Grondbeginselen van 8-Bit Versus 12-Bit Oscilloscopen en het gebruik van moderne 12-Bit Scopes

Er zijn veel toepassingen waarbij ontwerpers en test- en meettechnici een breed dynamisch bereik moeten meten om te kijken naar zeer kleine signalen in de aanwezigheid van grote signaalamplituden. De verzekering van de vermogensintegriteit, de echolocatie en het bereik van systemen zoals radar en sonar, medische beeldvormingssystemen zoals nucleaire magnetische resonantie (NMR) en magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), evenals niet-destructief onderzoek met behulp van ultrasound, behoren tot dit soort toepassingen.

Oscilloscopen zijn natuurlijk het hulpmiddel bij het uitvoeren van deze metingen in de systeemontwikkelings- en prototypingstadia, maar deze worden vooral beperkt door de verticale resolutie van de front-end van de scoop. Een 8-bits oscilloscoop heeft bijvoorbeeld een dynamisch bereik van 256:1, dus op een 1 volt bereik is het theoretische minimum signaal 3,9 millivolt (mV). Bij het bekijken van rimpelsignalen op millivoltniveau op een 3,3 volt bus zijn een hogere gevoeligheid en een groter offsetbereik nodig. Ook zullen bij gebruik van hoge dempingssondes om circuitbelasting te voorkomen, de signaalniveaus bij de scoopingang worden gedempt en dus moeilijk te meten zijn, tenzij het instrument een hoge resolutie heeft.

Het probleem is dat een hogere gevoeligheid in de aanwezigheid van een groter signaal of offset een hogere resolutiescope vereist, en deze zijn meestal duur, vooral voor een kwaliteitsscope met weinig ruis. Een hogere resolutie zonder een lagere geluidsvloer is nutteloos.

Wat ontwerpers en ontwikkelaars nodig hebben is een redelijk geprijsde 12-bits scope met een lage front-end geluidsvloer. Een oplossing voor deze behoefte aan hoge resolutie met front-end lage ruis tegen lage kosten is de WaveSurfer 4000HD serie hoge definitie oscilloscopen van Teledyne LeCroy. Dit artikel bespreekt de moeilijkheidsgraad van metingen met een hoog dynamisch bereik, de rol van high-definition oscilloscopen en hoe ze effectief kunnen worden gebruikt voor metingen met een hoog dynamisch bereik.

Oscilloscoop verticale resolutie

De verticale resolutie van de oscilloscoop verwijst naar de verhouding van het hoogste ingangssignaal dat de oscilloscoop kan verwerken tot de kleinste signaalamplitude die hij kan detecteren. De resolutie wordt over het algemeen gekwantificeerd aan de hand van het aantal bits in de analoog/digitaal-omzetter (ADC). De resolutie is gelijk aan 2 verhoogd tot de kracht van het aantal bits. Als zodanig heeft een 8-bits omvormer een resolutie van ²⁸ of 256:1. Een 12-bits omvormer heeft een resolutie van 4096:1, wat 16 keer groter is dan een 8-bits omvormer.

Jarenlang boden digitale oscilloscopen een 8-bits resolutie in oscilloscopen met een hogere bandbreedte. Dit komt door een engineering tradeoff in ADC's waardoor de resolutie, gemeten naar het aantal bits, omgekeerd evenredig is met de maximale bemonsteringsfrequentie van de ADC. Ongeveer acht jaar geleden was Teledyne LeCroy pionier op het gebied van 12-bits oscilloscopen, de zogenaamde high definition- of 'HD'-oscilloscopen. Ze hebben onlangs de WaveSurfer 4000HD-serie toegevoegd aan de HD-productlijn. De serie omvat vier oscilloscopen met bandbreedtes van 200, 350, 500 en 1000 megahertz (MHz). Ze bemonsteren allemaal met 5 Gigasamples per seconde (GS/s) wat zeer respectabel is voor een 12-bits oscilloscoop. Interne digitale ingangen met gemengde signalen, DVM, functiegenerator en frequentieteller zijn beschikbaar om dit multi-instrumentenaanbod af te ronden. De familie biedt dit alles samen met een 12-bits resolutie tegen een redelijke prijs.

