Výkonnostní výhody 10bitových A/D převodníků v osciloskopech

Moderní integrované obvody jsou založeny na různých technologiích a využívají vysokou hustotu integrace. Pokud chcete měřit malé části signálů za přítomnosti signálů s velkými amplitudami, potřebujete osciloskop s velkým vertikálním rozlišením. Digitální osciloskopy většinou využívají A/D převodníky s 8bitovým vertikálním rozlišením. 10bitové A/D převodníky mají ale čtyřikrát lepší rozlišení než převodníky 8bitové, a proto mohou drobné detaily signálu zobrazovat mnohem přesněji.

Digitální osciloskopy jsou základními přístroji pro vývoj a výzkum v elektronice, pro vzdělávání i pro průmysl. Hlavními parametry, které bývají při výběru nového osciloskopu nejčastěji zvažovány, jsou šířka pásma, vzorkovací kmitočet, velikost paměti a obecná použitelnost (včetně velikosti obrazovky). Vertikální rozlišení větší než 8 bitů je nejen užitečné, ale pro mnoho aplikací také naprosto nezbytné. Zvýšení vertikálního rozlišení měřených signálů lze kromě lepších A/D převodníků dosáhnout ještě průměrováním nebo pomocí režimu sběru dat s vysokým vzorkováním. Obě metody budou rozebrány v tomto článku.

Deset bitů znamená čtyřikrát vyšší rozlišení

Digitální osciloskopy bývají nejčastěji vybavovány 8bitovými A/D převodníky. Dříve to bylo dáno zejména tím, že nebyla k dispozici technologie pro výrobu A/D převodníků s vyšším rozlišením, vyšším vzorkovacím kmitočtem a nižším šumem. Tento trend je držen mnoha výrobci i nyní. Výjimkou bývají nejvyšší řady osciloskopů, které využívají na zakázku vyvinutých A/D převodníků, zatímco základní modely osciloskopů z cenových důvodů obvykle využívají běžně dostupné převodníky. Takové převodníky většinou nepatří k nejmodernějším.

V současnosti jsou k dispozici A/D převodníky s rozlišením 10 bitů, nebo i 12 bitů a se vzorkovacími kmitočty, které typicky podporují šířky pásma až 1 GHz. Jejich vyšší ceny, v porovnání s 8bitovými převodníky, ale brání jejich širšímu použití v osciloskopech nižších cenových kategorií. Nové osciloskopy R&S®RTB 2000 využívají patentovaný 10bitový A/D převodník. Tento převodník Rohde & Schwarz původně vyvinula pro přístroj R&S®Scope Rider – první přenosný víceúčelový osciloskop s izolovanými analogovými kanály a možností rozšíření o dekódování paralelních sběrnic a sériových protokolů. Použití A/D převodníku vlastní konstrukce v osciloskopu R&S®RTB 2000 umožňuje dosáhnout podstatně vyššího vertikálního rozlišení (ve srovnání s osciloskopy jiných výrobců), a zachovat přitom nízkou cenu.

Moderní elektronické obvody pracují s nižšími úrovněmi napájecího napětí. S tím rostou požadavky na účinnost napájecích zdrojů a zmenšují se tolerance při měření v elektronických obvodech. Osciloskopy s vyšším počtem kvantizačních úrovní A/D převodníku tak lépe vyhovují požadavkům moderního návrhu elektronických obvodů.

Tabulka 1 ilustruje rozdíly mezi A/D převodníky s 8bitovým a 10bitovým rozlišením. Příklad počítá s rozkmitem signálu 1 V. Z porovnání plyne, že 8bitový A/D převodník dokáže na 1 V signálu rozlišit detaily na úrovni 3,91 mV, zatímco 10bitový převodník dokáže odhalit signály na úrovni 1 mV. 10bitový A/D převodník má čtyřikrát vyšší rozlišení.

Abychom dokázali efektivně využít těchto podrobnějších detailů signálu, je nutné, aby osciloskopy měly vstupní díly s dostatečně nízkým šumem. Pokud by například měl osciloskop ve výše uvedeném příkladu úroveň šumu 4 mV, nebylo by vyšší rozlišení žádným přínosem, protože by se pouze digitalizoval vlastní šum osciloskopu. Detaily na signálu by zanikly ve vlastním šumu osciloskopu a 10bitový převodník by neměl žádný přínos. Proto je nezbytné brát v úvahu nejen vertikální rozlišení osciloskopu, ale také jeho šumové vlastnosti.

Metody zvyšování vertikálního rozlišení

Kromě použití A/D převodníku s vyšším rozlišením existují i další metody zlepšování vertikálního rozlišení osciloskopu. Dvěma nejběžnějšími jsou průměrování a metody sběru dat s vysokou rychlostí vzorkování (HiRes).

