Динамическая повторная привязка — микровольтовые измерения с помощью осциллографов R&S®RTO

Измерительная задача

Задача заключается в выполнении точных и воспроизводимых долговременных измерений малых сигналов со смещением или дрейфом постоянной составляющей и при наличии низкочастотного шума.

Примеры

• Малые изменения сигналов с большой амплитудой
• Измерения сигналов низкого уровня с минимальным усреднением и незначительными случайными отличиями циклов развертки
• Воспроизводимые измерения с очень высоким разрешением при большом вертикальном масштабе для обработки сигналов с широким динамическим диапазоном
• Долговременные измерения со стабильным размещением на экране для упрощения визуального анализа
• Испытания на соответствие маске при очень малых амплитудах сигналов, требующие надежного и стабильного размещения осциллограммы
• Использование короткого времени усреднения для измерений с низкочастотным шумом и дрейфом/смещением
• Точные измерения СКЗ для сигналов низкого уровня
• Изменения сигнала относительно изменяющегося опорного уровня

Краткое описание проблемы

В современных осциллографах предусмотрены хорошо известные инструментальные средства, которые помогают уменьшить влияние высокочастотного шума, например, ограничение аналоговой полосы пропускания, цифровая фильтрация, прореживание и усреднение осциллограммы.

С другой стороны, средства борьбы с низкочастотным шумом (тепловой, фликкерный, 1/f) и дрейфом ограничены.

В общем случае смещение — это постоянное значение для определенного канала датчика/пробника/осциллографа, которое посредством автоматической установки нуля или настройки смещения для пробника можно легко отрегулировать или скомпенсировать до значения, которое используется в выражении математического канала (например, изменение масштаба). В некоторых случаях значение смещения может быть слишком малым для функций смещения или установки на нуль, чтобы полностью скомпенсировать напряжение смещения. Кроме того возможен дрейф смещения. Оно также обычно зависит от изменений настроек усиления или ослабления.

Дрейф — это явление, которое трудно нейтрализовать. Он представляет собой любые изменения нулевой точки или усиления, происходящие в течение периода времени, который значительно превышает период дискретизации или измерения. Дрейф может включать случайные и детерминированные составляющие, зависящие от таких факторов, как влажность, вибрация, старение компонентов, изменения питания (которое само подвержено воздействию этих факторов), шум 1/f, излучение, изменения магнитных характеристик и т. д.

Пример

• В измерительной системе присутствует тепловой дрейф нулевой точки амплитуды измеряемого сигнала, составляющий 5 % за 20 минут, и шум 1/f с частотой значительно меньше 1 Гц
• Если период сбора данных равен одной секунде, то усреднение 60 осциллограмм длится одну минуту, что соответствует дрейфу 0,25 %
• Для каждого периода усреднения устраняется половина от ежеминутного дрейфа 0,25 %. Если дрейф непрерывный, усреднение уменьшает обусловленное дрейфом смещение только на 0,125 % от полной шкалы, только на 1/40 часть от общего обусловленного дрейфом смещения через 20 минут
• Шум 1/f уменьшается, но не может быть устранен, поскольку он не имеет нижнего предела по частоте

После достижения системой теплового равновесия усреднение не влияет на смещение в нулевой точке. Усреднение может только скомпенсировать дрейф или шум, возникающий в течение периода меньшего, чем период усреднения.

Контрольно-измерительное решение: динамическая повторная привязка с осциллографом R&S®RTO

Чтобы фиксировать сигналы на уровне микровольт, можно воспользоваться следующими преимуществами R&S^®RTO:

• Входной каскад с низким уровнем шума
• Режим HD, обеспечивающий разрешение до 16 разрядов при частоте 50 МГц, с одновременным одноточечным управлением полосой пропускания и разрешением
• Точный цифровой запуск по сигналам с амплитудой, составляющей всего 0,02 деления
• Запуск по сигналам последовательных и параллельных шин данных для измерений и оценки интеллектуальных компонентов системы
• Превосходная линейность благодаря характеристикам входного каскада и одноядерному АЦП с эффективной разрядностью (ENOB) свыше семи при полосе пропускания 1 ГГц
• Высокоэффективные математические каналы с поддержкой следующих функций:
  • Возможность использования результатов измерений в определениях математического канала
  • Усреднение осциллограммы (в цифровом формате с плавающей запятой)
  • Гибкая цифровая фильтрация с КИХ и скользящим средним

Принцип

Измерение среднего значения со стробированием выполняется в части цикла сбора данных, которая остается неизменной в каждом цикле. Полученное в результате значение вычитается из осциллограммы.

