Метрологическая служба ПриСТ предлагает:

Москва: +7 495 777-55-91
Санкт-Петербург: +7 812 677-75-08
Екатеринбург: +7 343 317-39-99

ИНФОРМАЦИЯ » Статьи, публикации, обзоры » Об ограничениях при измерении импульсных напряжений с помощь...

 
Об ограничениях при измерении импульсных напряжений с помощью осциллографов

Автор / источник:

Пивак А.В. к.т.н.


Издавалась:

Журнал «Электронные компоненты» № 4 2006 г.


Цены / каталог / заказ:

Осциллографы цифровые фирмы LeCroy...


Об ограничениях при измерении импульсных напряжений с помощью осциллографов
 

Об ограничениях при измерении импульсных напряжений
с помощью осциллографов

к.т.н. Пивак А.В. ЗАО «Прист»

В статье рассмотрены способы увеличения разрешающей способности при измерении импульсных напряжений на цифровых осциллографах с 8-битным АЦП. Обсуждаются ограничения, накладываемые на исследуемые сигналы при таких режимах работы осциллографов

Рисунок 1. Осциллограф TDS 5000: смещение О В, коэффициент отклонения 200 мВ/дел.

Рисунок 1. Осциллограф TDS 5000: смещение О В,
коэффициент отклонения 200 мВ/дел.
(здесь и далее щелчок по изображению - увеличение)

 
Рисунок 2: Осциллограф TDS 5000: смещение 1 В, коэффициент отклонения 20 мВ/дел.

Рисунок 2. Осциллограф TDS 5000: смещение 1 В,
коэффициент отклонения 20 мВ/дел.

 
Рисунок 3: Осциллограф WR 6100: коэффициент отклонения 200 мВ/дел.

Рисунок 3. Осциллограф WR 6100: коэффициент отклонения 200 мВ/дел.

 
Рисунок 4: Осциллограф WR 6100: коэффициент отклонения окна «цифрового увеличения» 24,5 мВ/дел.

Рисунок 4. Осциллограф WR 6100: коэффициент отклонения окна
«цифрового увеличения» 24,5 мВ/дел.

Измерение параметров формы импульсных сигналов включает в себя определение таких амплитудных характеристик, как амплитуда импульса, выброс и неравномерность плоской части импульса. Самым распространенным средством измерения параметров формы импульса является осциллограф. В настоящее время наибольшее распространение получили цифровые осциллографы на основе аналогово-цифровых преобразователей (АЦП). Одним из основных параметров АЦП, влияющих на точность и разрешающую способность амплитудных измерений, является его разрядность. Для улучшения точности амплитудных измерений необходимо увеличивать разрядность АЦП, но эффективная разрешающая способность АЦП падает при расширении полосы пропускания. Данный факт связан с увеличением собственных шумов в широкой полосе частот и с необходимостью увеличения быстродействия АЦП для расширения полосы пропускания. Общепринятым компромиссом для высокочастотных цифровых осциллографов с полосой пропускания свыше 200 МГц является применение 8-битных АЦП. Таким образом, составляющая погрешности амплитудных измерений из-за разрешающей способности составляет 0,4% (1/256) от полной шкалы прибора.

При измерениях амплитуды импульса обычно добиваются, чтобы размах изображения сигнала на экране осциллографа занимал не менее 80% шкалы. Поэтому на фоне погрешности коэффициента отклонения около 1—2% погрешность из-за разрешения не является доминирующей.

При определении выбросов и неравномерности вершины импульса ситуация обратная, так как обычно величина этих параметров составляет 0,1 — 10% от амплитуды импульса. В этом случае разрешающая способность 0,4% в совокупности с шумами прибора иногда вообще не позволяют провести измерение с нужной точностью. Например, импульс с неравномерностью 1% может отображаться как идеальный.

В полосе частот до 200 МГц для измерения импульсных напряжений существуют другие средства помимо осциллографов. К ним можно отнести 14-разрядные (и более) АЦП или специальные измерители мгновенных значений напряжений, построенные на базе стробоскопических компараторов, например, отечественные И1-10 и РК2-01. Эти средства позволяют определять мгновенные напряжения с погрешностью 0,01—0,1%. Однако если необходимо измерять импульсные напряжения в диапазоне частот свыше 100 МГц, замены осциллографам не существует.

Для преодоления ограничения по разрешающей способности осциллографа многие пользователи используют прибор в качестве «самодельного» компаратора. С помощью внешнего или встроенного в осциллограф источника постоянного смещения устанавливают вершину импульса в центр экрана. Затем увеличивают чувствительность осциллографа вокруг необходимой части сигнала, что позволяет растянуть выброс и неравномерность импульса на экране и задействовать весь динамический диапазон АЦП. При этом разрешающая способность при измерении выброса и неравномерности увеличивается. Но возрастает ли точность измерений? Дело в том, что оставшаяся вне экрана прибора часть импульса будет находиться вне допустимого динамического диапазона входного усилителя осциллографа и АЦП. Соответственно, перегруженные входной усилитель и АЦП могут вызывать искажения реальной формы сигнала, в отличие от специализированных приборов, где этот параметр специально проверяется.

Далее рассматриваются возможные последствия перегруза АЦП и дополнительные способы измерения импульсных напряжений при помощи современного цифрового осциллографа, где в качестве тестового сигнала используется импульс калибратора И1-15 со временем нарастания не более 250 пс и амплитудой 1 В.

