О высоком разрешении цифровых осциллографов

В статье рассматриваются особенности осциллографов высокого разрешения на примере осциллографов производства компании Siglent. С тех пор как в мае 2011 года компания LeCroy представила серию осциллографов высокого разрешения HRO с полосой пропускания до 600 МГц прошло 13 лет и осциллографы высокого разрешения перестали быть труднодоступной экзотикой. Сегодня все ведущие производители выпускают осциллографы с 10-битным и/или 12-битным АЦП.

Осциллографы высокого разрешения с 12-битным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) обладают значительными преимуществами по сравнению с обычными цифровыми осциллографами, оснащенными 8-битным АЦП. Основное преимущество заключается в повышенной точности и детализации измерений. Разрешение в 12 бит позволяет осциллографу различать 4096 уровней сигнала, тогда как 8-битные приборы способны распознать лишь 256 уровней. Это улучшение в 16 раз обеспечивает более точное представление аналоговых сигналов, что особенно важно при работе с низкоамплитудными сигналами или при необходимости детального анализа сложных форм волны.

Более высокое разрешение также снижает уровень шума и улучшает соотношение сигнал/шум, что позволяет выделять мелкие особенности сигнала, которые могли бы быть упущены на менее точных приборах. Это критично в таких областях, как разработка и тестирование высокоточных аналоговых схем, аудиооборудования и медицинских приборов, где каждая мелкая деталь сигнала может быть важна.

Основные характеристики

При подборе осциллографа для решения измерительной задачи пользователь сталкивается с необходимостью сравнения осциллографов, которые отличаются как по цене, так и по своим техническим возможностям. Предварительное сравнение можно осуществить по основным характеристикам, таким как

• Частота дискретизации (скорость выборки)
• Вертикальное разрешение
• Объём памяти
• Полоса пропускания/фильтрация

Данные параметры, работая совместно, определяют разные возможности осциллографа. Далее будет рассмотрено, что обозначают данные характеристики, и на что они влияют.

Частота дискретизации (скорость выборки)

Скорость выборки (частота дискретизации) влияет на точность измерения временных и частотных параметров измеряемого сигнала. Это особенно актуально для измерений частоты с помощью БПФ. В цифровых осциллографах размерность скорости выборки определяется как Гвыб/сек.

Чем выше частота дискретизации, тем точнее можно оцифровать сигнал, однако при этом возрастает вносимый шум. Аналогичная ситуация возникает при увеличении полосы пропускания.

Сейчас доступны широкополосные осциллографы с разрешением АЦП 8, 10 и 12 бит, стоит выбирать осциллографы, у которых частота дискретизации в 2,5 раза выше частоты сигнала, который планируется измерять. Одновременно стоит обратить внимание, что у некоторых моделей частота дискретизации может изменяться в зависимости от количества активных каналов.

Как мы увидим, дополнительная возможность передискретизации может быть очень важна для анализа сигналов, поскольку она позволяет инженеру гибко выбирать полосу пропускания и фильтрацию для повышения точности определения сигнала.

Вертикальное разрешение

Разрешение осциллографа по вертикали – характеристика, которая определяется исходя из разрядности применяемого АЦП. До недавнего времени для широкополосных осциллографов разрядность АЦП была ограничена 8 битами, что соответствовало 256 уровням квантования. В настоящее время всё чаще в осциллографах применяют АЦП с разрядностью 10 и 12 бит. Повышение вертикального разрешения, путём применения АЦП с большей разрядностью снижает ошибку квантования. Каждый дополнительный бит разрядности АЦП снижает эту ошибку в 2 раза. Таким образом можно сказать, что осциллограф с 12 битным АЦП позволяет измерять сигнал в 16 раз точнее, чем аналогичный осциллограф с 8 битным АЦП. Применение механизмов повышения разрешения, путём усреднений и цифровых фильтраций снижает полосу захватываемого сигнала и, как следствие, достоверность полученных измерений.

