О шуме и его влиянии на осциллографические измерения

Введение

Все осциллографы обладают одним недостатком — вертикальным шумом, обусловленным аналоговым и цифровым преобразованием измеряемого сигнала. Первая часть данной статьи посвящена тому, как правильно оценивать и сравнивать осциллографы по таким характеристикам вертикального шума, как среднеквадратичное значение и размах. Во второй части статьи дается ряд полезных советов по более точной оценке уровней случайных и детерминированных составляющих шума при измерении малых сигналов в условиях относительно высокого уровня собственного шума осциллографа.

Измерения в условиях шума

При проведении измерений осциллографом на наиболее чувствительных настройках коэффициента отклонения (наименьшая величина В/дел), собственный случайный шум осциллографа может замаскировать измеряемые сигналы. Однако существуют способы, позволяющие минимизировать влияние собственного шума осциллографа. Допустим, выполняется измерение уровня шума и пульсаций на выходе источника питания. В этом случае, возможно, потребуется использовать осциллограф на максимально чувствительных настройках В/дел. Для начала воспользуйтесь пробником с коэффициентом ослабления 1:1, вместо пробника 10:1, который, возможно, был поставлен вместе с осциллографом в стандартной комплектации. Использование пробника 10:1 нежелательно, поскольку в этом случае не только базовый уровень шума осциллографа возрастает в 10 раз, но также в 10 раз возрастает и минимальное значение коэффициента отклонения В/дел, по сравнению с пробником 1:1.

В случае измерений среднеквадратичного значения уровня шума источника питания, необходимо помнить, что полученная величина будет также включать в себя собственный шум осциллографа с пробником. Поскольку эта величина может быть достаточно большой, существенно возрастает погрешность измерений. Данной ситуации можно избежать, тщательно исследовав шумовые характеристики используемого осциллографа и измеряемого сигнала (источника питания). Зная эти характеристики, можно получить более точное значение уровня шума исследуемого источника питания.

Рис. 1. Измерение шума источника питания, включая собственный шум измерительного тракта осциллограф + пробник

На рисунке 1 показаны результаты измерения шума источника питания с помощью осциллографа серии Agilent 6000. Коэффициент деления используемого пробника 1:1; коэффициент отклонения 10 мВ/дел. Для наилучшего представления сигнал смещен по напряжению на постоянную величину, равную 4,7 В (в данном случае исследуется источник питания с выходным напряжением 5 В). Обратите внимание, что не все осциллографы обеспечивают достаточный сдвиг сигнала на постоянную величину смещения (DC offset) при использовании пробников 1:1.

Рис. 2. Измерение собственного шума измерительного тракта (осциллограф + пассивный пробник 1:1)

Таким образом, согласно результатам измерений с использованием пробника 1:1 среднеквадратичное значение уровня шума исследуемого пятивольтового источника питания равно 1,5 мВ. На рис. 2 представлены результаты измерений уровня собственного шума измерительного тракта осциллографа при использовании пассивного пробника 1:1. Для проведения этого измерения заземляющая клемма пробника подсоединялась к измерительному концу пробника. В результате, уровень собственного шума измерительного тракта составил приблизительно 480 мкВ при коэффициенте отклонения 10 мВ/дел (о подробностях измерения характеристик собственного шума осциллографа см. часть I данной статьи). Теперь, исходя из определения среднеквадратичного значения величины (корень из суммы квадратов компонентов), можно определить точное значение уровня собственного шума источника питания. Оно составило около 1.4 мВ.

Важно отметить, что результат измерений сигнала источника питания помимо случайной компоненты может иметь детерминированную составляющую. Если детерминированная составляющая не имеет определенного корреляции с частотой синхронизации осциллографа, использование вышеописанного метода исключения собственного шума из результатов измерений дает очень хороший результат.

Отдельные детерминированные (систематические) составляющие измеряемого сигнала, например, составляющие на частотах переключения силовых ключей источника питания и цифрового тактового сигнала, также могут быть учтены при оценке результатов измерений, даже при наличии значительной случайной составляющей собственного шума осциллографа. Путем задействования дополнительных каналов осциллографа для синхронизации по подозрительным сигналам, пользователь может выполнить многократный сбор данных и усреднение сигнала. При этом отфильтровываются все случайные и некоррелированные составляющие шума, вызванные как осциллографом с пробником, так и измеряемым сигналом. В результате пользователь сможет провести измерения определенной составляющей шума источника питания с высоким разрешением, даже в случае использования наиболее чувствительных настроек В/дел, таких как 2 мВ/дел (см. рис. 3).

