Riposizionamento dinamico del riferimento - Misure a livello di microvolt con gli oscilloscopi R&S®RTO

Attività da eseguire

L'attività consiste nell'eseguire misure precise e ripetibili, su periodi lunghi, di piccoli segnali con componenti di offset in continua, derive e rumore a bassa frequenza.

Esempi

• Piccole variazioni di segnale su segnali grandi
• Misure precise a bassi livelli con un processo di media minimo e basso rumore traccia-traccia
• Misure ripetibili ad elevatissima risoluzione con impostazioni di una grande scala verticale per gestire segnali con grande gamma dinamica
• Misure su periodi lunghi con posizionamento coerente dello schermo per semplificare l'analisi visiva
• Test con maschera su segnali con ampiezze ridotte che richiedono il posizionamento affidabile e coerente della traccia
• Utilizzo di un breve intervallo temporale per effettuare la media per eseguire misure in presenza di rumore a bassa frequenza e drift/offset
• Misure RMS accurate su segnali di basso livello
• Variazioni del segnale rispetto a un riferimento che cambia

Background

Gli oscilloscopi moderni offrono strumenti ben noti per contribuire a ridurre gli effetti del rumore ad alta frequenza, tra cui la limitazione della larghezza di banda analogica, il filtraggio digitale, la decimazione e il processo di media sulla traccia.

Al contrario, i metodi di trattare il rumore a bassa frequenza (termico, flicker, 1/f) e la lenta deriva (drift) sono limitati.

L'offset è, generalmente, un valore fisso per un particolare sensore/sonda/canale dell'oscilloscopio, che può essere semplicemente regolato o compensato con un valore che viene utilizzato in un'equazione del canale matematico (ad esempio con l'aggiustamento della scala), mediante l'auto-azzeramento o in un'impostazione di offset per una sonda. In alcuni casi, il valore di offset può essere troppo piccolo per permettere alle funzioni di offset o di auto-zero di annullare completamente la tensione di offset. Inoltre, l'offset è soggetto a una deriva influenzata, di solito, dai cambiamenti delle impostazioni di guadagno o attenuazione.

La deriva (drift) è un fenomeno difficile da contrastare; è una variazione del punto di zero o del guadagno che si verifica in un periodo che è significativamente più lungo del periodo di campionamento o di misura. La deriva può avere delle componenti sia stocastiche sia deterministiche, causate da fattori come umidità, vibrazioni, invecchiamento dei componenti, variazioni della tensione di alimentazione (che sono a loro volta soggette a questi fattori), rumore 1/f, radiazioni, cambiamenti nelle caratteristiche magnetiche e altro ancora.

Esempio

• Un sistema di sensori ha una deriva del punto di zero, positiva e indotta termicamente, del 5% dell'ampiezza del segnale misurata su un periodo di 20 minuti, e un rumore 1/f che è significativamente al di sotto di 1 Hz
• Se il periodo di acquisizione è di un secondo, un processo di media della traccia di 60 fornisce medie su un minuto; all'interno di quel periodo, la deriva è pari allo 0,25%
• Per ogni periodo di media, 1/2 dello 0,25% della deriva al minuto sarà eliminato. Se la deriva è continua, la media ridurrà l'offset indotto dalla deriva dello 0,125% del valore di fondo scala, solo 1/40esimo dell'offset totale indotto dalla deriva dopo 20 minuti
• Il rumore 1/f viene ridotto, ma non può essere eliminato non avendo, il rumore 1/f, un limite di frequenza inferiore

Quando il sistema ha raggiunto l'equilibrio termico, il processo di media non avrà alcun effetto sul valore di offset del punto di zero. Una media può solo correggere la deriva o il rumore che si verifica in un periodo che è più breve del periodo di media.

Soluzione di misura e collaudo: riposizionamento dinamico del riferimento con l'oscilloscopio R&S®RTO

Per acquisire segnali con livelli dell'ordine dei microvolt, si possono sfruttare i vantaggi offerti dall'oscilloscopio R&S^®RTO, quali:

• Stadio d'ingresso a basso rumore
• Modalità HD, che offre una risoluzione fino a 16 bit a 50 MHz, con il controllo simultaneo a punto singolo di larghezza di banda e risoluzione
• Triggering digitale preciso su segnali con ampiezze non superiori a 0,02 divisioni
• Triggering su bus di dati seriali e paralleli per consentire la misura e la valutazione dei componenti “intelligenti” del sistema
• Eccellente linearità grazie alle prestazioni dello stadio d'ingresso e del convertitore analogico/digitale a single-core con ENOB > 7 bit e larghezza di banda di 1 GHz
• Canali matematici potenti con le seguenti caratteristiche:
  • Capacità di utilizzare i risultati delle misure nelle definizioni del canale matematico
  • Media della traccia (nel formato numerico a virgola mobile)
  • Filtraggio digitale flessibile con filtro FIR e media mobile

Il principio

La misura della media, usata con un gate, viene eseguita su una parte dell'acquisizione che è stabile durante ogni acquisizione; il valore risultante viene sottratto dalla traccia.

