Шум и другие особенности работы цифрового осциллографa и как с ним бороться?
Многие из тех, кто перешел в свое время с аналоговых осциллографов говорят, что их цифровые осциллографы “шумные”, а иные утверждают, что они и вовсе не отображают сигналы так «чисто», как старые аналоговые приборы. Я уже молчу о том, что на цифровом осциллографе боятся пропустить сигнал типа «игла», в общем давайте посмотрим, так ли все плохо на самом деле?
Рассмотрим краткий обзор предпосылок и методов, позволяющих сделать отображение осциллограммы цифровым осциллографом “лучше” или “хуже”, а также обсудим, действительно ли мы видим шум или это реальный сигнал.
Для начала дадим понятие «шума» в сигнале (для осциллографа это будет вертикальный шум, обусловленный аналоговым и цифровым преобразованием измеряемого сигнала), это нежелательные (как правило, неизвестные) изменения, которым сигнал может подвергнуться во время захвата, хранения, передачи, обработки или преобразования, ну и покажем это на рисунках.
Так, следствиями наличия вертикального шума являются:
• ошибка амплитудных измерений сигнала;
• неопределенность при воссоздании сигнала с помощью функции sin(x)/x;
• ошибка по времени (джиттер), зависящая от скорости нарастания (крутизны фронта) измеряемого сигнала;
• видимое утолщение сигналов, отображаемых на экране осциллографа.
На картинке выше мы видим как может выглядеть исходный, полезный сигнал (внизу) и реальную картину (вверху). Все цифровые осциллографы реального времени включают широкополосный усилитель и АЦП, определяющие их полосу пропускания и частоту дискретизации. Уже это вносит шум, характер которого имеет Гауссовское распределение вероятности (Случайный или «белый» шум), которое хорошо гасится фильтрами по типу усреднения, но следует иметь ввиду, фильтрация всегда приводит к запаздыванию полезного сигнала, отставанию по фазе. Поскольку случайный шум не ограничен во времени, то чем больше выборка данных при измерении сигнала, тем больше размах шума. У осциллографов уровень шума при наиболее чувствительной настройке коэффициента отклонения (наименьшая величина В/дел) принято называть «базовым уровнем шума» («base-line noise floor»). Необходимо отметить, что ряд моделей осциллографов имеют аппаратно ограниченную полосу пропускания при наиболее чувствительной настройке коэффициента отклонения.
Поскольку осциллограф измеряет сигнал в широкой полосе частот, то, как правило, чем шире полоса пропускания, тем выше базовый уровень шума. Это тоже следует учитывать как при выборе осциллографа, так и при выборе полосы пропускания на самом осциллографе.
Схема, способ измерения, а также сами АЦП вносят вклад в этот самый шум, но каждый по своему, например, схема и способ измерения может разбалансировать возможности осциллографа гасить синфазный сигнал, в результате чего на форме сигнала может появиться составляющая на частоте 50Гц, которую уже сложно отфильтровать, не испортив полезный сигнал. Также идентифицировать источник шума позволяет частотный анализ.
Но стоит отметить также, что зашумленность не может быть устранена полностью. На осциллографе шум накладывается на принимаемый сигнал, что может привести к затруднению оценки «реальных данных». Ни один инженер не хочет провести свое время, исследуя качество сигнала тестируемого устройства, а потом обнаружить, что он фактически исследовал шум, добавленный к сигналу в процессе обработки данных осциллографом.
Итак вернемся непосредственно к цифровым осциллографам (DSO). DSO оцифровывают сигнал и подсвечивают пиксели на экране с учетом от частоты их появления. Небольшие изменения амплитуды незначительно меняет отображение волны на аналоговом приборе, однако, на цифровом это приводит к другому уровню квантования (оцифровки), что делает кривую более толстой и, как следствие, более зашумленной. Конечно современные модели преодолели прежние ограничения и позволяют, подобно аналоговым, дифференцировать яркость пикселей в зависимости от частоты появления зарегистрированного события, но и этот режим часто надо активировать.
Какие факторы влияют на качество отображения входного напряжения?