Рис. 3. Измерение величины размаха шума, обусловленного сигналом тактовой частоты

Используя описанную технику измерений, было получено значение размаха детерминированной составляющей, равное 4,9 мВ, обусловленной сигналом тактовой частоты цифровой системы управления источника питания (сигнал зеленого цвета внизу на рис. 3). Для поиска других детерминированных составляющих шума, необходимо провести ряд измерений по описанной методике с синхронизацией на предполагаемых сигналах источников помех.

Эффект "утолщения" формы сигналов на экране осциллографа

Существует распространенное заблуждение о том, что цифровые осциллографы имеют больший уровень случайного вертикального шума, чем их аналоговые собратья. Это заблуждение основано на том, что сигналы на экране цифрового осциллографа отображаются обычно толще, чем на экране аналогового. На самом деле, при одинаковой полосе пропускания уровень шума цифрового осциллографа не выше, чем у аналогового. Вертикальный шум на экране аналогового осциллографа либо слабоконтрастный, либо вообще отсутствует, в силу случайной природы. Хотя инженеры часто воспринимают осциллограф как прибор для отображения сигналов в двух измерениях — напряжении и времени — аналоговые осциллографы в силу особенностей электронно-лучевой технологии позволяют отображать сигнал в третьем измерении. В этом измерении осциллограф отображает частоту повторения сигнала посредством модуляции яркости (интенсивности) сигналов, что в результате приводит к визуальному подавлению или «скрытию» выбросов случайного вертикального шума.

Обычные цифровые осциллографы не обладают свойством отображать сигналы в третьем измерении (с градацией яркости). Тем не менее, некоторые современные модели уже позволяют модулировать яркость сигналов, тем самым, достигая качества изображения, свойственного аналоговым осциллографам. В частности, осциллографы новой серии Agilent 6000 с архитектурой MegaZoom III обладают наилучшими в отрасли возможностями по вариации яркости (интенсивности) сигналов с помощью 256 уровней градации яркости осциллограмм, отображаемых на дисплее с XGA разрешением.

Рис. 4. Отображение сигналов на экране без градации яркости

На рис. 4 представлен сигнал малой амплитуды с частотой 10 МГц, захваченный при коэффициенте отклонения 10 мВ/дел и отображенный со 100% яркостью. Эта картинка является типичной для устаревших моделей цифровых осциллографов, не имеющих функции градации яркости сигналов. Не имея возможности отображать сигнал с вариацией яркости, сигнал отображается «жирным», что позволяет выявить максимальные случайные выбросы шума сигнала. Однако «толщина» этого сигнала (примерно 50 мВ в размахе), измеренная при коэффициенте отклонения 10 мВ/дел связана, в основном, с собственным шумом осциллографа, а не шумом входного сигнала. На рис. 5 представлен тот же 10 МГц сигнал при отображении на 20%-м уровне яркости для более точной имитации дисплея аналогового осциллографа, который естественным образом визуально подавляет случайные выбросы шума. Теперь можно наблюдать более «четкий» сигнал без признаков собственного шума осциллографа на сравнительно чувствительных настройках В/дел. Кроме того, на рис. 5 видно, что подавление собственных помех позволяет увидеть ранее неразличимые особенности измеряемого сигнала такие, как небольшие пульсации вблизи максимума амплитуды.

Рис. 5. Отображение сигналов на экране с градацией яркости

Другим вариантом учета собственного шума измерительного тракта является повторное измерение сигнала с последующим усреднением, как показано на рис. 3. В тех случаях, когда данный вариант невозможен (измерения в реальном времени и многократные измерения), существует вариант использования режима высокого разрешения (если это позволяет используемый осциллограф). Оцифровка в режиме высокого разрешения может быть использована для однократных измерений, позволяя отфильтровывать высокочастотные шумовые и детерминированные компоненты сигнала посредством цифровых фильтров. Вертикальное разрешение может быть повышено до 12 бит, но при этом сокращается полоса пропускания измерительного тракта.

Заключение

При использовании осциллографа на наиболее чувствительных настройках коэффициента отклонения, относительный уровень собственного шума осциллографа может быть достаточно высоким, тем самым снижая точность измерений сигналов с малой амплитудой. Во второй части статьи, рассматривающей характеристики собственного шума осциллографа и их влияние на результаты измерений, были показаны методы учета собственного шума осциллографа при измерении среднеквадратичного значения уровня шумов источника питания. Кроме этого, был представлен метод усреднения сигнала, позволяющий исключить случайные компоненты шума для точного измерения детерминированных составляющих шума.

Часть I. Оценка вертикального шума осциллографа. смотреть...