La forma d'onda del canale matematico sarà poi agganciata al livello di riferimento. Questo processo rimuove efficacemente il rumore a frequenze inferiori al periodo di acquisizione, compresi deriva e offset.

Se il riferimento selezionato è a 0 V, la forma d'onda del canale matematico sarà nuovamente riferita alla "terra". Se il livello di riferimento è un livello noto che non è 0 V, allora la tensione misurata del livello di riferimento viene semplicemente aggiunta alla definizione del canale matematico come costante.

Impostazione dell'oscilloscopio R&S^®RTO per il riposizionamento del riferimento

Triggering

Quando il segnale misurato ha variazioni di livello > 0,02 divisioni, l'oscilloscopio R&S^®RTO è in grado di garantire un trigger stabile.

Se il segnale ha un'ampiezza < 0,02 divisioni di ampiezza o subisce una deriva significativa, è generalmente possibile trovare un'altra fonte di trigger che è sincrona con il segnale d'interesse, come ad esempio:

• Una variazione della tensione di alimentazione
• Un cambiamento dello stato del segnale di una linea di abilitazione o di un'altra linea di controllo
• Un segnale di comando applicato al dispositivo sotto test tramite un bus seriale, come I2C, oppure una delle molte altre interfacce che possono essere utilizzate come sorgenti di trigger nell'oscilloscopio R&S^®RTO

Configurazione della misura del riferimento

Tipicamente, una misura di media viene utilizzata per filtrare il rumore che può essere presente nel segnale campionato, e viene applicato un gate ad esso per selezionare una parte stabile della forma d'onda come riferimento.

Il sistema di misura richiede, prima, l'impostazione del canale sorgente della misura, del tipo di misura e, infine, del periodo del gate. (Nota: il canale sorgente deve essere attivo e la casella di Stato selezionata per rendere la scelta del gate visibile sullo schermo)

I tempi d'inizio e di fine della finestratura vengono regolati in modo da corrispondere alla parte di riferimento desiderato della forma d'onda misurata. Nell'esempio mostrato di seguito, la sezione a zero volt della forma d'onda di trigger (Ch3Wfm1, in verde) corrisponde alla parte con corrente nulla della forma d'onda misurata (Ch1Wfm1, in giallo). Come risultato, è facile vedere dove deve essere posizionato il gate.

Configurazione del canale matematico

Dopo che la misura è stata definita, è pronta per essere utilizzata in una formula del canale matematico. Quando la parte stabile del segnale è zero o deve essere utilizzata come base, la formula del canale matematico (utilizzando canali e misure come sopra) è la seguente:

Ch1Wfm1 – Meas1

Quando il riferimento non è zero ed è un valore noto, per es. si misurano 3,65 V, la formula sarebbe:

Ch1Wfm1 – Meas1 + 3,65 V

Nella scheda Impostazione canale matematico si consiglia di selezionare Scala verticale > Manuale.

L'utente può anche selezionare opzioni aggiuntive di elaborazione del segnale con il pulsante Modalità/menu a discesa: inviluppo/media/RMS

Un esempio

Quello seguente è un buon esempio di riposizionamento del riferimento, con un fattore di zoom effettivo del canale matematico di 500 e un'ampiezza misurata del livello del segnale di 1/500esimo di una divisione.

La forma d'onda da misurare è ripetitiva, un segnale a 256 Hz con una variazione del livello di 200 μV sovrapposto a un segnale di 80 mV con due gradini da 40 mV (traccia rossa in basso). Questo mostra l'ampia gamma dinamica possibile con l'oscilloscopio R&S^®RTO, misurando un segnale che è solo lo 0,02% del valore di fondo scala di 1 V.

La modalità HD viene utilizzata con una larghezza di banda di 20 kHz. Il canale matematico è impostato con una media a 20.

Nella schermata dell'oscilloscopio (10 s di impostazione della persistenza), il segnale da 200 μV è visibile chiaramente, con un offset equivalente a 400 divisioni. La persistenza mostra la stabilità del segnale, e le statistiche di misura confermano lo scostamento standard del segnale di 44 μV (circa lo 0,004% del valore di fondo scala, > 14 bit).

Riassunto

Il riposizionamento dinamico del riferimento migliora l'uso dell'ampia gamma dinamica fornita dall'oscilloscopio R&S®RTO, garantendo maggiore precisione, facilità d'uso e riduzione degli errori di misura per periodi lunghi.