Grundlæggende om 8-bit versus 12-bit oscilloskoper og brug af moderne 12-bit oscilloskoper

Der er mange anvendelsesområder, hvor designere og test- og måleteknikere skal foretage målinger med et bredt dynamisk område for at se på meget små signaler under tilstedeværelse af store signalamplituder. Sikring af strømintegritet, ekkolokalisering og systemer som radar og sonar, systemer til medicinsk billeddannelse som f.eks. kernemagnetisk resonans (NMR) og magnetisk resonans-scanning (MRI) samt ikke-destruktiv prøvning med ultralyd er eksempler på disse anvendelser.

Oscilloskoper er naturligvis det foretrukne værktøj til at foretage disse målinger på stadierne for system- og prototypeudvikling, men disse er primært begrænset af den vertikale opløsning i oscilloskopets front-end. Eksempelvis har et 8-bit oscilloskop et dynamisk område på 256:1, så i et 1-volts område er det teoretiske minimumsignal 3,9 millivolt (mV). Når du forsøger at se rippelsignaler på millivoltniveau på en 3,3-volt bus, er der brug for større følsomhed og offsetområde. Hvis der bruges sonder med høj dæmpning for at forhindre kredsløbsbelastning, vil signalniveauerne også blive dæmpet ved oscilloskopets indgang, og det vil derfor være svært at måle, medmindre instrumentet har en høj opløsning.

Problemet er, at højere følsomhed ved tilstedeværelsen af et større signal eller offset kræver oscilloskoper med højere opløsning, og disse er typisk dyre, især hvis der er tale om et kvalitetsoscilloskop med støjsvage indgange. Højere opløsning er intet værd uden lavere grundstøj.

Det, som designere og udviklere har brug for, er et 12-bit oscilloskop med lav grundstøj i sin front-end og til en rimelig pris. En løsning, der tilfredsstiller dette behov for høj opløsning med støjsvag front-end og lav pris, er Teledyne LeCroys WaveSurfer 4000HD-serie af oscilloskoper med høj opløsning. I denne artikel diskuteres vanskelighederne ved målinger med et bredt dynamisk område, hvilken rolle oscilloskoper med høj opløsning spiller, samt hvordan de kan bruges effektivt til målinger med bredt dynamisk område.

Oscilloskopets vertikale opløsning

Oscilloskopets vertikale opløsning vedrører forholdet mellem det højeste indgangssignal, som oscilloskopet kan håndtere, og den mindste signalamplitude, det kan registrere. Opløsningen bestemmes generelt ud fra antallet af bits i analog-til-digital-konverteren (ADC). Opløsningen er lig med 2 opløftet til en potens lig med antallet af bits. Således har en 8-bit konverter en opløsning på 2⁸ eller 256:1. En 12-bit konverter har en opløsning på 4096:1, hvilket er 16 gange større end en 8-bit konverter.

I årevis havde digitale oscilloskoper en opløsning på 8 bit i oscilloskoper med højere båndbredde. Dette skyldes et teknisk kompromis i ADC'erne, der gør opløsning målt i antallet af bits omvendt proportional med ADC'ens maksimale samplingfrekvens. For omkring otte år siden gik Teledyne LeCroy forrest med de banebrydende 12-bit oscilloskoper med høj opløsning, også kaldet high definition- eller HD-oscilloskoper. De har for nylig føjet WaveSurfer 4000HD-serien til HD-produktsortimentet. Serien omfatter fire oscilloskoper med båndbredder på 200, 350, 500 og 1000 megahertz (MHz). De har alle en samplingfrekvens på 5 gigasamples pr. sekund (GS/sek.), hvilket er meget hæderligt for et 12-bit oscilloskop. Disse multi-instrumenter afrundes i kraft af digitalindgange til blandede signaler, digitalvoltmeter, funktionsgenerator og frekvenstæller. Produktfamilien tilbyder alt dette samt 12-bit opløsning til en fornuftig pris.