Развертка и щуп-пробник
Осциллограмма, которую вы увидите на экране зависит от типа используемого пробника, применяемой методики исследования, характеристик заземляющего проводника. Также на нее влияют некоторые настройки DSO, в первую очередь такие, как: величина развертки, глубина используемой памяти, частота дискретизации, полоса пропускания, режимы сбора и отображения данных.
Изменяя вертикальную развертку (настройка В/дел), мы сможем исследовать различные характеристики одного и того же входного сигнала. При этом чем меньше будет отображаемая осциллограмма (речь о размахе в клетках), тем менее точным будет наше измерение. Помимо этого, для большей эффективности использования аналого-цифрового преобразователя необходимо выполнить масштабирование при низких уровнях входного напряжения использование пробника 1:1 (т.е. с нулевым ослаблением) вместо стандартного пробника 10:1 (т.е. с 10-кратное ослабление) приведет к значительно лучшему исследованию из-за минимальной зашумленности.
Часто и сам щуп-пробник вносит свою лепту…вот скриншоты сигнала с генератора.
Кстати не забываем и про насадку на щуп!!!
Глубина памяти
Следующая характеристика осциллографа, которую мы можем использовать, чтобы повлиять на отображаемую картинку — это глубина (или длина) задействованной памяти. Некоторые DSO позволяют изменять количество точек памяти, используемых в горизонтальном масштабировании при сборе данных. Давайте разберемся почему первая трассировка с 1000 точками памяти выглядит менее зашумленной, чем вторая с 10 миллионами точек.
Причин для этого существует несколько. Первая из них заключается в том, что при разной глубине памяти выборка данных осуществляется с различной частотой. Так, при выборе глубины в 10 миллионов точек, частота дискретизации составляет 5 Веб/сек (т.е. 5 миллиардов раз в секунду), при глубине памяти в 1000 точек частота дискретизации существенно падает и составляет всего 1 МВыб/сек. Таким образом, при меньшем количестве отображаемых данных происходит их сжатие. Множество регистрируемых на разной высоте точек объединяются в одну точку. Так, например, если большинство объединяемых выборок будут иметь отличное от основного сигнала значение амплитуды, то мы увидим это в виде утолщения линии или повышения зашумленности.
Вторая причина заключается в том, что частота дискретизации напрямую связана с цифровой полосой пропускания осциллографа. Согласно теореме Найквиста, при частоте дискретизации в 1 миллион выборок в секунду максимальная частота сигнала, которая может быть восстановлена, составляет всего 500 кГц.
Полоса пропускания
Ну полосу пропускания мы уже упоминали, теперь остановимся подробнее. Для понимания концепции введем понятие теплового шума, генерируемого тепловым движением электронов в проводнике. Его мощность определяется следующим выражением:
P = kB . T . Δf
где kB – постоянная Больцмана, Дж/К;
T - абсолютная температура нагрузки (например, резистора), К;
Δf - полоса пропускания, Гц.
Таким образом, чем больше используемая в измерении полоса пропускания, тем большую зашумленность мы будем регистрировать. Поэтому некоторые производители, в режиме высокой чувствительности предлагают ограничивать полосу пропускания своих устройств, например, с 1 ГГц всего лишь до 150 МГц. Это позволяет улучшить соотношение сигнал-шум. Некоторые производители могут предложить ограничить полосу пропускания в параметрах приборов с включенным аппаратным фильтром в 20 МГц, достаточно полезная опция, стоит ее проверять при выборе осциллографа. Кстати настройка в 20 МГц является общепринятой для подавляющего большинства DSO, представленных на современном рынке, эта функция осталась возможно еще от аналоговых осциллографов, имеющих как правило частоту пропускания в 20 МГц, на которых выросли многие инженеры.
Скорость обновления изображения
Далее мы рассмотрим другую характеристику осциллографов, влияние которой на величину зашумленности многие пользователи могут не ожидать — это скорость обновления сигнала на экране. Эта характеристика показывает какое количество раз в секунду форма входного напряжения захватывается и выводится на экран.
Шум имеет гауссово распределение, поэтому в течение бесконечного периода времени он будет возникать в какой-то точке от -∞ до +∞. Высокая скорость обновления, например, в 1 000 000 раз в секунду, означает, что будет захватываться и отображаться больше данных. А поскольку каждый отдельный снимок имеет уникальный и случайный аддитивный шумовой паттерн, то при наложении друг на друга большого количество форм выводимое изображение будет выглядеть значительно “шумнее”.
