Re-référencement dynamique – mesures de l'ordre du microvolt avec les oscilloscopes R&S®RTO

Votre tâche

La tâche consiste à réaliser des mesures à long terme précises et reproductibles sur des signaux faibles, avec dérive ou décalage DC et des composants de bruit à basse fréquence.

Exemples

• Changements de petits signaux « chevauchant » sur les grands signaux
• Mesures précises du niveau bas, avec une moyenne minimale et un faible bruit de courbe à courbe
• Mesures reproductibles en très haute résolution avec des réglages de grande échelle verticale pour accueillir des signaux à grande plage dynamique
• Mesures à long terme avec le placement d'écran conforme pour une analyse visuelle plus facile
• Tests de masques sur des amplitudes de signaux très faibles nécessitant le placement fiable et cohérent de la courbe
• Utilisation du court temps de calcul de la moyenne, pour des mesures avec bruit de basse fréquence et dérive / décalage
• Mesures précises de RMS sur des signaux de faible intensité
• Changements de signaux que l'on appelle changement de base

Contexte

Les oscilloscopes modernes proposent des outils bien connus pour aider à réduire les effets du bruit de haute fréquence, y compris la limitation de largeur de bande analogique, le filtrage numérique, la décimation et le moyennage de courbe.

À l'inverse, les moyens pour faire face aux bruits à basse fréquence (thermique, scintillement, 1/f) et à la dérive sont limités.

Le décalage est généralement une valeur fixe pour un capteur / voie de sonde / oscilloscope particulier, qui peut être simplement ajusté ou compensé avec une valeur utilisée dans une équation de canal mathématique (par exemple la remise à l'échelle), par remise à zéro automatique ou réglage du décalage pour une sonde. Dans certains cas, la valeur de décalage peut être trop petite pour que les fonctions de décalage ou de remise à zéro automatique annulent entièrement la tension de décalage. En outre, le décalage est soumis à la dérive et généralement affecté par les changements des paramètres de gain ou d'atténuation.

La dérive est un phénomène contre lequel il est difficile d'agir, il s'agit d'un changement du point zéro ou d'un gain se produisant sur une période qui est significativement plus longue que la période de mesure ou d'échantillonnage. La dérive peut avoir des composantes aussi bien stochastiques que déterministes, causées par des facteurs comme l'humidité, les vibrations, le vieillissement des composants, les variations d'alimentation électrique (qui sont elles-mêmes soumises à ces facteurs), le bruit en 1/f, le rayonnement, les changements des caractéristiques magnétiques et plus encore.

Exemple

• Un système de capteurs a une dérive du point zéro positive, thermiquement induite, de 5 % de l'amplitude du signal mesuré sur une période de 20 minutes et un bruit en 1/f considérable inférieur à 1 Hz
• Si la période d'acquisition est d'une seconde, une moyenne de trace de 60 donne des moyennes d'une minute, pendant cette période, la dérive est de 0,25 %
• Pour chaque période de calcul de la moyenne, 1/2 de 0,25 % par dérive sur une minute sera éliminé. Si la dérive est continue, le moyennage réduira uniquement le décalage induit par la dérive de 0,125 % de la valeur pleine échelle, soit seulement 1/40ème du décalage total induit par la dérive au bout de 20 minutes
• Le bruit en 1/f est réduit, mais ne peut-être pas être éliminé, car il n'a aucune limite de fréquence inférieure

Après que ce système de capteurs ait atteint l'équilibre thermique, le moyennage n'aura aucun effet sur la valeur du décalage au point zéro. Le moyennage peut seulement corriger la dérive ou le bruit qui se produit pendant une période plus courte que la période de calcul de la moyenne.

Solution de T&M : re-référencement dynamique avec l'oscilloscope R&S®RTO

Pour capturer les signaux de l'ordre du microvolt, l'utilisateur peut tirer profit des avantages du R&S^®RTO, par exemple :

• Module frontal à faible bruit
• Mode HD, proposant une résolution jusqu'à 16 bits à 50 MHz, avec contrôle simultané à un point unique de la largeur de bande et de la résolution
• Déclenchement numérique précis sur des signaux à très faible amplitude de division (jusqu'à 0,02)
• Déclenchement sur bus de données série et parallèle pour permettre la mesure et l'évaluation des composants du système « intelligent »
• Excellente linéarité en raison de la performance du module frontal et convertisseur analogique / numérique mononucléaire, avec ENOB > 7 bits à une largeur de bande de 1 GHz
• Canaux mathématiques puissants avec les fonctionnalités suivantes :
  • Possibilité d'utiliser les résultats de mesure dans les définitions de canaux mathématiques
  • Moyennage de courbe (en format numérique à virgule flottante)
  • Filtrage numérique flexible avec le FIR et moyenne mobile

Le principe

La mesure moyenne, utilisée avec une porte, est réalisée sur une parti de l'acquisition qui est stable pendant toute l'acquisition, la valeur résultante est soustraite à la trace.