Der skal selvfølgelig mere til end blot at ændre ADC'en, hvis man vil øge et oscilloskops opløsning. Det kræver også, at der sker en forbedring af signal-støj-forholdet (SNR) i oscilloskopets front-end, så den følsomme ADC ikke fyldes med støj. Et 12-bit oscilloskop med en 8-bit front-end er stadig et 8-bit oscilloskop. WaveSurfer 4000HD-familien af oscilloskoper har dog på vellykket vis implementeret HD-konceptet. Den vertikale opløsning på 12 bit kombineret med en front-end med lavt støjniveau giver en løsning, der i den virkelige verden faktisk er 16 gange mere følsom over for et givet amplitudeområde end et 8-bit oscilloskop.

12-bit- vs. 8-bit-målinger

HD-oscilloskoper er beregnet til målinger med bølgeformer, der udviser et bredt dynamisk område. Dette er målinger, der omfatter en komponent med høj signalamplitude samtidig med lave signalniveauer. Lad os tage ultralyds-afstandsmåling som et eksempel på et anvendelsesformål. Den udsender en impuls med høj amplitude og venter derefter på et ekko med lav amplitude fra målet. Signalet med høj amplitude bestemmer det påkrævede spændingsområde for oscilloskopets vertikale forstærker. Opløsningen og systemstøjen bestemmer det mindste ekkosignal, der kan måles (Figur 1).

Figur 1: Det samme ultralydssignal gengivet med både 12-bit og 8-bit vertikal opløsning. Det øverste spor indbefatter begge versioner af det fulde signal overlejret over hinanden. De nederste spor viser en forstørret del af bølgeformen. Der synes umiddelbart ikke at være den store forskel, når man kigger på komponenterne med høj signalamplitude, men signalerne på de lavere niveauer viser en klar fordel ved 12-bit-gengivelsen. (Billedkilde: DigiKey)

Den øverste graf viser de opnåede signaler i både 12-bit- og 8-bit-opløsning overlejret. Der er ikke den store observerbare forskel på de overlejrede bølgeformer. Den midterste graf viser 12-bit-bølgeformen, der er udvidet både horisontalt og vertikalt. Den nederste graf er den samme del af 8-bit-bølgeformen. Det mindre detaljeniveau i signalerne med lav amplitude i 8-bit-versionen er ganske iøjnefaldende. Bemærk også, at signaltoppene i 12-bit-gengivelsen viser tydelige forskelle, der går tabt i 8-bit-versionen.

Målinger med bredt dynamisk område

Målinger med bredt dynamisk område omfatter alle former for ekkolokalisering og afstandsmålinger såsom radar, sonar og LiDAR. Mange teknologier til medicinsk billeddannelse såsom NMR og MRI er baseret på lignende teknikker: kroppens tilbagekastning af en transmitteret impuls på højt niveau og opfangelse og analysering af ekkoer eller stimulerede emissioner på grund af det transmitterede signal. På samme måde anvender ultralydsbaseret teknologi som ikke-destruktiv prøvning (NDT) tilbagekastede ultralydsimpulser til at identificere revner og fejl i faste materialer.

Til målinger af strømintegritet hvor små, millivolt-signaler som støj og rippel måles på bus-spændinger på mellem 1 og 48 volt eller mere, er der også brug for oscilloskoper med bredt dynamisk område.

Tænk f.eks. på måling af signaler fra selv en simpel ultralyds-afstandsmåler eller en lasermåler (Figur 2). Ultralyds-afstandsmåleren udsender fem impulser for hver måling med mellemrum på ca. 16,8 ms. I stedet for at indfange tidsforsinkelsen mellem disse impulser anvender et Teledyne LeCroy WaveSurfer 4104HD 12-bit oscilloskop en sekvensbaseret opsamlingstilstand, der opdeler oscilloskopets hukommelse i et brugerdefineret antal segmenter, som i dette eksempel er fem.