Průměrování více sekvencí sběru dat

Obvyklou metodou pro zvýšení rozlišení je průměrování. Jedná se o matematické zpracování dat a zpravidla také o standardní funkci osciloskopu. Algoritmus využívá průměrování více po sobě jdoucích sekvencí sběru dat. Čím více sekvencí sběru dat bude průměrováno, tím lepšího rozlišení dosáhneme. Výhodou průměrování je také omezení širokopásmového šumu, a proto je reprezentace měřeného signálu přesnější. Tato metoda má však dvě závažné nevýhody – jednak vyžaduje delší čas na sběr a zpracování několika set sekvencí dat a v druhé řadě je použitelná pouze pro opakující se signály, například hodinové taktovací signály. Většina signálů se však neopakuje periodicky, což znamená, že průměrování přes několik sekvencí sběru dat nelze použít.

HiRes – průměrování jediného záznamu dat s nadvzorkováním

Stále více osciloskopů podporuje speciální režimy sběru dat (občas jsou nazývány redukce dat), které se označují jako „HiRes“ (High Resolution – vysoké rozlišení). Tato metoda využívá výrazně vyššího vzorkovacího kmitočtu A/D převodníku, než jaký by byl pro daný signál dle Nyquistova kritéria nutný. Nadbytečné vzorky jsou průměrovány. Průměrování se provádí v jediné sekvenci sběru dat, a proto tato metoda poskytuje vyšší vertikální rozlišení i pro neperiodické signály. Zisk ve vertikálním rozlišení lze teoreticky vypočítat jako 0,5 × ln(N) / ln(2). Proměnná N zde reprezentuje činitel nadvzorkování. Pro získání například dvou bitů navíc je potřeba činitel nadvzorkování 16.

Má-li osciloskop maximální vzorkovací kmitočet 1 GSa/s a 8bitový A/D převodník, bude pro dosažení stejného rozlišení, jako by měl 10bitový A/D převodník, třeba snížit počet výsledných vzorků průměrováním na 62,5 MSa/s. Poměry pro tento příklad jsou uvedeny na obr. 1. Uvedený výpočet ukazuje snížení digitální šířky pásma jako hlavní nedostatek režimu HiRes.

Praktický příklad

Následující příklad dokládá účinek vyššího rozlišení A/D převodníku. Měřený signál je exponenciálně tlumený sinus, který má relativně velké výchylky s tlumením na obě strany. Je to velmi dynamický signál a budou zkoumány jeho podrobné detaily. Na trhu je nepřeberné množství generátorů, které umožňují podobný signál vytvořit. Jednou z mnoha dalších výhod osciloskopu R&S®RTB 2000 je vestavěný programovatelný generátor – nepotřebujete pořizovat další přístroj. Signál je připojen na vstup osciloskopu R&S®HMO 2024, který je známý velmi nízkou úrovní vlastního šumu. Tento osciloskop využívá velmi kvalitní, běžně dostupný A/D převodník s rozlišením 8 bitů. Stejný signál je také pro porovnání přiváděn na vstup nového osciloskopu R&S®RTB 2000, který je nástupcem přístroje R&S®HMO 2024. Osciloskop R&S®RTB 2000 využívá 10bitový A/D převodník společnosti Rohde & Schwarz.

Je zřetelně vidět, že čtyřikrát vyšší rozlišení A/D převodníku osciloskopu R&S®RTB 2000 spolu s nízkošumovým vstupním dílem poskytuje podrobnější informace a umožňuje přesnější měření. Pokud je nastaveno zvětšení tak, aby na obou přístrojích byly zobrazeny horizontálně i vertikálně shodné segmenty signálu, budou rozdíly ještě patrnější. Na obrazovce R&S HMO je vidět nejméně významný bit osmibitového A/D převodníku reprezentovaný stupňovitým zobrazením.

Závěr

Vertikální rozlišení osciloskopu je stále důležitějším parametrem, zejména kvůli novým aplikacím s nižšími napětími a menšími rozdíly napětí. Tento článek uvedl různé metody pro zvýšení vertikálního rozlišení nad typické 8bitové rozlišení. Navíc byly teoreticky vysvětleny rozdíly v použití 8bitového a 10bitového převodníku, které byly ilustrovány na praktickém příkladu. Bylo ukázáno, že uživatelé osciloskopů, jako je R&S®RTB 2000, který má vstupní díl s velmi malým šumem a 10bitový A/D převodník, mohou měřit podstatně více detailů signálu, než lze zobrazit běžným osciloskopem vybaveným 8bitovým převodníkem. Více najdete na webu firmy ROHDE & SCHWARZ – Praha, s. r. o., www.digitalniosciloskopy.cz