Заявленные метрологические характеристики осциллографов некоторых производителей косвенно указывают на возможность использования режима перегруза усилителя АЦП. Например, для осциллографов TDS 5000 компании Tektronix в руководстве по эксплуатации указано следующее [1]: «неравномерность переходной характеристики осциллографа при коэффициентах отклонения от 1 мВ/дел до 100 мВ/дел и амплитуде тестового импульса не более 2 В составляет 0,5% в интервале 20...100 не после начала импульса, 0,2% — в интервале 100 нс … 20 мс, 0,1% - свыше 20 мс». При таких соотношениях амплитуды тестового импульса и коэффициента отклонения следует, что допустим перегруз входного усилителя. Но для того, чтобы перегруженный усилитель не вызывал искажений сигнала, полоса пропускания осциллографа ограничена величиной порядка 20 МГц (время нарастания до 20 нс). Как указывалось выше, в этом диапазоне частот существуют другие средства измерений, позволяющие получить требуемую точность. Высокочастотный осциллограф необходим для исследования импульсов более скоростных, чем со временем нарастания 20 нс. Однако перегруз усилителя вызывает при этом заметные искажения формы сигнала. На рисунке 1 изображена начальная часть тестового импульса на интервале порядка 10 нс, наблюдаемая на осциллографе TDS 5054 с полосой пропускания 500 МГц. Выброс переходной характеристики прибора составляет около 8% (80 мВ). На рисунке 2 изображена вершина импульса, полученная с использованием встроенного источника смещения при повышении чувствительности прибора в 10 раз. На ней выброс отсутствует, так как перегруз АЦП полностью искажает форму сигнала.

Другим способом повышения эквивалентной разрешающей способности осциллографа является включение режима усреднения. Этот режим применим только для периодических сигналов, но он позволяет увеличить разрешение по вертикали до 11... 12 бит [2]. Использование методов статистической обработки данных для увеличения разрешающей способности на порядок широко применяется в измерительных приборах и легко проверяется экспериментально. В частности, для осциллографа такая проверка может быть осуществлена с помощью генератора импульсов Tektronix AFG3021, который позволяет установить амплитуду импульса 1 В с дискретностью 1 мВ (0,1% от установленной величины). Осциллограф с включением усреднения по 256 разверткам в режиме автоматических измерений определяет приращение величиной 1 мВ, в отличие от режима реального времени. Разрешение экрана осциллографа обычно не превышает 800 х 600 точек, т.е. 9 бит по вертикали. Поэтому для детального наблюдения выделенной части импульса необходимо использовать стандартную математическую функцию «цифрового увеличения». На рисунке 3 изображена начальная часть тестового импульса на том же интервале около 10 не, наблюдаемая на осциллографе WR 6100 с полосой пропускания 1 ГГц. Выброс составляет 0,11В при амплитуде импульса 1,2 В, т.е. около 9%. На рисунке 4 изображена вершина импульса, полученная при включении режима усреднения и использования «цифрового увеличения». В окне «цифрового увеличения» определение амплитуды импульса возможно с разрешением 0,001 В, что на порядок лучше, чем в обычном режиме (измеренное значение выброса 0,112 В). При этом нет никаких отличий в форме импульса между основным и «растянутым» сигналами.

Если сигнал является непериодическим или однократным, то режим усреднения не может быть использован. В этом случае увеличения вертикального разрешения добиваются с помощью математической обработки входного сигнала с помощью КИХ-фильтра, использующего избыточность цифровых отсчетов АЦП (режим «увеличение разрешения»). Фильтрация снижает полосу пропускания осциллографа до 200 ...300 МГц, но увеличивает разрешение примерно в 5 раз [3]. Данный режим полезно использовать совместно с включением встроенного низкочастотного фильтра, физически ограничивающего полосу пропускания осциллографа до 200 МГц. Это уменьшает шум осциллографа и увеличивает числа полезных бит. Например, при коэффициенте отклонения 200 мВ/дел. среднеквадратичное значение напряжения шумовой дорожки осциллографа WR 6100 составляет 8 мВ, а при включении фильтра НЧ 200 МГц и режима «увеличения разрешения» (полоса 160 МГц) шум снижается до 2 мВ. Однако специализированные 14-разрядные АЦП имеют в полосе до 200 МГц на порядок лучшие характеристики.

Таким образом, применение цифровых осциллографов для измерения импульсных напряжений имеет ряд серьезных ограничений. Поэтому с их помощью имеет смысл проводить точные измерения амплитудных характеристик только периодических импульсных напряжений в полосе частот свыше 200 МГц, при этом минимальная погрешность измерения ограничена снизу разрешающей способностью 0,05 … 0,1%.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Руководство по эксплуатации на осциллографы Tektronix серии TDS5000.
  2. Application note 1473. Agilent Technologies.
  3. Руководство по эксплуатации на осциллографы LeCroy серии WR6000.

Отсутствие ошибок и опечаток не гарантируется. Технические характеристики средств измерений неутвержденного типа могут быть изменены без предупреждения.
На нашем сайте работает система коррекции ошибок Orphus. Обнаружив неточность в тексте, выделите ее и нажмите Ctrl+Enter. Сообщение об ошибке будет получено администратором сайта. Спасибо за помощь!