Figur 2: Et Teledyne LeCroy WaveSurfer 4104HD-oscilloskop, der anvendes til opsamling af et signal på 40 kilohertz (kHz) fra en ultralyds-afstandsmåler. Øverst vises der fem impulser for hver måling med en afstand på ca. 16,8 millisekunder (ms) imellem dem. (Billedkilde: DigiKey)

Hvert segment opsamler én udsendt impuls og tidsstempler triggerpunktet. Det øverste spor er den opsamlede bølgeform, hvor hvert segment er markeret. Et spor, der er zoomet ind på (nederste graf), viser et valgt segment, i dette tilfælde det første. Tabellen nederst på skærmen viser tidsstemplerne, der markerer tidspunktet for hver "trigger", tiden siden segment 1 og tiden mellem segmenter. Den udsendte impuls har en spids-til-spids-amplitude på 362 mV, mens det reflekterede ekko har en spids-til-spids-amplitude på kun 21,8 mV. Det er denne forskel i amplituden, der gør dette til en måling med bredt dynamisk område. Figuren anvender en ekkoamplitude, der kan ses på skærmen, men 12-bit-opløsningen opsamler dette signal ved amplituder, der er lavere end oscilloskopets pixelgengivelse, som det kan ses i Figur 1.

Målinger af strømintegritet kræver også oscilloskoper med bredt dynamisk område. Måling af rippelspænding kræver, at det er muligt at måle millivoltsignaler, der kører på strømbusser. I eksemplet i Figur 3 måler det øverste spor ripler på en 5-volts bus. Rippelspændingen er 45 mV_{spids-til-spids} og kører på en busspænding på 4,98 volt, som det aflæses direkte ved hjælp af WaveSurfer 4104HD's målingsparametre P2 og P1. Det nederste spor er FTT (Fast Fourier Transformation) for rippelspændingen, der viser et harmonisk, omfattende spektrum med en fundamental komponent på 982 Hz.

Figur 3: En måling af strømintegritet på en 5-volt bus til et daughter card viser rippelspændingen og rippel-FFT'en. (Billedkilde: DigiKey)

Foruden høj opløsning kræver der i dette anvendelseseksempel et oscilloskop med et godt offsetområde. I dette eksempel har oscilloskopet et ±8-volts offsetområde på 10-mV-skalaen. Skalaerne for offsetområde skaleres i forhold til oscilloskopets vertikale område. Hvis der er behov for større offsetområde, har Teledyne LeCroy RP4030-skinnesonden med et 30-volts offsetområde. Skinnesonder er specielt designet til undersøgelse af strømskinner med lav impedans. De har stor indbygget offset, høj indgangsimpedans og lav dæmpning og støj. Denne sonde har en båndbredde på 4 gigahertz (GHz), en dæmpning på 1,2 og en indgangsimpedans på 50 kiloOhm (kΩ).

HD-oscilloskoper kan også håndtere målinger med højere spænding som dem, man ser i switch-mode-strømkonvertere (SMPC'er). SMPC'er omfatter strømforsyninger, invertere og industrisystemer til styring, regulering og overvågning (SRO). De styrer strømmen ved at justere driftscyklus eller frekvensen for en omkoblet eller "switched" bølgeform. De primære målinger omfatter spændingen på tværs af og strømmen gennem strømafbryderenheden/-erne, normalt en field effect transistor (FET). For at hjælpe udviklere med SMPC-målinger leverer Teledyne LeCroy anvendelsesspecifik software samt spændings- og strømstyrkesonder. Der er vist en typisk måling i Figur 4.

Figur 4: Karakterisering af en SMPC's tab omfatter måling af spænding og strømstyrke på effektomkoblingsenhederne og derefter beregning af strømtab i hver fase af effektomkoblingscyklussen. (Billedkilde: DigiKey)

Strømstyrken, det lyserøde spor, måles med en Teledyne LeCroy model CP030A-strømsonde. Denne klemmesonde har en maksimal indgangsstrøm på 30 ampere (A) og en båndbredde på 50 MHz. Spændingsbølgeformen, der vises som et beige spor, måles ved hjælp af en Teledyne LeCroy HVP1306-differentialsonde til højspænding. Denne sonde er beregnet til en maksimal CATIII-spænding på 1000 volt ved en båndbredde på 120 MHz. Begge sonder genkendes af WaveSurfer-oscilloskopet, som automatisk skalerer de målte bølgeformer for at tage højde for sondens forstærkning og måleenheder.

