Perusteet 8- ja 12-bittisten oskilloskooppien eroista ja modernien 12-bittisten oskilloskooppien käyttö

On monia sovelluksia, joissa suunnittelijoiden sekä testaus- ja mittausinsinöörien on tehtävä mittauksia laajalla dynaamisella alueella voidakseen tarkastella erittäin pieniä signaaleita suurten signaaliamplitudien joukosta. Tällaisia sovelluksia ovat esimerkiksi tehonsyötön laadun varmistus, tutkien ja ääniluotainten kaltaiset kaikupaikannus- ja mittausjärjestelmät, lääketieteelliset kuvantamisjärjestelmät kuten ydinmagneettiresonanssi (NMR) ja magneettiresonanssi (MRI) sekä ultraääneen perustuva ainetta rikkomaton testaus.

Oskilloskoopit ovat luonnollisesti ensisijainen työkalu näiden mittausten tekemiseen järjestelmän kehitys- ja prototyyppivaiheissa, mutta niitä rajoittaa oskilloskoopin etuasteen pystyresoluution tarkkuus. Esimerkiksi 8-bittisen oskilloskoopin dynaaminen toiminta-alue on 256:1, joten 1 voltin asteikolla teoreettinen minimisignaali on 3,9 millivolttia (mV). Millivolttitason häiriösignaaleiden tarkasteleminen 3,3 voltin väylässä vaatii suuremman tarkkuuden ja laajemman offset-alueen. Signaalitasot vaimentuvat oskilloskoopin tulossa myös käytettäessä erittäin vaimentavia mittapäitä virtapiirin kuormituksen estämiseksi. Tällöin niitä on vaikea mitata, ellei mittalaitteen tarkkuus ole korkea.

Ongelmana on, että suurempi herkkyys yhdessä vahvemman signaalin tai suuremman offsetin kanssa vaatii tarkemman oskilloskoopin. Nämä taas ovat tyypillisesti kalliita, erityisesti jos kyseessä on laadukas oskilloskooppi, jonka tulojen kohinataso on alhainen. Korkeammasta resoluutiosta ei ole hyötyä ilman alhaista kohinatasoa.

Suunnittelijat ja kehittäjät tarvitsevat kohtuuhintaisen 12-bittisen oskilloskoopin, jonka etuasteen kohinataso on alhainen. Yksi ratkaisu korkeaan tarkkuuteen ja etuasteen alhaiseen kohinaan edullisella hinnalla on Teledyne LeCroyn tarkkuudeltaan korkea WaveSurfer 4000HD -oskilloskooppimallisto. Tässä artikkelissa keskustellaan mittausten vaikeudesta dynamiikka-alueen ollessa laaja, tarkkuudeltaan korkeiden oskilloskooppien roolista sekä siitä, miten niitä voidaan käyttää laajan dynamiikka-alueen mittauksiin.

Oskilloskoopin pystysuuntainen resoluutio

Oskilloskoopin pystysuuntaisella resoluutiolla tarkoitetaan suhdetta oskilloskoopin suurimman mahdollisen tulosignaalin ja pienimmän sen havaitseman signaalin amplitudin välillä. Resoluutio määritetään yleensä analogi-digitaalimuuntimen (ADC) bittien määrällä. Resoluutio on 2 potenssiin bittien määrä. Näin 8-bittisen muuntimen resoluutio on 2⁸ tai 256:1. 12-bittisen muuntimen resoluutio on 4096:1, mikä on 16 kertaa suurempi kuin 8-bittisen muuntimen.

