Re-referenciação dinâmica – medições em escala de microvolt com os osciloscópios R&S®RTO

Sua tarefa

A tarefa consiste em realizar medições de longo prazo precisas e reproduzíveis em sinais pequenos com compensação ou desvio de CC, e em componentes de ruído de baixa frequência.

Exemplos

• O sinal pequeno altera os sinais grandes "em transmissão"
• Medições de baixo nível precisas com média mínima e baixo ruído traço-a-traço
• Medições reproduzíveis de resolução extremamente alta em configurações de escala vertical grande para acomodar sinais com faixa dinâmica ampla
• Medições de longo prazo com posicionamento de tela consistente para uma análise visual simplificada
• Testes de máscara em amplitudes de sinal muito pequenas, requerendo um posicionamento de traço consistente e confiável
• Uso de tempo médio curto para medições com ruído de baixa frequência e desvio/compensação
• Medições RMS precisas em sinais de baixo nível
• As alterações de sinal que são referenciadas para uma linha de base em modificação

Contexto

Os osciloscópios modernos fornecem ferramentas bem conhecidas para ajudar a reduzir os efeitos do ruído de alta frequência, incluindo limitação de largura de banda analógica, filtragem digital, decimação e cálculo de média do traço.

Por outro lado, os métodos de lidar com ruído de baixa frequência (termal, oscilação, 1/f) e desvio são limitados.

O desvio normalmente é um valor fixo para um canal específico do osciloscópio/da sonda/do sensor, que pode simplesmente ser ajustado ou compensado com um valor usado em uma equação de canal matemático (por exemplo, redimensionamento), por zeramento automático ou em uma configuração de compensação para uma sonda. Em alguns casos, o valor de desvio pode ser pequeno demais para que as funções de zeramento automático ou compensação cancelem completamente a tensão de compensação. Além disso, a compensação está sujeita ao desvio e normalmente é afetada pelas alterações nas configurações de ganho ou atenuação.

O desvio é um fenômeno difícil de combater; é qualquer alteração no ponto zero ou ganho que ocorra durante um período significantemente maior do que o período de medição ou amostragem. O desvio pode ter componentes deterministas e estocásticos, causados por fatores como umidade, vibração, envelhecimento do componente, variações na fonte de alimentação (que também estão sujeitas a esses fatores), ruído 1/f, radiação, alterações nas características magnéticas, entre outros.

Exemplo

• Um sistema de sensores tem um desvio de ponto zero positivo, termicamente induzido de 5 % da amplitude de sinal medida por um período de 20 minutos, e ruído 1/f que está significativamente abaixo de 1 Hz
• Se o período de aquisição for de 1 segundo, o cálculo de média do traço de 60 fornecerá médias de 1 minuto; durante esse período, o desvio será de 0,25%
• Para cada período de cálculo de média, metade do desvio de 0,25 % por minuto será eliminado. Se o desvio for contínuo, o cálculo de média irá reduzir a compensação induzida por desvio apenas em 0,125 % do valor de escala total, apenas 1/40 da compensação total induzida por desvio após 20 minutos
• O ruído 1/f é reduzido, mas não pode ser eliminado, pois não possui limite inferior de frequência

Após este sistema de sensores atingir o equilíbrio térmico, o cálculo de média não terá efeito na quantidade de desvio no ponto zero. O cálculo de média só pode corrigir o desvio ou ruído que ocorre durante um período que é menor que o período do cálculo de média.

Solução de teste e medição: re-referenciamento dinâmico com o osciloscópio R&S®RTO

Para capturar sinais em escala de microvolt, o usuário pode tirar proveito das vantagens do R&S^®RTO, como:

• Interface de baixo ruído
• modo HD, fornecendo resolução de até 16 bits a 50 MHz, com controle de ponto único simultâneo da largura de banda e resolução
• Disparo digital preciso em sinais de amplitude com divisão de 0,02
• Disparo em barramentos de dados seriais e paralelos para permitir a medição e avaliação dos componentes "inteligentes" de sistema
• Excelente linearidade devido ao desempenho da interface e ao ADC de núcleo único com ENOB de > 7 bits em largura de banda de 1 GHz
• Canais matemáticos poderosos com os seguintes recursos:
  • Capacidade de usar os resultados da medição nas definições do canal matemático
  • Cálculo de média do traço (em formato numérico de ponto flutuante)
  • Filtragem digital flexível com FIR e média móvel

O princípio

A medição média, usada com uma barreira, é realizada em uma parte da aquisição que fica estável durante todas as aquisições; o valor resultante é subtraído do traço.