Полная шкала	Наименьший шаг квантования
	АЦП 8 бит	АЦП 12 бит
80 В	312,5 мВ	19,5 мВ
40 В	156,2 мВ	9,76 мВ
20 В	78,1 мВ	4,88 мВ
8 В	31,3 мВ	1,95 мВ
4 В	15,6 мВ	976 мкВ

Объём памяти

Объём памяти цифрового осциллографа – характеристика, которая определяет продолжительность непрерывной записи осциллограммы. Фактический объём память указывается в количестве сохраняемых отсчётов оцифрованных данных. Нередко в качестве описания объёма памяти осциллографа используют единицу измерения количества цифровой информации как Мб (мегабайты), что справедливо только для осциллографов с АЦП 8 бит, если разрядность АЦП превышает 8 бит, обозначение объёма памяти, как байты - некорректно. Правильным определением объёма памяти цифрового осциллографа является – points (точки или отсчёты).

Объём памяти, полоса пропускания, частота дискретизации и разрядность АЦП – взаимосвязанные характеристики. Сбалансированность этих характеристик во многом определяют измерительные возможности цифрового осциллографа. Объём памяти и частота дискретизации – две характеристики, которые определяют время непрерывного захвата сигнала осциллографом.

Например: осциллограф АКИП-4143А, с памятью до 1 миллиарда точек при скорости выборки 20 Гвыб/с может “захватить” непрерывный сигнал длительностью всего 50 мс.

Что означает, что при установке горизонтального разрешения 5 мс/дел мы можем захватить сигнал в полосе 4 ГГц, и после, применяя функцию zoom (“увеличения”), рассмотреть в захваченном сигнале интересующие нас артефакты.

Полоса пропускания/фильтрация

Для большинства измерений в реальных приложениях даже от производительных осциллографов не требуется максимальная полоса пропускания. В этих случаях можно использовать дополнительные методы фильтрации, например, путём объединения последовательных выборок в группы, что позволяет уменьшить ошибку квантования. Однако этот метод не применим, если у осциллографа недостаточно памяти или частоты дискретизации.

Оптимальный выбор полосы пропускания и частоты дискретизации позволяет существенно снизить шум и повысить точность измерений.

Ниже представлен пример возможности фильтрации осциллографа высокого разрешения АКИП-4143/3А.

Модель	Полоса пропускания	Кол-во активных каналов	Частота дискрет.	Режим ERES (бит)	Эффективная полоса пропускания по Найквисту	Общее разрешение (бит)	Шум на 50 Ом (мкВскз)
АКИП-4143/3А	4 ГГц	1 или 2	20 Гвыб/с	0	4000 МГц	12	220
				0,5	4000 МГц	12,5	201
				1	2300 МГц	13	148
				1,5	1100 МГц	13,5	94
				2	560 МГц	14	69
				2,5	280 МГц	14,5	52
				3	140 МГц	15	42
				3,5	70 МГц	15,5	35
				4	34 МГц	16	28

Ключевые особенности осциллографов Siglent

Опираясь только на разрядность АЦП, обеспечить высокую точность измерений не получится. Важным фактором является совокупность всех составляющих узлов осциллографа. Осциллографы высокого разрешения SIGLENT превосходят конкурентов по трем ключевым параметрам, которые в большей степени влияют на обеспечение точности измерения сигнала:

• Собственный шум
• Погрешность тракта усиления
• Межканальная изоляция
  

Собственный шум

Главный способ снижения шума строится на подбор компонентов, применяемых в аналоговом тракте, с низкими уровнями шумов. Одновременно немаловажным фактором является снижение влияния электромагнитных помех. С увеличением полосы пропускания и частоты дискретизации растёт и собственный шум осциллографа. Собственный шум осциллографа можно охарактеризовать диапазоном, полосой пропускания и конфигурацией. Для точных измерений можно использовать полною полосу осциллографа АКИП-4143А, но в случаях, когда параметры шума становиться неприемлемыми, снизить полосу пропускании или частоту дискретизации, добиваясь их оптимального соотношения для наиболее точных измерений. В таблице ниже, на примере для осциллографа АКИП-4143А, показано, как можно добиться снижение шума, меняя частоту дискретизации и полосу. Осциллографы SIGLENT оснащены дополнительными аппаратными фильтрами с фиксированными частотами пропускания, которые позволяют снизить шум. В некоторых тестах эти ограничения более эффективны, чем цифровая фильтрация, что можно увидеть в таблице:

Установки	Полоса пропускания МГц	Уровень шума, мкВскз
ERES 2.5 bits	280	52
2.5 ERES bits + BW Limit 200 MHz	200	38
ERES 3 bits	140	42

Повышение точности

Для повышения точности измерений необходимо тщательная проработка всех компонентов осциллографа. Одним из основных узлов, оказывающих значительное влияние на точность измерений является входной усилитель. Точность усиления постоянного тока определяет погрешность измерения сигнала в полном динамическом диапазоне измерений. Осциллографы высокого разрешения SIGLENT обладают высокой точность усиления, что позволяет превосходить по точности измерений осциллографы других производителей.

Ниже представлена таблица сравнения осциллографы SIGLENT с осциллографами других производителей:

Производитель	Серия	Диапазон	Погрешность
SIGLENT	АКИП-4140, АКИП-4144, АКИП-4149	≥5 мВ/дел	0,5%
R & S	RTB2000	>5 мВ/дел	1,5%
Keysight	MSOX2000A	≥10 мВ/дел	3%
Tektronix	MSO 2 Series	all	3%
SIGLENT	АКИП-4143А	≥5 мВ/дел	0,5%
Tektronix	MSO64B	≥2 мВ/дел	1%
Keysight	EXR	all	1%
R & S	RTO2000	≥5 мВ/дел	1,5%

По сравнению с осциллографами с высокого разрешения других производителей (согласно их техническим характеристикам, приведённым выше), осциллографы производства SIGLENT весьма конкурентоспособны. По сравнению с 8-битными моделями осциллографы высокого разрешения SIGLENT демонстрирует исключительную точность измерения сигнала.

Межканальная изоляция

Межканальная изоляция определяет степень, влияния сигналов разных измерительных каналов осциллографа друг на друга. Это во многом связано с компоновкой осциллографа, качеством применяемых компонентов и учёт ЭМС при проектировании.

Важно избегать осциллографов с неожиданно низкой изоляцией, поскольку это может сделать их восприимчивыми к другим источникам связи или шума.

	Конкурентная модель	АКИП-4140
Изоляция	> 100:1, <500 МГц	> 1000:1, <500 МГц > 3000:1, <350 МГц

Улучшенная межканальная изоляция, точность усиления и низкий собственный шум обеспечивают высокую точность измерений аналоговых и цифровых сигналов.

Инструменты визуализации

Многие приложения осциллографов предназначены для отображения сигналов. Инструменты и возможности, предназначенные для улучшения отображения осциллограмм, являются одними из наиболее важных критериев выбора осциллографов инженерами. Три основных инструмента отображения, разработанных и улучшенных компанией SIGLENT для осциллографов с высоким разрешением:

• Вертикальное масштабирование
• Смещение по напряжению
• БПФ

Вертикальное масштабирование

Несмотря на то, что в настоящее время все современные осциллографы имеют возможность масштабирования, но далеко не все имеют мощное вертикальное увеличение. Благодаря высокому разрешению и исключительному дизайну осциллографов SIGLENT артефакты сигнала можно обнаружить менее чем в 0,1% диапазона захвата. Окно масштабирования (нижняя половина) показывает 20-кратное увеличение по вертикали для небольшого участка временной шкалы.

Смещение по напряжению

Большой диапазон смещения позволяет инженерам получить максимум преимуществ от осциллографов высокого разрешения, поскольку позволяет использовать меньший динамический диапазон для отображения сигнала отличного от 0. Это уменьшает шум квантования, улучшая функцию масштабирования.