Vuosien ajan laajemman kaistanleveyden digitaalisissa oskilloskoopeissa käytettiin 8-bittistä resoluutiota. Tämä johtuu ADC-muuntimien suunnitteluratkaisusta, jonka mukaan bitteinä ilmoitettu resoluutio on kääntäen verrannollinen ADC-muuntimen suurimpaan näytteenottonopeuteen. Teledyne LeCroy oli noin kahdeksan vuotta sitten edelläkävijä HD-oskilloskoopeiksi kutsutuilla korkean tarkkuuden 12-bittisillä oskilloskoopeillaan. HD-tuotemallistoon on hiljattain lisätty WaveSurfer 4000HD -mallisarja. Mallisarjaan kuuluu neljä oskilloskooppia, joiden kaistanleveydet ovat 200, 350, 500 ja 1000 megahertsiä (MHz). Niiden kaikkien näytteenottonopeus on 5 giganäytettä sekunnissa (GS/s), mikä on erittäin hyvä tulos 12-bittiselle oskilloskoopille. Tätä monitoimista instrumenttia täydentävät sisäiset digitaaliset sekasignaalitulot, DVM, funktiogeneraattori sekä taajuuslaskin. Tuotemallisto tarjoaa kaiken tämän sekä 12 bitin resoluution kohtuulliseen hintaan.

Oskilloskoopin resoluution parantaminen vaatii luonnollisesti muutakin kuin vain ADC-muuntimen vaihtoa. Se vaatii myös oskillaattorin etuasteen signaalikohinasuhteen (SNR) parantamista, jotta herkkä ADC ei tukkeudu kohinasta. Jos 12-bittisessä oskilloskoopissa on 8-bittinen etuaste, se on edelleen 8-bittinen oskilloskooppi. WaveSurfer 4000HD -oskilloskooppimallistossa HD-konsepti on kuitenkin toteutettu onnistuneesti. Sen 12-bittinen pystysuuntainen resoluutio yhdistettynä kohinaltaan alhaiseen etuasteeseen tarjoaa 12-bittisen suorituskyvyn, joka myös on 8-bittistä oskilloskooppia 16 kertaa herkempi kaikilla amplitudialueilla.

12-bittiset ja 8-bittiset mittaukset

HD-oskilloskoopit on tarkoitettu mittaussovelluksiin, joissa käsitellään dynaamiselta alueeltaan suuria aaltomuotoja. Näissä mittauksissa esiintyy samanaikaisesti amplitudiltaan suuri signaalikomponentti sekä matalia signaalitasoja. Ajatellaan esimerkiksi ultraäänietäisyysmittaria. Se lähettää amplitudiltaan suuren pulssin ja odottaa sitten kohteesta amplitudiltaan matalaa kaikua. Korkean amplitudin signaali määrittää oskilloskoopin pystysuuntaiselta vahvistimelta vaadittavan jännitealueen. Resoluutio ja järjestelmän kohinataso määrittävät pienimmän mitattavissa olevan kaikusignaalin (kuva 1).

Kuva 1: Sama ultraäänisignaali sekä 12 bitin että 8 bitin pystysuuntaisella resoluutiolla. Ylempi kuvaaja sisältää molemmat versiot koko signaalista toistensa päällä. Alemmissa kuvaajissa näkyy aaltomuodon osa suurennettuna. Korkean amplitudin signaalikomponenteissa ero on hyvin pieni, mutta tasoltaan matalammissa signaaleissa 12 bitin tarkkuudesta saatava etu on selkeä. (Kuvan lähde: DigiKey)

Ylemmässä ruudukossa näkyvät tallennetut signaalit päällekkäin sekä 12 että 8 bitin tarkkuudella. Päällekkäisten aaltomuotojen välillä ei juurikaan ole havaittavia eroja. Keskimmäisessä ruudukossa näytetään 12-bittinen aaltomuoto laajennettuna vaaka- ja pystysuunnassa. Alemmassa ruudukossa on sama osio 8-bittisestä aaltomuodosta. Matalan tason signaalien tarkkuuden menetys 8-bittisessä versiossa on hyvin ilmeinen. Huomaa myös, että 12-bittisessä esityksessä näkyy signaalihuipuissa selkeitä eroja, jotka häviävät 8-bittisessä versiossa.