Softwaren til måling af strøm automatiserer de mest almindelige SMPC-målinger. Figur 4 viser beregningen af enhedens effekttab med det gule spor. Dette beregnes ud fra strømstyrke- og spændingsbølgeformerne for hele omkoblingscyklussen. Målingsparametrene isolerer og viser tab ved tænding, ledning, slukning og slukket tilstand baseret på de opsamlede bølgeformer, hvor hver zone er tydeligt afgrænset af et farveoverlay. Den viser også det samlede tab fra alle zoner samt switchfrekvensen. Andre målinger, foruden de enhedsmålinger, der er vist i figuren, hjælper med at karakterisere kontrolløkkedynamik, linjestrøm og ydelsesegenskaber som f.eks. effektivitet.

12-bit-opløsningen er også nyttig i forbindelse med effektmålinger ved beregning af drain-kildemodstand (Rds) for effekt-FET. Dette kræver, at der måles en spænding i størrelsesordenen en eller to volt på en bølgeform med et spids-til-spids-udsving i størrelsesordenen 400 volt. WaveSurfer 4000HD-serien er kompatibel med alle Teledyne LeCroy-sonder, der er kompatible med oscilloskopets båndbredde (Figur 5).

Figur 5: Teledyne LeCroy WaveSurfer 4000HD-oscilloskoper er kompatible med virksomhedens omfattende sortiment af sonder, heriblandt de strømmålingssonder, der er vist her. (Billedkilde: Teledyne LeCroy)

En bred vifte af anvendelsesmuligheder sætter højere standarder for "arbejdshest"-oscilloskoper

WaveSurfer 4000HD-serien er ikke begrænset til anvendelser med bredt dynamisk område. Det er et fremragende oscilloskop i sig selv og kan sætte en højere standard for "arbejdshest"-oscilloskoper. Det er et godt valg til fejlfinding i forbindelse med serielle data med lav hastighed, da det tilbyder analysepakker og sonder til understøttelse af serielle busser som SPI, I²C, UART-baserede links samt bilindustri-busser som LIN, CAN og FLEXRAY.

Seriel bus-analyse kræver, at der er mulighed for at erhverve og afkode bus-protokollen og at læse dataindholdet (Figur 6). Det farvekodede overlay viser hver pakke. Det røde overlay indikerer adressedataene, mens de blå overlays markerer datapakkerne. Adressen og dataindholdet vises i overlayet. Afkodningsoplysninger kan vises i binært, heksadecimalt eller ASCII-format. Tabellen nederst på skærmen opsummerer opsamlede transaktioner, og viser tid i forhold til triggerpunktet, adresselængde, adresse, retning (læse eller skrive), antallet af pakker og dataindholdet. Trigger (udløser) kan være baseret på aktivitet, adresse, dataindhold eller en kombination af adresse og data.

Teledyne LeCroy ZD200 aktiv differentialsonde er et godt valg til måling af serielle data. Denne 10:1-sonde har en indgangsimpedans på 1 megaOhm og en båndbredde på 200 MHz og kan håndtere differentialspændinger på op til 20 volt og common mode-spændinger på op til 50 volt. Den er særligt velegnet til differentialbusser som f.eks. CAN.

Figur 6: Seriel trigger med lav hastighed og afkodning af I²C-bussen omfatter muligheden for at læse bussens dataindhold. Her vises opsamlingen og afkodningen af et I²C-bus-signal til både en læse- og en skrivehandling. (Billedkilde: DigiKey)

Konklusion

8-bit oscilloskoper vil altid have deres anvendelser, men der er mange situationer, hvor det er en fordel med HD og det brede dynamiske område i et 12-bit oscilloskop, men deres relativt høje pris har afholdt mange designere og testingeniører fra at bruge dem. Teledyne LeCroy WaveSurfer 4000HD-serien af oscilloskoper bidrager til at løse problemet med en meget lavere startpris.

De muliggør HD-målinger baseret på 12-bit vertikal opløsning, en maksimal samplingfrekvens på 5 GS/sek. og en lav grundstøj. De er også kompatible med Teledyne LeCroys sonder og softwarepakker til analyse. Dermed baner oscilloskoperne vejen for omkostningseffektive målinger med bredt dynamisk område, ikke længere blot i laboratorier, men også på teknikerens arbejdsbord eller på fabrikker.