Осциллограмма математического канала затем отображается относительно опорного уровня. В результате эффективно устраняются помехи с периодом, превышающим период сбора данных, включая дрейф и смещение.

Если выбранное опорное значение равно 0 В, осциллограмма математического канала повторно привязывается к уровню земли. Если известный опорный уровень не равен 0 В, измеренное напряжение опорного уровня просто добавляется в определение математического канала как константа.

Настройка осциллографа R&S^®RTO для повторной привязки

Запуск

Когда изменения уровня измеренного сигнала превышают 0,02 деления, осциллограф R&S^®RTO способен обеспечить стабильный запуск.

Если амплитуда сигнала меньше 0,02 деления, или в случае значительного дрейфа, как правило, можно найти другой источник запуска, синхронизированный с интересующим сигналом, такой как:

• Изменение напряжения питания
• Изменения состояния сигнала разрешения или другой линии управления
• Сигнал команды, подаваемый в ИУ через последовательную шину, такую как I2C, или один из многих других интерфейсов, который можно использовать в качестве источника запуска в приборе R&S^®RTO

Настройка измерения опорного значения

Обычно измерение среднего значения используется, чтобы отфильтровать шум, который может присутствовать в дискретизированном сигнале, а стробирование сигнала применяется, чтобы выбрать стабильный участок сигнала в качестве опорного уровня.

Для настройки измерения следует последовательно настроить канал источника для измерений, тип измерений и период стробирования. (Примечание: чтобы выбираемые границы стробирования отображались на экране, должен быть активен канал источника и установлен флажок состояния.)

Начальное и конечное время стробирования настраиваются в соответствии с требуемой опорной частью измеряемого сигнала. В представленном ниже примере участок нулевого напряжения сигнала запуска (Ch3Wfm1, зеленый) соответствует участку нулевого тока измеряемого сигнала (Ch1Wfm1, желтый). В результате четко видно, где должен размещаться интервал стробирования.

Настройка математического канала

После определения измерения результаты можно использовать в формуле математического канала. Когда стабильная часть сигнала соответствует нулю или должна применяться в качестве базового уровня, формула математического канала (с использованием описанных выше каналов и измерений) выглядит следующим образом:

Ch1Wfm1 – Meas1

Когда известно ненулевое опорное значение, например, измеряемый сигнал должен быть на уровне 3,65 В, используется следующая формула:

Ch1Wfm1 – Meas1 + 3,65 В

На вкладке настройки (Setup) математического канала рекомендуется выбрать Vertical scale (Вертикальный масштаб) > Manual (Ручной).

Пользователь также может выбрать дополнительные варианты обработки сигнала с помощью кнопки/выпадающего меню Mode (Режим): огибающая/среднее/СКЗ

Пример

Далее представлен хороший пример повторной привязки с эффективным коэффициентом масштабирования математического канала 500 и амплитудой уровня измеряемого сигнала, равной 1/500 части деления.

Измеряется повторяющийся сигнал с частотой 256 Гц и изменениями уровня 200 мкВ, которые накладываются на сигнал с напряжением 80 мВ и двумя ступенями по 40 мВ (красная осциллограмма внизу). Здесь показан широкий динамический диапазон, доступный при работе с осциллографом R&S^®RTO: измеряется сигнал на уровне всего лишь 0,02 % от полной шкалы 1 В.

Режим HD используется с полосой пропускания 20 кГц. Математический канал настроен на усреднение 20×.

На экране осциллографа (настройка послесвечения 10 с) четко виден сигнал 200 мкВ со смещением, эквивалентным 400 делениям. Послесвечение показывает стабильность сигнала, и статистика измерений подтверждает среднеквадратическое отклонение 44 мкВ (приблиз. 0,004 % от значения полной шкалы, > 14 бит).

Заключение

Динамическая повторная привязка обеспечивает дополнительные возможности использования широкого динамического диапазона прибора R&S®RTO, повышает точность и удобство эксплуатации, а также уменьшает погрешности при долговременных измерениях.