A forma de onda do canal matemático então será bloqueada para o nível de referência. Este processo remove o ruído de forma eficaz em frequências abaixo do período de aquisição, incluindo o desvio e a compensação.

Se a referência selecionada estiver em 0 V, a forma de onda do canal matemático será re-referenciado para "terra". Se o nível de referência for um nível conhecido diferente de 0 V, então a tensão do nível de referência medido será simplesmente adicionada à definição do canal matemático como uma constante.

Configurando o R&S^®RTO para o re-referenciamento

Disparo

Quando o sinal medido tem alterações de nível com mais de 0,02 de divisão, o R&S^®RTO pode fornecer um disparo estável.

Se o sinal tiver divisões de amplitude menores que 0,02 ou desviar significativamente, normalmente será possível encontrar outra fonte de disparo que seja síncrona com o sinal de interesse, como:

• Uma alteração na tensão de alimentação
• Um alteração no estado do sinal de uma linha de controle de Ativação ou de outro tipo
• Um sinal de comando aplicado ao DUT via barramento serial, como I2C, ou uma das muitas outras interfaces que podem ser utilizadas como fontes de disparo no R&S^®RTO

Configuração da medição de referência

Normalmente, uma medição média é usada para filtrar o ruído que pode estar presente no sinal de amostra, e uma barreira é aplicada a ele para selecionar uma parte estável da forma de onda como referência.

A configuração da medição requer primeiro a configuração do canal de origem da medição, do tipo de medição e, por último, do período de barreira. (Observação: o canal de origem deve estar ativo e a caixa State ("Estado") deve estar marcada para tornar a seleção de barreira visível na tela.)

Os tempos de início e término do bloqueio são ajustados para corresponder à parte de referência desejada da forma de onda medida. No exemplo mostrado abaixo, a seção de zero volt da forma de onda de disparo (Ch3Wfm1, na cor verde) corresponde à parte de corrente zero da forma de onda medida (Ch1Wfm1, na cor amarela). Como resultado, fica fácil saber onde o bloqueio precisa ser colocado.

Configuração do canal matemático

Após a medição ser definida, ela fica pronta para ser usada em uma fórmula de canal matemático. Quando a parte estável do sinal for zero ou precisar ser utilizada como linha de base, a fórmula do canal matemático (usando os canais e medições como anteriormente) é a seguinte:

Ch1Wfm1 – Meas1

Se a referência diferente de zero fosse um valor conhecido, por exemplo, medida como sendo 3,65 V, a fórmula seria:

Ch1Wfm1 – Meas1 + 3,65 V

Na guia Setup (Configuração) do canal matemático, é recomendável selecionar Vertical scale > Manual (Escala vertical > Manual).

O usuário também pode selecionar opções adicionais de processamento de sinal com o botão Mode (Modo)/menu suspenso: envelope/média/RMS

Um exemplo

A seguir, temos um ótimo exemplo de re-referenciamento com um fator de zoom efetivo do canal matemático de 500 e uma amplitude de nível de sinal medida de 1/500 de uma divisão.

A forma de onda a ser medida é repetitiva, um sinal de 256 Hz com uma alteração de nível de 200 μV que é sobreposto a um sinal de 80 mV com duas fases de 40 mV (traço vermelho na parte inferior). Isso mostra a faixa dinâmica ampla possível com o R&S^®RTO, medindo um sinal que é apenas 0,02 % do valor de escala total de 1 V.

O modo HD é usado com uma largura de banda de 20 kHz. O canal matemático é definido como sendo 20 vezes a média.

Na tela do osciloscópio (configuração de persistência de 10 s), o sinal de 200 μV fica claramente visível, com um desvio equivalente a 400 divisões. A persistência mostra a estabilidade do sinal, e as estatísticas de medição confirmam o desvio padrão do sinal a partir de 44 μV (aprox. 0,004 % do valor de escala total, > 14 bits).

Resumo

O re-referenciamento dinâmico aprimora o uso da faixa dinâmica ampla fornecida no R&S®RTO, permitindo maior precisão, facilidade de uso e redução dos erros da medição de longo prazo.