Используя функцию удержания, можно уменьшить частоту обновления данных на экране прибора, это позволит уменьшить общую зашумленность. Улучшение изображения происходит по тому, что захватывается меньше сигналов и, следовательно, DSO получает меньше данных о нем, вне зависимости от того, являются регистрируемые данные сигналом или же шумом. А так как шум является случайным, то регистрироваться будет меньше крупных “выбросов”, приводящих к увеличению выводимой на экран кривой.
Но насколько важен шум? Если осциллограф имеет низкую частоту обновления, то он не будет достаточно часто или вообще не сможет фиксировать необычные состояния или события, как это мог бы сделать прибор с высокой частотой обновления. Поэтому медленный DSO может показаться менее шумным, но он не сможет помочь пользователю так, как это сделал бы более быстрый прибор, который отображает больше данных, но демонстрирует более зашумленное изображение на экране.
Режим повышенного разрешения
Теперь мы можем рассмотреть некоторые настройки осциллографа, которые могут сгладить сигнал. Обычным, для многих DSO, является наличие режима повышенного разрешения («Hi-Res» или «ERES»). В этом режиме используется избыточная выборка или oversamling (также известная как гипервыборка), позволяющая создавать новые уровни квантования (или «большее количество бит») путем усреднения соседних выборок. Здесь следует отметить, что этот режим также уменьшает цифровую полосу пропускания.
Допустим, у нас на входе синусоидальная волна 100 МГц, а частота дискретизации составляет 5 ГВыб/сек. Прибор выполняет 50-кратную гипервыборку, тогда как для точного восстановления формы волны нам достаточно только пяти или даже четырехкратного запаса. В этом режиме повышенного разрешения устройство берет 4 соседних точки выборки и усредняет их для создания нового значения.
Таким образом, вместо того, чтобы фактически собранные данные квантовались и отображались в виде дискретных уровней 2-2-3-3, они покажут нам значение 2,5 = (2+2+3+3)/4. Такой же результат мы бы получили, если бы АЦП нашего устройства имел бы еще один дополнительный бит (или имел другую разрядность). Отличительной особенностью режима высокого разрешения является то, что его можно использовать для любого типа сигнала, как единичного, так и периодического.
Режим сбора данных с усреднением
Существует также режим сбора данных с усреднением: однако он хорош для повторяющихся импульсов, и его нельзя использовать для таких сигналов, как последовательно передаваемые данные. В этом режиме устройство берет данные от первой выборки и усредняет их с данными, полученными от последующей выборки. Результатом этой операции является то, что в начале первые отображаемые данные выглядят несколько зашумленными, а затем постепенно шумы исчезают и на дисплее отображается только «чистое» усредненное изображение. Эта функция хороша для просмотра именно повторяющихся колебаний. Но она не позволяет просматривать какие-либо редкие события, такие как всплески или изменение периодичности колебаний, поскольку все эти данные будут усреднены.
Дифференциация подсветки экрана
Первое поколение цифровых осциллографов подсвечивало каждый пиксель, соответствующий зарегистрированному событию, без какой-либо дифференциации интенсивности. Это сильно загромождало изображение.
Современные DSO позволяют изменять интенсивность подсветки, при которой автоматически увеличивается или уменьшается яркость пикселя в зависимости от частоты появления регистрируемого события. Эта функция позволяет воспроизводить изображение, подобное тому которое пользователи видели в аналоговых осциллографах. Но в отличие от них, DSO могут улавливать гораздо больше деталей в исследуемом напряжении с регистрацией значительно более редких и случайных событий.
При этом мы можем настроить интенсивность отображаемого сигнала на 100 %. В этом случае будут подсвечиваться все пиксели с одинаковой интенсивностью независимо от частоты возникновения события. Этот режим создаст «жирное» изображение, подобный моделям DSO первого поколения.
Уменьшая интенсивность подсветки, мы получаем разброс освещенности по Гауссу в зависимости от частоты зарегистрированного события, как это было в аналоговых осциллографах.