Увеличение разрядности АЦП с 8 до 12 бит — это 16-кратное уменьшение ошибки квантования. Во многих случаях более широкий диапазон SIGLENT позволяет увеличить смещение в 8 раз. Это означает, что при тестировании приложений, таких как оценка слабого сигнала на более сильном сигнале, смещение шкалы равнозначно 3 дополнительным битам разрешения

SIGLENT все осциллографы высокого разрешения ≤ 1 ГГц		Rigol DS70000
1 МОм:	0,5 мВ/дел ~ 5 мВ/дел: ±1,6 В; 5,1 мВ/дел ~ 10 мВ/дел: ±4 В; 10,2 мВ/дел ~ 20 мВ/дел: ±8 В; 20,5 мВ/дел ~ 100 мВ/дел: ±16 В; 102 мВ/дел ~ 200 мВ/дел: ±80 В; 205 мВ/дел ~ 1 В/дел: ±160 В; 1,02 В/дел ~ 10 В/дел: ±400 В	1 МОм:	1 мВ/дел ~ 50 мВ/дел: ±1 В; 51 мВ/дел ~ 260 мВ/дел: ±30 В; 265 мВ/дел ~ 10 В/дел: ±100 В;
50 Ом:	0,5 мВ/дел ~ 5 мВ/дел: ±1,6В; 5,1 мВ/дел ~ 10 мВ/дел: ±4 В; 10,2 мВ/дел ~ 20 мВ/дел: ±8 В; 20,5 мВ/дел ~ 1 В/дел: ±10 В	50 Ом:	1 мВ/дел ~ 100 мВ/дел: ±1 В; 102 мВ/дел ~ 1 В/дел: ±4 В;
R&S RTO2000		Tektronix MSO6
1 МОм:	1 мВ/дел ~ 31,6 мВ/дел: ±1 В; 31,6 мВ/дел ~ 100 мВ/дел: ±1,15 В; 100 мВ/дел ~ 316 мВ/дел: ±10 В; 316 мВ/дел ~ 1 В/дел: ±11,5 В; 1 В/дел ~ 3,16 В/дел: ±100 В; 3,16 В/дел ~ 10 В/дел: ±115 В;	1 МОм:	0,5 мВ/дел ~ 63 мВ/дел: ±1 В; 64 мВ/дел ~ 999 мВ/дел: ±10 В; 1 В/дел ~ 10 В/дел: ±100 В
50 Ом:	1 мВ/дел ~ 100 мВ/дел: ±1 В; 100 мВ/дел ~ 316 мВ/дел: ±3 В; 316 мВ/дел ~ 1 В/дел: ±10 В	50 Ом:	1 мВ/дел ~ 99 мВ/дел: ±1 В; 100 мВ/дел ~ 1 В/дел: ±10 В;

Благодаря большему количеству диапазонов и большей возможности смещения диапазона осциллографы SIGLENT могут использовать меньшие диапазоны для захвата сигналов, что еще больше повышает удобство использования. На рис 5 показана зависимость ошибки квантования от величины смещения у различных осциллографов.

Качество БПФ

Сочетание высокого разрешения и превосходного качества конструкции также оказывает большое влияние на радиочастотные измерения. Эти факторы улучшают качество отображения сигналов с использованием БПФ, что важно во многих приложениях при анализе в частотных и временных областях, а также при анализе на ЭМС.

Осциллографы высокого разрешения SIGLENT обеспечивают скорость до 32М 12-битных данных в режиме БПФ.

Например, можно настроить полосу пропускания 100 МГц с разрешением 4М и полосой пропускания 386 Гц. С полными 32 мегапикселями вы можете обеспечить полосу пропускания 1 ГГц с разрешением 482 Гц и частотой дискретизации 10 ГГц. Это позволяет измерять сигналы с шагом менее 300 Гц в полном диапазоне:

Используя совместно с БПФ маркеры и возможности масштабирования, осциллограф становится устройством эквивалентным широкополосному анализатору спектра реального времени, измерения которого можно соотносить с другими захватываемыми сигналами во временной области,

В приложениях такого рода стоит также обращать внимание на межканальную изоляцию, поскольку радиочастотные сигналы особенно хорошо создают перекрестные помехи на соседних каналах.

Инструменты анализа

Для многих измерительных задач необходимы расширенный статистический анализ. Повышенное разрешение и высокая производительность осциллографов SIGLENT, позволяют осуществлять эти измерения быстрее и точнее.