Natuurlijk vereist het verhogen van de resolutie van een oscilloscoop meer dan alleen het veranderen van de ADC. Ook moet de signaal-ruisverhouding (SNR) van de voorkant van de oscilloscoop worden verbeterd, zodat de gevoelige ADC niet met ruis wordt gevuld. Een 12-bits scoop met een 8-bits front-end is nog steeds een 8-bits scoop. De WaveSurfer 4000HD-oscilloscoopfamilie heeft echter met succes het HD-concept geïmplementeerd. De 12-bits verticale resolutie, in combinatie met een laag geluidsniveau aan de voorkant, levert 12-bits prestaties die, in de echte wereld, in feite 16 keer gevoeliger zijn voor een bepaald amplitudebereik dan een 8-bits scoop.

12-bits vs 8-bits metingen

HD-oscilloscopen zijn bedoeld voor meettoepassingen met golfvormen met een hoog dynamisch bereik. Dit zijn metingen die tegelijkertijd een hoge amplitude signaalcomponent en lage signaalniveaus bevatten. Overweeg een toepassing zoals een ultrasoon bereikzoeker. Het zendt een hoge amplitudepuls uit en wacht dan op een lage amplitude-echo van het doelwit. Het hoge amplitudesignaal bepaalt het spanningsbereik van de verticale versterker van de scoop die nodig is. De resolutie en de systeemruis bepalen het kleinste echosignaal dat kan worden gemeten (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Hetzelfde ultrasone signaal met zowel een 12-bits als een 8-bits verticale resolutie. Het bovenste spoor bestaat uit beide versies van het volledige op elkaar overlappende signaal. De onderste sporen tonen een ingezoomd deel van de golfvorm. Er is weinig verschil als we kijken naar de hoge amplitude signaalcomponenten, maar de signalen op een lager niveau laten een duidelijk voordeel zien voor de 12-bits rendering. (Bron afbeelding: DigiKey)

Het bovenste raster toont de verworven signalen in zowel 12-bit als 8-bit resolutie overlappend. Er is weinig waarneembaar verschil tussen de overlappende golfvormen. Het middelste raster laat de 12-bits golfvorm zien die zowel horizontaal als verticaal is uitgebreid. Het onderste raster is hetzelfde gedeelte van de 8-bits golfvorm. Het verlies in detail voor de low-level signalen in de 8-bits versie is vrij duidelijk. Merk ook op dat de signaalpieken in de 12-bits rendering duidelijke verschillen vertonen die in de 8-bits versie verloren gaan.

Toepassingen voor hoogdynamische bereikmetingen

Metingen met een hoog dynamisch bereik omvatten alle echolocatie en reikende toepassingen zoals radar, sonar en LiDAR. Veel medische beeldvormingstechnologieën zoals NMR en MRI zijn gebaseerd op vergelijkbare technieken: het stuiteren van een hooggeplaatste verzonden puls van het lichaam en het verwerven en analyseren van echo's of gestimuleerde emissies als gevolg van het verzonden signaal. Op dezelfde manier gebruikt ultrasoon-gebaseerde technologie zoals niet-destructief onderzoek (NDT) gereflecteerde ultrasone pulsen om scheuren en fouten in vaste materialen te ontdekken.

Vermogensintegriteitsmetingen, waarbij kleine, millivolt, signalen zoals ruis en rimpeling worden gemeten op busspanningen tussen 1 en 48 volt of hoger, hebben ook scopes met een hoog dynamisch bereik nodig.

Denk aan het meten van signalen van zelfs een eenvoudige ultrasone afstandsmeter of een elektronische meetband (Afbeelding 2). De ultrasone afstandsmeter zendt vijf pulsen uit voor elke meting op een afstand van ongeveer 16,8 ms in de tijd. In plaats van de dode tijd tussen deze pulsen vast te leggen, gebruikt de Teledyne LeCroy WaveSurfer 4104HD 12-bits oscilloscoop een sequentie-acquisitie die het geheugen van de scoop breekt in een door de gebruiker geselecteerd aantal segmenten.

