Digitální osciloskopy: je rozlišení 8 bitů dostatečné?

Ať se podíváme, kam chceme, všude vidíme, že dnešní doba je ve znamení dynamického zvyšování rychlosti a rozlišení. Všichni se snaží dosáhnout lepšího rozlišení obrazovky televizoru nebo počítače, displeje mobilního telefonu či snímku fotoaparátu, většího rozlišení při určování polohy, vyšších přesností měřicích přístrojů, vyšších rychlostí přenosu dat, rychlejší odezvy systému a rychlejšího měření.

Z tohoto pohledu se pak ale může zdát, že stolní laboratorní digitální osciloskopy trochu zaspaly dobu. Přestože se výrobci osciloskopů předhánějí v dosažené šířce pásma, počtu kanálů a rychlosti vzorkování, rozlišení, jeden z nejpodstatnějších parametrů, zůstává od vzniku digitálního osciloskopu v 80. letech, až na ojedinělé výjimky, stále na skromných osmi bitech – tedy 256 kvantovacích úrovních. Takové rozlišení se jistě zdálo dostatečné v raných začátcích digitálních osciloskopů, kdy byl osciloskop považován především za prostředek pro získání představy o časovém průběhu signálu bez nároků na zkoumání jemných detailů, nebo dokonce na přesná měření parametrů. Dnes ale aplikace, a tím i uživatelé, vyžadují od osciloskopu mnohem více. Osciloskop je stále více a více chápán jako komplexní analyzátor signálu a nástroj pro poměrně přesná měření.

Abychom vnesli více pochopení do problematiky vícebitových osciloskopů, tedy osciloskopů, jejichž A/D převodníky disponují rozlišením vyšším než 8 bitů, ukážeme si několik jednoduchých příkladů.

Na úvod vyvrátíme jeden zažitý mýtus. „Vyšší rozlišení A/D převodníku přináší lepší rozlišení jen pro měření napětí (respektive vertikálních veličin).“ – Zásadní omyl. Vyšší rozlišení A/D převodníků výrazně zvyšuje i přesnost měření časových charakteristik, jako je například frekvence, střída, doba náběhu atd. Je to dáno tím, že všechny časové charakteristiky se odečítají ze signálu na určité úrovni napětí – typicky doba náběžné hrany na 10 a 90 % úrovně napětí atd. Při vyšším rozlišení ve vertikální ose navzorkovaný signál věrněji kopíruje skutečný signál, a tím jsou i průsečíky s danou hladinou napětí, na které se charakteristika odečítá, přesněji určeny. Pro ilustraci je na obr. 1 uveden příklad měření šířky pulzu na vyznačené úrovni napětí při základním rozlišení a při rozlišení o 2 bity vyšším. Je zřejmě vidět, že změřená šířka pulzu T2 se v prvním případě může od skutečné šířky pulzu T1 značně lišit.

Obr. 1 Zlepšení přesnosti měření šířky pulzu při rozlišení A/D převodníku vyšším o 2 bity

Další aplikací, která se bez vyššího rozlišení A/D převodníků neobejde, je měření relativně malých napětí v pulzních průbězích. Častou chybou při měření pulzních signálů bývá to, že si uživatel nastaví pomocí vertikálního offsetu a citlivosti do mřížky osciloskopu jen určitý detail signálu, přičemž většina signálu je „nad“ nebo „pod“ mřížkou, a tím i mimo rozsah A/D převodníku. V tuto chvíli ale můžeme téměř s jistotou tvrdit, že zobrazený výřez signálu nemá s realitou mnoho společného, protože právě ta část signálu, která není na mřížce vidět, zavede zesilovače ve vstupních obvodech osciloskopu do hluboké saturace a ty pak potřebují určitou dobu na opětovné zotavení. Tato doba je ale často delší, než je perioda měřeného signálu. Z toho vyplývá, že pro smysluplná měření musí být celý signál umístěn do rozsahu A/D převodníku. To ale znamená, že např. při měření signálu s rozkmitem 500 V je maximální rozlišení ideálního 8bitového osciloskopu nejvýše 2 V, což už neumožňuje např. měření průběhu saturačního napětí na spínacím tranzistoru. Na obr. 2 je uveden příklad reálného měření průběhu saturačního napětí na spínacím tranzistoru v pulzním průběhu s rozkmitem 250 V pomocí 8bitového a 12bitového osciloskopu.

Obr. 2 Měření průběhu saturačního napětí na tranzistoru pomocí 8bitového a 12bitového osciloskopu (LeCroy WaveRunner 6Zi)

Osciloskopy s vyšším rozlišením dále dosahují výrazně lepších šumových vlastností, což se projeví nejen na mnohem hladším průběhu změřeného signálu, ale například při spektrální analýze vystoupí i složky signálu, které u 8bitových osciloskopů zůstávají skryty pod šumovým prahem. Na obrázku 3 je uveden příklad měření FFT spektra při buzení dvoutónovým signálem v měřítku 20 dB/dílek.

Obr. 3 Měření FFT spektra při dvoutónovém buzení pomocí 8bitového a 12bitového osciloskopu (LeCroy WaveRunner 6Zi)

Více informací o osciloskopech s vysokým rozlišením získáte u výhradního zástupce firmy Teledyne LeCroy společnosti Blue Panther s. r. o. (www.blue-panther.cz).