Гистограмма и статистические измерения

Осциллографы позволяют отображать более 50 измерений одновременно, а также строить гистограммы для дополнительной отладки и анализа:

Анализ мощности

Анализ мощности используется для проверки и отладки компонентов источников питания. Используя комбинацию БПФ и арифметических функций для показаний тока и напряжения, можно анализировать важные аспекты схемы питания, включая гармоники, пульсации, пусковой ток и многое другое

Низкий уровень шума, межканальная изоляция, возможность фильтраций и качество БПФ оказывают важное влияние на эти измерения.

Все осциллографы высокого разрешения SIGLENT (АКИП-4140, АКИП-4143А, АКИП-4144, АКИП-4149) позволяют осуществлять анализ мощности, с установкой расширенных возможностей фильтрации ERES.

Декодирование сигналов последовательной шины

В настоящее время во многих устройствах, в том числе в относящихся к IoT, используются различные последовательные шины и радиочастотные сигналы. Цифровые осциллографы обеспечивают полноценный анализ таких шин и сигналов, предоставляя возможность декодирования и запуска по событиям. Возможность одновременного анализа сигналов на других аналоговых каналах, позволяет существенно сократить время на отладку новых устройств или поиск неисправностей

Все осциллографы высокого разрешения SIGLENT в базовой конфигурации позволяют производить декодирование и запуск следующих последовательных шин: I2C, SPI, UART, CAN, LIN. Опционально возможно добавить же шины: CAN FD, FlexRay, I2S, MIL-STD-1553B, SENT, Манчестер, ARINC429 и USB2.0

Система запусков по области

В моделях АКИП-4140 и АКИП-4143А к уже стандартным для цифровых осциллографов режимам запуска, таких как запуск по уровню, по фронту, гличу, добавлена функция запуска по области. Пользователь может определить область непосредственно на экране осциллографа, при “попадании” осциллограммы в данную область произойдёт запуск измерений. Можно выделять несколько областей, для выявления редких событий, и поиска аномалий сигнала.

Поиск и навигация

Данная функция осциллографа позволяет отмечать события на общей осциллограмме, а затем перемещаясь по ним, осуществлять их анализ на экране. Режим сегментируемого сбора реализован путём разделения памяти осциллографа на одинаковые сегменты. Каждый сегмент заполняется по установленному триггеру. После заполнения всех сегментов можно проводить анализ собранных данных путём наложения в режиме “отображения температуры”, выявляя артефакты в сигнале.

Возможности поискового анализа для осциллографов высокого разрешения SIGLENT

Серия	Количество сегментов	Минимальный интервал между сегментами
АКИП-4149	80000	2 мкс
АКИП-4144	80000	2 мкс
АКИП-4140	80000	2 мкс
АКИП-4143А	124000	0,9 мкс

Анализ графиков Боде

Частотный анализ — это приложение для осциллографа, позволяющее проводить измерения в частотной области таких устройств, как усилители, фильтры и аттенюаторы. Диаграмма показывает изменения коэффициента усиления и соотношения фаз в зависимости от частоты. Это пример тестирования радиочастотных или высокоскоростных устройств, что является важной возможностью для осциллографов высокого разрешения.

Преимущества частотного анализа заключаются в повышении качества сигнала, что обеспечивает точность измерений усиления, а также выборку и разрешение для отслеживания изменений фазы. При наличии нескольких каналов и автоматизированной последовательности испытаний также важны оптимизация изоляции и диапазона.

Все осциллографы высокого разрешения SIGLENT позволяют производить построение диаграммы Боде, но для этого необходимо: установить входное сопротивление канала 50 Ом, а также встроенный или внешний генератор.

Расширенный анализ систем связи с помощью серии АКИП-4143А

Анализ джиттера и глазковые диаграммы в реальном времени

Дополнительный пакет программного обеспечения позволяет использовать полный объём памяти осциллографов серии АКИП-4143А для построения гистограмм, глазковых диаграмм и осуществлять анализ джиттера в реальном времени.