Laajan dynamiikka-alueen mittaussovellukset

Laajan dynamiikka-alueen mittaussovelluksiin lukeutuvat kaikki kaikupaikannus- ja mittaussovellukset, esimerkkinä tutkat, ääniluotaimet ja LiDAR. Monet lääketieteelliset kuvantamisteknologiat kuten NMR ja MRI perustuvat samanlaisiin tekniikoihin: voimakas pulssi kimpoaa vartalosta, jonka jälkeen lähetetyn signaalin kaiut tai sen stimuloimat emissiot tallennetaan ja analysoidaan. Samalla tavoin ainetta rikkomattoman testauksen (NDT) kaltaisissa ultraäänipohjaisissa teknologioissa käytetään ultraäänipulsseja murtumien ja vaurioiden etsimiseen kiinteistä aineista.

Myös tehon laatumittaukset, joissa mitataan pieniä millivolttien tasoisia kohina- ja häiriösignaaleita 1–48 voltin tai korkeammista väyläjännitteistä, vaativat laajan dynamiikka-alueen oskilloskooppeja.

Otetaan esimerkiksi signaalien mittaaminen yksinkertaisesta ultraäänietäisyysmittarista tai elektronisesta rullamitasta (kuva 2). Ultraäänietäisyysmittari lähettää jokaista mittausta varten viisi pulssia, joiden välinen ero on noin 16,8 ms. Sen sijaan, että 12-bittinen Teledyne LeCroy WaveSurfer 4104HD -oskilloskooppi tallentaisi pulssien välisen tyhjän ajan, se käyttää sekvenssitilan tallennusta, joka jakaa oskilloskoopin muistin käyttäjän valitsemaan määrään segmenttejä, tässä tapauksessa viiteen.

Kuva 2: Teledyne LeCroy WaveSurfer 4104HD -oskilloskooppia käytetään 40 kilohertsin (kHz) ultraäänietäisyysmittarin signaalin tallennukseen. Yläosassa näkyy jokaisen mittauksen viisi pulssia, joiden ero on noin 16,8 millisekuntia (ms). (Kuvan lähde: DigiKey)

Jokainen segmentti tallentaa yhden lähetetyn pulssin ja aikaleimaa liipaisupisteen. Ylempi kuvaaja on tallennettu aaltomuoto, jossa jokainen segmentti on merkitty. Suurennetussa kuvaajassa (alempi ruudukko) näkyy valittu segmentti, tässä tapauksessa ensimmäinen niistä. Näytön alaosassa näkyvässä taulukossa näytetään kunkin liipaisuhetken aikaleimat, aika segmentistä 1 sekä segmenttien välinen aika. Lähetetyn pulssin huipusta huippuun -amplitudi on 362 mV, kun taas heijastuneen kaiun huipusta huippuun -amplitudi on vain 21,8 mV. Amplitudien ero tekee tästä laajan dynamiikka-alueen mittauksen. Kuvassa käytetään näytöllä nähtävää kaiun amplitudia, mutta 12 bitin tarkkuus tallentaa signaalin oskilloskoopin kuvapisteiden esityskykyä alemmilla amplitudeilla, kuten kuva 1 osoittaa.

Myös tehon laadun mittauksissa tarvitaan laajan dynamiikka-alueen oskilloskooppeja. Tasajännitteen vaihtojänniteosan mittauksissa vaaditaan kykyä mitata tehoväylän millivolttitason signaaleja. Kuvan 3 esimerkissä ylempi kuvaaja mittaa aaltoilua 5 voltin väylässä. Tasajännitteen vaihtojänniteosa on 45 mV_{huipusta huippuun} väyläjännitteen ollessa 4,98 volttia, mikä voidaan lukea suoraan WaveSurfer 4104HD:n mittausparametreista P2 ja P1. Alempi kuvaaja on tasajännitteen vaihtojänniteosan nopea Fourier-muunnos (FFT), jossa näkyy runsaasti harmonisia yliaaltoja sisältävä spektri, jonka perusaaltokomponentti on 982 Hz.