Afbeelding 2: Een Teledyne LeCroy WaveSurfer 4104HD-oscilloscoop die wordt gebruikt bij de acquisitie van een ultrasoon afstandsmeter-signaal van 40 kilohertz (kHz). Bovenaan toont het vijf pulsen voor elke meting die ongeveer 16,8 milliseconden (ms) van elkaar verwijderd zijn. (Bron afbeelding: DigiKey)

Elk segment krijgt één verzonden puls en de tijdstempels van het triggerpoint. Het bovenste spoor is de verworven golfvorm met elk segment gemarkeerd. Een zoomspoor (bodemraster) toont een geselecteerd segment, in dit geval het eerste. De tabel onderaan het scherm toont de tijdstempels die de tijd van elke trigger markeren, de tijd sinds segment 1 en de tijd tussen de segmenten. De uitgezonden puls heeft een piek-tot-piek amplitude van 362 mV, terwijl de gereflecteerde echo een piek-tot-piek amplitude van slechts 21,8 mV heeft. Het is dit verschil in amplitude dat dit een meting met een hoog dynamisch bereik maakt. De afbeelding maakt gebruik van een echo-amplitude die op het scherm te zien is, maar de 12-bits resolutie vangt dit signaal op bij amplitudes die lager zijn dan de pixelweergave van de scoop, zoals te zien is in Afbeelding 1.

Voor vermogensintegriteitsmetingen zijn ook scopes met een hoog dynamisch bereik nodig. Voor het meten van de rimpelspanning is het nodig om millivoltsignalen te kunnen meten die op energiebussen aanwezig zijn. In het voorbeeld van Afbeelding 3 wordt de bovenste spoorbreedte gemeten op een 5 volt bus. De rimpelspanning is 45 mV _{piek-tot-piek} op een busspanning van 4,98 volt, zoals direct wordt afgelezen met de meetparameters P2 en P1 van de WaveSurfer 4104HD. Het onderste spoor is de snelle Fourier-transformatie (FFT) van de rimpelspanning met een harmonisch rijk spectrum met een fundamentele component van 982 Hz.

Afbeelding 3: Een vermogensintegriteitsmeting op een 5 volt bus voor een dochterkaart toont de rimpelspanning en de FFT van de rimpel. (Bron afbeelding: DigiKey)

Naast een hoge resolutie vereist deze toepassing een oscilloscoop met een goed offsetbereik. In dit voorbeeld heeft de scoop een offsetbereik van ± 8 volt op de schaal van 10 mV. Het offsetbereik schalen met het verticale bereik van de oscilloscoop. Als er een groter offsetbereik nodig is, heeft Teledyne LeCroy de RP4030-railsonde met een offsetbereik van 30 volt. Railsondes zijn speciaal ontworpen voor het aftasten van lage impedantie stroomrails. Ze hebben een grote ingebouwde offset, een hoge ingangsimpedantie en een lage demping en ruis. Deze specifieke sonde heeft een bandbreedte van 4 gigahertz (GHz), een demping van 1,2 en een ingangsimpedantie van 50 kilohms (kΩ).

HD-oscilloscopen kunnen ook hogere spanningsmetingen verwerken zoals die welke worden aangetroffen in switched mode power converters (SMPC's). SMPC's omvatten voedingen, omvormers en industriële controllers. Ze regelen het vermogen door de bedrijfscyclus of de frequentie van een geschakelde golfvorm aan te passen. De belangrijkste metingen hebben betrekking op de spanning over en de stroom door de vermogensschakelapparaat, meestal een veldeffecttransistor (FET). Om ontwikkelaars te helpen met SMPC-metingen, levert Teledyne LeCroy toepassingsspecifieke software en spannings- en stroomsondes. Een typische meting is te zien in Afbeelding 4.

Afbeelding 4: Het karakteriseren van de verliezen van een SMPC bestaat uit het meten van de spanning en de stroom van de vermogensschakelaars en vervolgens het berekenen van het vermogensverlies in elke fase van de vermogensschakelcyclus. (Bron afbeelding: DigiKey)

De stroom, het roze spoor, wordt gemeten met een Teledyne LeCroy model CP030A-stroomsonde. Deze clamp-on-sonde heeft een maximale stroomingang van 30 A en een bandbreedte van 50 MHz. De spanningsgolfvorm, weergegeven als een beige spoor, wordt gemeten met behulp van een Teledyne LeCroy HVP1306-hoogspanningsdifferentiaalsonde. Deze sonde is geschikt voor een maximale CATIII-spanning van 1000 volt bij een bandbreedte van 120 MHz. Beide sondes worden herkend door de WaveSurfer-scope, die de gemeten golfvormen automatisch schalen om rekening te houden met de meeteenheden van de sonde.