La forme d'onde du canal mathématique sera alors verrouillée au niveau de référence. Ce processus supprime efficacement le bruit à des fréquences inférieures à la période d'acquisition, y compris la dérive et le décalage.

Si la référence sélectionnée est à 0 V, la forme d'onde du canal mathématique sera re-référencée à la « masse ». Si le niveau de référence est un niveau connu différent de 0 V, alors la tension de niveau de référence mesurée est simplement ajoutée à la définition du canal mathématique comme constante.

Configuration du R&S^®OTR pour le re-référencement

Déclenchement

Lorsque le signal mesuré affiche des changements de niveau supérieurs à une division de 0,02, le R&S^®RTO peut fournir un déclencheur stable.

Si le signal affiche une valeur inférieure à 0,02 division d'amplitude ou dérive sensiblement, il est généralement possible de trouver une autre source de déclenchement synchrone avec le signal d'intérêt, par exemple :

• Un changement de tension d'alimentation
• Un changement d'état de signal d'une ligne de commande, notamment Activer
• Un signal de commande appliqué au dispositif sous test via un bus série, comme I2C, ou l'une des nombreuses autres interfaces qui peuvent être utilisées comme sources de déclenchement dans le R&S^®RTO

Configuration de mesure de référence

Typiquement, une mesure de moyenne est utilisée pour filtrer le bruit éventuellement présent dans le signal échantillonné, et une porte - ou gate - lui est appliquée pour sélectionner une partie stable de la forme d'onde comme référence.

La configuration de mesure requiert tout d'abord le paramétrage du canal source de la mesure, du type de mesure et enfin de la période de porte. (Remarque : le canal source doit être actif et le statut vérifié pour réaliser une sélection de porte visible à l'écran.)

Les temps de démarrage et d'arrêt du mode Gate sont réglés de manière à correspondre à la partie de référence souhaitée de la forme d'onde mesurée. Dans l'exemple ci-dessous, la section de zéro Volt de la forme d'onde de déclenchement (Ch3Wfm1, en vert) correspond à la partie de courant zéro de la forme d'onde mesurée (Ch1Wfm1, en jaune). Il est ainsi facile de voir où la porte doit être placée.

Configuration du canal mathématique

Une fois la mesure définie, elle est prête à être utilisée dans une formule de canal mathématique. Lorsque la partie stable du signal est égale à zéro ou doit être utilisée comme base de référence, la formule de canal mathématique (utilisant des canaux et mesures comme indiqué ci-dessus) est :

Ch1Wfm1 – Meas1

Si la référence différente de zéro était une valeur connue, par exemple mesurée à 3,65 V, la formule serait :

Ch1Wfm1 – Meas1 + 3,65 V

Dans l'onglet Configuration du canal mathématique, il est conseillé de sélectionner Échelle verticale > Manuelle.

L'utilisateur peut également sélectionner des options de traitement du signal supplémentaires avec le bouton Mode / menu haut - bas : envelope / moyenne / RMS

Un exemple

Voici un bon exemple de re-référencement, avec un facteur de zoom de canal mathématique effectif de 500 et une amplitude de niveau de signal mesurée de 1/500ème d'une division.

La forme d'onde à mesurer est répétitive, un signal de 256 Hz avec un changement de niveau de 200 μV qui est superposé à un signal de 80 mV avec deux étapes de 40 mV (courbe rouge en bas). Cela montre la grande plage dynamique possible avec le R&S^®RTO, mesurant un signal de seulement 0,02 % de la valeur pleine échelle de 1 V.

Le mode HD s'utilise avec une largeur de bande de 20 kHz. Le canal mathématique est réglé sur un moyennage de 20×.

Sur l'écran de l'oscilloscope (paramètre de persistance 10 s), le signal de 200 μV est clairement visible, avec un décalage équivalent à 400 divisions. La persistance montre la stabilité du signal, et les statistiques de mesure confirment la déviation standard du signal de 44 μV (environ 0,004 % de la pleine échelle, > 14 bit).

Conclusion

Le re-référencement dynamique améliore l'utilisation de la plage dynamique étendue fournie dans le R&S®RTO, permettant ainsi une plus grande précision, et facilitant l'utilisation et réduisant les erreurs de mesure à long terme.