Kuva 3: Tehon laadun mittaus tytärkortin 5 voltin väylässä näyttää tasajännitteen vaihtojänniteosan sekä aaltoilun FFT:n. (Kuvan lähde: DigiKey)

Korkean resoluution lisäksi tähän sovellukseen tarvitaan oskilloskooppi, jossa on laaja offset-alue. Tässä esimerkissä oskilloskoopissa käytetään ±8 voltin offset-aluetta 10 mV:n asteikolla. Offset-alue skaalautuu oskilloskoopin pystysuuntaisen alueen kanssa. Suurempaa offset-aluetta tarvittaessa voidaan käyttää Teledyne LeCroyn RP4030-virtakiskojen mittapäätä. Mittapään offset-alue on 30 volttia. Virtakiskojen mittapäät on tarkoitettu erityisesti impedanssiltaan matalien virtakiskojen mittaamiseen. Niissä on suuri sisäänrakennettu offset, korkea tuloimpedanssi sekä matala vaimennus ja kohina. Tämän kyseisen mittapään kaistanleveys on 4 gigahertsiä (GHz), vaimennus 1,2 ja sen tuloimpedanssi on 50 kilo-ohmia (kΩ).

HD-oskilloskoopeilla voidaan mitata myös korkeampia jännitteitä, joita esiintyy hakkurimuuntajissa (SMPC). SMPC:t sisältävät teholähteet, invertterit ja teollisuusohjaimet. Niiden tehoa ohjataan säätämällä hakkuriaaltomuodon käyttösuhdetta tai taajuutta. Tärkeimpiä mittauskohteita ovat virtakytkinlaitteiden, tavallisesti kanavatransistorien (FET), yli vaikuttava jännite ja niiden läpi kulkeva virta. Helpottaakseen kehittäjien työtä SMPC-mittausten kanssa Teledyne LeCroylla on tarjolla sovelluskohtainen ohjelmisto sekä jännite- ja virtamittauspäitä. Tyypillinen mittaus on kuvassa 4.

Kuva 4: SMPC:n häviöiden karakterisointiin sisältyy virtakytkinlaitteiden jännitteen ja virran mittaaminen ja sen jälkeen tehohäviön laskeminen jokaisessa virran kytkentäsyklin vaiheessa. (Kuvan lähde: DigiKey)

Virta eli vaaleanpunainen kuvio on mitattu Teledyne LeCroyn mallin CP030A virtamittauspäällä. Tämän pihtimittapään enimmäisvirta on 30 ampeeria (A) ja kaistanleveys 50 MHz. Beigenä kuvaajana näkyvä jänniteaaltomuoto on mitattu korkean jännitteen Teledyne LeCroy HVP1306 -differentiaalimittapäällä. Tämä mittapää on luokiteltu enintään 1000 voltin CATIII-jännitteelle ja sen kaistanleveys on 120 MHz. WaveSurfer-oskilloskooppi tunnistaa molemmat mittapäät ja skaalaa mitatut aaltomuodot automaattisesti huomioiden mittapään vahvistuksen ja mittayksiköt.

Tehomittausohjelmisto automatisoi yleisimmät SMPC-mittaukset. Kuvassa 4 laitteen tehohäviö näytetään keltaisena kuvaajana. Tämä lasketaan koko kytkentäsyklille virran ja jännitteen aaltomuodoista. Mittausparametrit erottavat ja näyttävät tallennetusta aaltomuodosta käynnistys-, johto-, sammutus- sekä myötäestotilan häviöt, ja jokainen näistä erotetaan selkeästi huomiovärillä. Näytöllä esitetään myös kaikkien alueiden kokonaishäviö sekä kytkentätaajuus. Kuvassa näkyvien laitemittausten lisäksi muut käytettävissä olevat mittaukset auttavat karakterisoimaan ohjaussilmukan dynamiikkaa, linjatehoa sekä hyötysuhteen kaltaisia suorituskykyominaisuuksia.

12 bitin resoluutiosta on hyötyä myös tehomittauksissa laskettaessa teho-FET:in vastusta nielulta lähteelle (Rds). Tämä vaatii 1–2 voltin suuruisen jännitteen mittaamista aaltomuodosta, jonka huipusta huippuun -vaihtelu on 400 voltin suuruusluokkaa. WaveSurfer 4000HD -sarja on yhteensopiva kaikkien oskilloskoopin kaistanleveysaluetta tukevien Teledyne LeCroy -mittapäiden kanssa (kuva 5).