Приложение для осциллографа Jitter toolkit позволяет производить анализ случайного, детерминированного, периодического джиттера и многого другого. Можно объединить гистограммы и представления спектра для интересующих сигналов. Одновременно можно вывести на экран “bathtub” кривую, по которой можно также оценить джиттер. Высокая частота дискретизации и большой объем памяти позволяют точно определять характеристики изменений тактовой частоты в сигнале с высокой точностью.

Приложение Real Time Eye позволяет осуществлять построение глазковой диаграммы в реальном времени и показывает сигналы с учётом полосы пропускания, шума и джиттера. Построенная глазковая диаграмма позволяет осуществлять измерения параметров сигнала в том числе при помощи настроенной пользователем маски. Анализ джиттера и построение глазковой диаграммы в реальном времени доступны в программной опции SDS7000A-EJ.

Тестирование по пользовательской маске — это аппаратная функция, доступная во всех осциллографах высокого разрешения SIGLENT, но она особенно полезна при тестировании глазковых диаграмм на осциллографах серии АКИП-4143А.

Программное обеспечение для проверки на соответствие протоколам

Для осциллографов серии АКИП-4143А доступны пакеты проверки на соответствия протоколам: USB 2.0, 100Base-TX, 1000Base-T, 100Base-T1 и 1000Base-T1.

Это полный набор тестов, используя которые совместно с необходимой оснасткой для подключения проверяемых устройств, позволяет сформировать отчёт о соответствии/не соответствии тем или иным протоколам, с возможностью сохранения и архивирования полученных данных

FX-USB2	Тестовая площадка для анализа на соответствие стандартам USB 2.0.
FX-ETH	Тестовая площадка для анализа на соответствие стандартам 100M Ethernet
FX-AMETH	Тестовая площадка для автоматического анализа на соответствие стандартам 100M Ethernet

Основные области применения

Анализ сигналов во временной и частотной областях

Анализ графика Боде характеризует работу устройств в зависимости от частоты. Включите эту расширенную функцию, используя внешний или встроенный генератор.

Анализ логических шин

Добавьте опцию логического анализатора к любому осциллографу высокого разрешения SIGLENT для анализа 16 каналов цифровых сигналов совместно с аналоговыми каналами. Для измерений необходимо наличие логического пробника и лицензий активизации программной составляющей анализа:

Серия	Логический пробник	Макс. память на канал	Макс частота дискретизации
АКИП-4149	SLA1016	10М	1 ГГц
АКИП-4144	SLA1016	10М	1 ГГц
АКИП-4140	SPL2016	50М	500 ГГц
АКИП-4143А	SPL2016	100М	1 ГГц

Анализ сигнала в сигнале

Осциллографы высокого разрешения позволяют захватывать и анализировать малые сигналы с точностью и достоверностью даже при наличии больших сигналов или смещений. На работу устройств влияют электромагнитные помехи, недостаточная изоляция его цепей и много другое, что приводит к появлению проблем в работе. Осциллографы высокого разрешения SIGLENT имеют низкий уровень шума и мощные инструменты визуализации, это позволяет экономить время и осуществлять “отладку на лету”.

На изображении ниже показана последовательность импульсов на которую накладывается помеха, которая затрудняет запуск. Динамические диапазоны и вертикальное масштабирование вместе с режимами сохранения, позволяют захватить этот сигнал.

Тестирование конструкции источников питания

При разработке источников питания необходим сложный и точный анализ сигналов. Используя инструменты визуализации. Разные пробники и набор инструментов для анализа мощности для определения характеристик всей системы с высоким разрешением и улучшенной точностью сигнала. Новые пробники тока серии SCP5000 получают питание непосредственно от интерфейса пробников осциллографов серии АКИП-4143А.

Заключение

Осциллографы с АЦП 10/12 бит фактически становятся новым стандартом в производстве цифровых осциллографов. Осциллографы высокого разрешения являются оптимальным выбором в большинстве задач. Компания SIGLENT на сегодняшний день является одним из ведущих разработчиков и производителей осциллографов высокого разрешения. Продукция SIGLENT сочетает превосходные характеристики, качественный дизайн и относительно невысокую цену, и поставляется под торговой маркой АКИП.

Автор:  Коллектив АО «ПриСТ»
Дата публикации:  05.07.2024