Статьи


Цифровая обработка сигналов в осциллографах LeCroy

Цифровая обработка сигналов в осциллографах LeCroy
 

Перевод с англ. коллектив АО «ПриСТ»

Назначением данной статьи является представление общей информации о применении DSP в осциллографах LeCroy с технологией X-Stream и объяснение того, как эти методы позволяют значительно улучшить характеристики приборов.

Введение

На протяжении многих лет обработка сигналов остается востребованной задачей. Наиболее часто такого рода операции выполнялись с помощью аналоговой техники. Не являясь относительно новой, цифровая техника в виде цифровой обработки сигналов DSP постепенно замещает аналоговую технику во многих приложениях, таких как мобильные телефоны, цифровое радио и т.д. Сфера измерений не является в этом ряду исключением. Цифровая обработка сигналов применяется в векторных анализаторах цепей и в импульсных рефлектометрах. Хотя техника DSP широко используется и применяется, только недавно она нашла применение в цифровой осциллографии реального времени.

LeCroy явился пионером по внедрению DSP в цифровые осциллографы и разработал программные алгоритмы для улучшения качества измерений . В этой области LeCroy получил 2 патента и теперь DSP применяется в осциллографах LeCroy "hi - end" класса, таких как WaveMaster и SDA.

Назначением данной статьи является представление общей информации о применении DSP в осциллографах LeCroy с технологией X-Stream и объяснение того, как эти методы позволяют значительно улучшить характеристики приборов.

Некомпенсированная АЧХ осциллографов

При разработке и изготовлении осциллографов множество компонентов подвергаются согласованию и настройке для получения гарантированных характеристик. В основном, производители осциллографов не публикуют характеристики ненастроенных приборов, поскольку это обычно не важно для пользователей приборов. В замен этого производители публикуют финальные послекалибровочные данные с указанием границ допуска на полученные значения.

В осциллографах LeCroy неравномерность амплитудо-частотной характеристики (АЧХ) гарантируется путем комбинации аппаратных и программных решений. Аппаратная техника используется для достаточно грубой настройки АЧХ . Для понимания использования DSP с осциллографами WaveMaster и SDA , продемонстрируем некомпенсированную АЧХ прибора, которая достигается только аппаратной частью настройки. На рисунке 1 показана АЧХ осциллографа WaveMaster после аппаратной «грубой» настройки частотной зависимости входных усилителей прибора.

Рисунок
Рисунок 1 – Некомпенсированная АЧХ каналов
(4 канала при коэффициенте отклонения 200 мВ/дел)
(здесь и далее щелчок по изображению - увеличение)

Эти начальные характеристики могут даже рассматриваться как вполне приемлемые и полоса осциллографа по уровню (-3) дБ соответствует заявленной. Однако, из рисунка видно, что АЧХ не соответствует частотной характеристики идеального фильтра Бесселя и имеет значительные колебания между уровнями (-2) и (-3) дБ. Также АЧХ разных каналов имеют значительные расхождения на частотах свыше 3 ГГц, после которых колебания АЧХ и канальное согласование становятся очень плохими.

Финальная настройка АЧХ

Чем выше частота, тем все более сложнее обеспечить необходимый вид АЧХ, используя только аппаратную технику. В этом случае наступает черед DSP. Правильное применение цифровой обработки сигналов является хорошим решением для получения высокого качества отображения входного сигнала. При этом необходимо отметить, что основная задача осциллографа – это правильное представление входного сигнала, и не столь принципиально, каким образом эта задача решается. Но любым методам, которые используются для решения этой задачи, свойственны недостатки. Недостатками применения DSP являются следующие моменты:

Время обработки - DSP является очень сложным расчетным алгоритмом.

  1. Методы разработки - DSP требует специальных приемов и методов разработки приборов.
  2. Ограничение теоремы Котельникова – частота дискретизации должна быть минимум в два раза больше максимальной частоты в спектре исследуемого сигнала.

