스케일 재구성 – R&S®RTO 오실로스코프를 사용하여 마이크로볼트 수준 계측 수행

목표

DC 오프셋 또는 드리프트 및 저주파수 노이즈 요소가 있는 작은 신호에 대해 정밀하고 반복 가능한 장기 측정을 수행해야 합니다.

예

• 큰 신호를 "타고 있는" 작은 신호 변화
• 최소한의 평균 및 낮은 추적-추적 노이즈가 포함된 정밀 저레벨 계측
• 큰 다이내믹 레인지가 포함된 신호를 수용하기 위해 큰 수직 스케일 설정에서 반복 가능한 초고분해능 계측 수행
• 손쉬운 시각적 분석을 위해 일관적 화면 배치로 장기간 측정
• 안정적, 일관적 추적 배치가 필요한 매우 작은 신호 진폭에 대한 마스크 시험
• 저주파수 노이즈 및 드리프트/오프셋이 포함된 계측에서 짧은 평균화 시간 사용
• 저레벨 신호에서 정확한 RMS 측정
• 변동하는 기준선으로 참조되는 신호 변동

배경

최신 오실로스코프는 아날로그 대역폭 제한, 디지털 필터링, 데시메이션, 추적 평균화를 포함한 고주파수 노이즈의 효과를 줄이는 잘 알려진 툴을 제공합니다.

반대로 저주파수 노이즈(서멀, 플릭커, 1/f) 및 드리프트를 처리하는 방법은 제한적입니다.

오프셋은 일반적으로 특정 센서/프로브/오실로스코프 채널의 고정값으로, 자동 제로잉 또는 프로브의 오프셋 설정 만큼 Math 채널 방정식에 사용된 값으로 간단히 조정 또는 보상(예: 스케일 조정)할 수 있습니다. 오프셋 또는 자동-제로 기능으로 오프셋 전압을 완전히 취소하기에는 오프셋 값이 너무 작은 경우도 있습니다. 또한 오프셋에는 드리프트가 적용되고 일반적으로 게인 또는 감쇠 설정 변경의 영향을 받습니다.

드리프트는 대응하기 어려운 현상입니다. 드리프트란 샘플링 또는 측정 기간보다 훨씬 긴 기간 동안 발생한 제로점 또는 게인의 변화입니다. 드리프트에는 습도, 진동, 구성 요소의 노후화, 전원 공급의 변동(이러한 요인의 영향을 받음), 1/f 노이즈, 방사, 자기 특성의 변동 등으로 인한 추계 및 확정적 구성 요소가 모두 있을 수 있습니다.

예

• 센서 시스템에 20분 동안 측정된 신호 진폭의 5%의 양의 열 유도 제로점 드리프트와 1Hz보다 훨씬 작은 1/f 노이즈가 있는 경우
• 수집 기간이 1초인 경우 60의 추적 평균은 1분 평균이 됨, 이 기간 동안 드리프트는 0.25%
• 모든 평균화 기간에서 분당 0.25%의 1/2의 드리프트는 제거됩니다. 드리프트가 연속적인 경우 평균화는 드리프트 유도 오프셋을 전체 스케일 값의 0.125%만큼 줄입니다. 이 수치는 20분 후 드리프트에서 유도된 총 오프셋의 1/40입니다.
• 1/f 노이즈가 감소되지만 1/f 노이즈는 더 낮은 주파수 한계가 없으므로 제거할 수 없습니다.

이 센서 시스템이 열 평형에 도달한 후 평균화는 제로점의 오프셋의 양에 영향을 미치지 않습니다. 평균화는 평균화 기간보다 짧은 기간 안에 발생하는 드리프트 또는 노이즈만 교정할 수 있습니다.

T&M 솔루션: R&S®RTO 오실로스코프를 이용한 스케일 재구성

사용자는 마이크로볼트 수준의 신호를 캡처하기 위해 다음과 같은 R&S^®RTO 이점을 활용할 수 있습니다.

• 저노이즈 프런트엔드
• 50MHz에서 최대 16비트 분해능을 제공하는 HD 모드 – 대역폭과 분해능을 단일점에서 동시 제어
• 최소 0.02 구획 진폭의 신호에 대한 정밀 디지털 트리거링
• 직렬 및 병렬 데이터 버스에 대한 트리거링으로 "지능적" 시스템 구성 요소의 측정 및 평가 구현
• 프런트엔드 성능으로 인한 뛰어난 선형성 및 1GHz 대역폭에서 >7비트 ENOB의 단일 코어 ADC
• 다음 기능을 보유한 강력한 Math 채널:
  • 계측 결과를 Math 채널 정의에 사용
  • 추적 평균화(부동소수점 숫자 형식)
  • FIR 및 이동 평균의 유연한 디지털 필터링

원칙

모든 수집 중 안정적인 수집값의 일부에 게이트와 함께 사용하는 평균 측정을 수행합니다. 결과 값은 추적에서 차감합니다.

