volt på en vågform med svängning topp till topp i storleksordningen 400 volt. WaveSurfer 4000HD-serien är kompatibel med alla Teledyne LeCroy-prober som är kompatibla med oscilloskopets bandbreddsområde (figur 5).

Figur 5: Teledyne LeCroys WaveSurfer 4000HD-oscilloskop är kompatibla med företagets omfattande utbud av prober, inklusive proberna för strömmätning som visas här. (Bildkälla: Teledyne LeCroy)

Ett stort utbud av tillämpningar innebär en högre standard för oscilloskop för krävande drift

WaveSurfer 4000HD-serien är inte begränsad till tillämpningar med brett dynamiskt omfång. Det är ett utmärkt oscilloskop och kan sätta en högre standard för oscilloskop för krävande drift. Det är ett bra val för felsökning av låghastighetsseriedata och erbjuder analyspaket och prober för att stötta seriebussar som SPI, I²C, UART-baserade länkar samt fordonsbussar som LIN, CAN och FLEXRAY.

Seriebussanalys kräver förmåga att registrera och avkoda bussprotokollet och läsa av datainnehållet (figur 6). Det färgkodade överlägget visar varje paket. Det röda överlägget indikerar adressdata och de blå överläggen visar datapaketen. Adress- och datainnehållet visas i överlägget. Avkodad information är tillgänglig i binärt format samt hex- eller ASCII-format. Tabellen längst ner på displayen sammanfattar registrerade transaktioner och visar tid i förhållande till triggerpunkten, adresslängd, adress, riktning (läsa eller skriva), antal paket och datainnehåll. Triggningen kan baseras på aktivitet, adress, datainnehåll eller en kombination av adress och data.

Den aktiva differentialproben Teledyne LeCroy ZD200 är ett bra val för att mäta seriedata. Den här 10:1-proben har en ingångsimpedans på 1 MOhm, en bandbredd på 200 MHz och kan hantera olika spänningar på upp till 20 volt och common mode-spänningar på upp till 50 volt. Den är särskilt väl anpassad för differentialbussar som CAN.

Figur 6: Seriell triggning med låg hastighet och avkodning av I²C-bussen inkluderar förmågan att läsa datainnehållet i bussen. Här visas hämtning och avkodning av en I²C-bussignal för både läsning och skrivning. (Bildkälla: DigiKey)

Slutsats

Trots att 8-bitarsoscilloskop alltid kommer att ha en plats är det många tillämpningar som skulle ha nytta av HD och det breda dynamiska omfånget hos ett äkta 12-bitarsoscilloskop, men den relativt höga kostnaden har inneburit att de varit utom räckhåll för många konstruktörer och testingenjörer. Teledyne LeCroys WaveSurfer 4000HD-serieoscilloskop löser det här problemet med en mycket lägre ingångskostnad.

De möjliggör HD-mätningar baserade på 12-bitars vertikal upplösning, 5 GS/s maximal samplingsfrekvens och lågt brusgolv. De är även kompatibla med Teledyne LeCroys prober och analysprogrampaket. Dessa oscilloskop öppnar dörren för kostnadseffektiva mätningar med brett dynamiskt omfång och utökar tillgängligheten från forskningslaboratorier till teknikers arbetsbänkar eller fabriksgolvet.