Собственные огромный опыт и новые технологии в разработке приборов позволяют LeCroy эффективно преодолевать эти недостатки в своих осциллографах.

Рисунок 2 описывает структуру системы цифровой обработки сигналов в осциллографе WaveMaster . Задача системы – обеспечить форму АЧХ прибора, которая наиболее приближена к характеристики идеального фильтра Бесселя 4-ого порядка. Очевидным преимуществом такого подхода являет то, что он менее сложен в реализации на высоких частотах и позволяет не использовать дополнительные аппаратные компоненты. В дополнение к этому такая система очень точная, абсолютно предсказуемая и стабильная на протяжении длительного времени.

Рисунок
Рисунок 2 – Принципиальная схем цифрового фильтра в WaveMaster
(щелчок по изображению - полноразмерная схема в формате Adobe PDF)

Ключевым правилом в применении цифровой фильтрации является условие выполнения теоремы Котельникова. Т.е в сигнале не должно быть спектральных компонентов с частотой, превышающей половину частоты дискретизации прибора.. LeCroy выполняет это правило и применяет программную компенсацию толко когда частота дискретизации осциллографа составляет 10 ГГц и выше, а полоса пропускания составляет 3 ГГц и выше.

Рисунок
Рисунок 3 – Финальная скомпенсированная АЧХ
(4 канала с коэффициентом отклонения 200 мВ/дел)

Рисунок 3 показывает результат применения DSP компенсации для примера, приведенного на рисунке 1. Как видно, АЧХ хорошо согласуется с характеристикой идеального фильтра Бесселя четвертого вплоть до частоты 6 ГГц. Хотя на форме АЧХ присутствуют колебания, но их амплитуда обычно не превышает ±0,5 дБ относительно идеального значения. Кроме этого, вариация формы АЧХ от канала к каналу также минимальна.

Видя такой результат , может возникнуть вопрос почему другие производители осциллографов не используют DSP для коррекции АЧХ . На самом деле все производители используют DSP в той или иной степени. LeCroy применяет в своих приборах интенсивное использование цифровой обработки сигналов. В будущем можно ожидать все более и более широкого применения этой техники как лучшей среди методов, сочетающих в себе преимущества аналоговой, аппаратной и цифровой технологий для обеспечения требуемой формы АЧХ.

Выводы

Цифровая обработка сигналов является мощной технологией для компенсации АЧХ каналов осциллографа и дает преимущества, которые невозможно получить с помощью только аппаратной компенсации: предсказуемость, неизменность от температуры и во времени, малое использование дополнительных компонентов и способность аккуратно компенсировать высокочастотные искажения.


Автор:  Перевод с англ. коллектив ЗАО «ПриСТ»
Дата публикации:  18.11.2005
Производитель:  lecroy

Возврат к списку



У нас представлены товары лучших производителей

ПРИСТ предлагает оптимальные решения измерительных задач.

У нас вы можете не только купить осциллограф, источник питания, генератор сигналов, анализатор спектра, калибратор, мультиметр, токовые клещи, но и поверить средство измерения или откалибровать его. Мы имеем прямые контракты с крупнейшими мировыми производителями измерительного оборудования, благодаря этому можем подобрать то оборудование, которое решит Ваши задачи. Имея большой опыт, мы можем рекомендовать продукцию следующих торговых марок:


Внимание! Отсутствие ошибок и опечаток не гарантируется. В технические характеристики средств измерений неутвержденного типа производителем могут быть внесены изменения без предварительного уведомления. Соответствие важных параметров требует уточнения. Нашли ошибку? Выделите мышкой и нажмите Ctrl+Enter.

Войти в личный кабинет

Заказать обратный звонок

Обратите внимание, все поля - обязательны для заполнения.
Обновить

Обратная связь

Обратите внимание, все поля - обязательны для заполнения.
Обновить