Kuva 5: Teledyne LeCroy WaveSurfer 4000HD -oskilloskoopit tukevat yrityksen kattavaa mittapäämallistoa, kuten tässä näkyviä tehomittaukseen sopivia mittapäitä. (Kuvan lähde: Teledyne LeCroy)

Useat sovellukset asettavat korkeampia vaatimuksia ”arkiskoopille”

WaveSurfer 4000HD -mallisto sopii muuhunkin kuin laajan dynamiikka-alueen sovelluksiin. Se on itsessään erinomainen oskilloskooppi ja se voi asettaa uudet korkeammat vaatimukset ”arkikäyttöön” tarkoitetuille skoopeille. Se on hyvä valinta alhaisen nopeuden sarjadatan vianmääritykseen ja tarjoaa analyysipaketteja ja mittapäitä jotka tukevat sarjaväyliä, esimerkkinä SPI ja I²C, UART-pohjaisia linkkejä sekä autoteollisuuden väyliä kuten LIN-, CAN- ja FLEXRAY.

Sarjaväylän analyysiin vaaditaan kyky tallentaa ja purkaa väyläprotokollaa sekä lukea tiedot (kuva 6). Värikoodatuissa peittokuvissa näkyy jokainen paketti. Punainen väri merkitsee osoitedataa, kun taas sinisellä merkitään datapaketteja. Osoite- ja datasisältö näkyvät peittokuvissa. Tiedot voidaan purkaa binääri-, heksa- tai ASCII-muodossa. Näytön alaosassa olevassa taulukossa on yhteenveto tallennetuista tapahtumista. Siinä näytetään aika suhteessa liipaisupisteeseen, osoitteen pituus, osoite, suunta (luku tai kirjoitus), pakettien lukumäärä ja datasisältö. Liipaisu voi perustua aktiviteettiin, osoitteeseen, datasisältöön tai osoitteen ja datan yhdistelmään.

Aktiivinen Teledyne LeCroy ZD200 -differentiaalimittapää on hyvä valinta sarjadatan mittaukseen. Tämän 10:1-mittapään tuloimpedanssi on 1 megaohmi ja kaistanleveys 200 MHz, ja se voi käsitellä jopa 20 voltin erojännitteitä ja 50 voltin yhteisjännitteitä. Se sopii erityisen hyvin CAN-väylän kaltaisiin differentiaaliväyliin.

Kuva 6: I²C-väylän matalan nopeuden sarjaliikenteen liipaisuun ja dekoodaukseen kuuluu mahdollisuus lukea väylän datasisältöä. Kuvassa näkyy I²C-väyläsignaalin tallennus ja dekoodaus sekä luku- että kirjoitusoperaatiosta. (Kuvan lähde: DigiKey)

Yhteenveto

Vaikka 8-bittisiä oskilloskooppeja tarvitaan aina, monissa sovelluksissa aidosti 12-bittisen oskilloskoopin suuremmasta tarkkuudesta ja laajasta dynaamisesta alueesta on hyötyä. Suhteellisen korkean hinnan vuoksi ne eivät kuitenkaan ole olleet useimpien suunnittelijoiden ja testausinsinöörien saatavilla. Teledyne LeCroy WaveSurfer 4000HD -malliston huomattavasti alempi hankintahinta kuitenkin helpottaa tätä ongelmaa.

Se tarjoaa HD-mittauksen, jossa käytetään 12 bitin pystysuuntaista resoluutiota, 5 GS/s:n enimmäisnäytteenottonopeutta sekä alhaista kohinatasoa. Se on myös yhteensopiva myös Teledyne LeCroy -mittapäiden ja analyysiohjelmistojen kanssa. Nämä oskilloskoopit tuovat kustannustehokkaat laajan dynamiikka-alueen mittaukset yhä useampien ulottuville, siirtäen ne tutkimuslaboratorioista myös suunnittelijan työpöydälle ja tehdasympäristöihin.