그런 다음 Math 채널 파형을 레퍼런스 레벨에 잠급니다. 이 프로세스는 수집 기간 아래의 주파수에서 드리프트, 오프셋을 포함한 노이즈를 효과적으로 제거합니다.

선택된 레퍼런스가 0V인 경우 Math 채널 파형의 스케일은 "ground"로 재구성됩니다. 레퍼런스 레벨이 알려진 레벨이고 0V가 아닌 경우 측정된 레퍼런스 레벨 전압이 Math 채널 정의에 상수로 추가됩니다.

스케일 재구성을 위한 R&S^®RTO 설정

트리거링

측정된 신호의 레벨 변화가 > 0.02 구획인 경우 R&S^®RTO는 안정적 트리거를 제공할 수 있습니다.

신호에 <0.02 구획의 진폭 또는 드리프트가 있는 경우 다음과 같이 해당 신호와 동기화되는 다른 트리거 소스를 찾을 수 있습니다.

• 공급 전압 변동
• Enable 또는 다른 제어 라인의 신호 상태 변동
• I2C와 같은 직렬 버스 또는 R&S^®RTO에서트리거 소스로 사용 가능한 다른 인터페이스 중 하나를 통해 DUT에 적용되는 명령 신호

레퍼런스 측정 설정

일반적으로 Mean 측정은 샘플 신호에 존재할 수 있는 노이즈를 필터링하는 데 사용되며, 여기에 게이트를 적용하여 파형의 안정적 부분을 레퍼런스로 선택합니다.

측정은 측정 소스 채널, 측정 유형, 게이트 기간의 순서로 설정해야 합니다. (참고: 게이트 선택을 화면에 표시하려면 소스 채널이 활성화 상태여야 하고 State 상자가 선택되어 있어야 합니다.)

측정된 파형에서 원하는 레퍼런스 부분과 일치시키기 위해 게이트 Start 및 Stop 시간을 조정합니다. 아래 예에서 트리거 파형의 제로 전압 섹션(Ch3Wfm1, 녹색)은 측정된 파형의 제로 전류 부분(Ch1Wfm1, 노란색)에 해당합니다. 그러므로 게이트를 배치할 위치를 쉽게 확인할 수 있습니다.

Math 채널 설정

측정을 정의한 후 Math 채널 공식에서 사용할 수 있습니다. 신호의 안정적 부분이 제로이거나 기준선으로 사용하려는 경우 Math 채널 공식(위의 채널 및 측정 사용)은 다음과 같습니다.

Ch1Wfm1 – Meas1

비제로 레퍼런스가 알려진 값인 경우(예: 3.65V로 측정) 공식은 다음과 같습니다.

Ch1Wfm1 – Meas1 + 3.65V

Setup 탭의 Math 채널에서 Vertical scale > Manual을 선택하는 것이 좋습니다.

또한 사용자가 모드 버튼/드롭다운 메뉴를 사용하여 추가 신호 처리 옵션인 엔벨로프/평균/RMS를 선택할 수 있습니다.

예

다음 예는 유효 Math 채널 확대 배율이 500이고 측정된 신호 레벨 진폭이 한 구획의 1/500인 경우의 스케일 재조정을 잘 보여줍니다.

측정 대상 파형은 반복적이며, 레벨 변화가 200μV인 256Hz 신호가 80mV 신호에 2개의 40mV 스텝(아래쪽 빨간색 추적)으로 수퍼임포즈됩니다. 즉, R&S^®RTO에서 큰 다이내믹 레인지가 가능하며, 1V 전체 스케일 값 중 불과 0.02%의 신호를 측정할 수 있음을 보여줍니다.

HD 모드는 20kHz 대역폭으로 사용되었습니다. Math 채널은 20× 평균화로 설정되었습니다.

오실로스코프 화면(10s 지속성 설정)에서는 200μV 신호를 분명히 볼 수 있으며, 오프셋은 400구획에 해당합니다. 지속성은 신호의 안정성을 나타내며 측정 통계는 신호의 표준 편차인 44μV(전체 범위 값의 약 0.004%, > 14 bit)를 확인합니다.

요약

스케일 재조정은 R&S®RTO에 제공되는 넓은 다이내믹 레인지 사용을 개선하여 정밀도와 사용 편의성을 향상하고 장기적 측정 오류를 줄여줍니다.