De vermogensmetingssoftware automatiseert de meest voorkomende SMPC-metingen. Afbeelding 4 toont de berekening van de vermogensdissipatie van het apparaat als het gele spoor. Dit wordt berekend op basis van de stroom- en spanningsgolfvormen voor de hele schakelcyclus. Meetparameters isoleren en tonen inschakel-, geleidings-, afslag- en off-state verliezen op basis van de verkregen golfvormen, waarbij elke zone duidelijk wordt afgebakend door een kleuroverzicht. Het toont ook het totale verlies van alle zones en de schakelfrequentie. Andere beschikbare metingen, in aanvulling op apparaatmetingen die in de afbeelding worden getoond, helpen bij het karakteriseren van regelkringdynamiek, lijnvermogen en prestatiekenmerken zoals efficiëntie.

De 12-bits resolutie is ook nuttig bij vermogensmetingen bij het berekenen van de afvoerbronweerstand (Rds) van de vermogens-FET. Dit vereist het meten van een spanning in de orde van één of twee volt op een golfvorm met een piek-tot-piek-swing in de orde van 400 volt. De WaveSurfer 4000HD-serie is compatibel met alle Teledyne LeCroy-sondes die compatibel zijn met het bandbreedtebereik van de scoop (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De Teledyne LeCroy WaveSurfer 4000HD oscilloscopen zijn compatibel met de uitgebreide lijnsondes van het bedrijf, inclusief de hier getoonde sondes voor vermogensmetingen. (Bron afbeelding: Teledyne LeCroy)

Breed scala aan toepassingen stellen hogere eisen aan het "werkpaard"-bereik

De WaveSurfer 4000HD-serie is niet beperkt tot alleen toepassingen met een hoog dynamisch bereik. Het is een uitstekend toepassingsgebied op zich en kan een hogere standaard zetten voor "werkpaard"-scopes. Het is een goede keuze voor probleemoplossing bij seriële gegevens op lage snelheid, en biedt analysepakketten en sondes ter ondersteuning van seriële bussen zoals SPI, I²C, op UART gebaseerde links, evenals autobussen zoals LIN, CAN en FLEXRAY.

Seriële busanalyse vereist de mogelijkheid om het busprotocol te verwerven en te decoderen en om de data-inhoud te lezen (Afbeelding 6). De kleurgecodeerde overlay toont elk pakket. De rode overlay geeft de adresgegevens aan, terwijl de blauwe overlays de gegevenspakketten markeren. Het adres en de inhoud van de gegevens verschijnen in de overlay. Decodeer informatie is beschikbaar in binair, hex of ASCII-formaat. De tabel onderaan het scherm geeft een samenvatting van de verworven transacties met de tijd ten opzichte van het triggerpunt, de adreslengte, het adres, de richting (lezen of schrijven), het aantal pakketten en de gegevensinhoud. Het triggeren kan gebaseerd zijn op activiteit, adres, gegevensinhoud of een combinatie van adres en gegevens.

De Teledyne LeCroy ZD200 actieve differentiaaltaster is een goede keuze voor het meten van seriële gegevens. Deze 10:1-sonde heeft een ingangsimpedantie van 1 Megaohm, heeft een bandbreedte van 200 MHz en kan differentiële spanningen tot 20 volt en common-mode-spanningen tot 50 volt aan. Het is vooral goed afgestemd op differentiële bussen zoals CAN.

Afbeelding 6: Seriële trigger op lage snelheid en decodering van de I²C-bus omvat de mogelijkheid om de gegevensinhoud van de bus te lezen. Getoond wordt de acquisitie en decodering van een I²C-bussignaal voor zowel een lees- als een schrijfoperatie. (Bron afbeelding: DigiKey)

Conclusie

Hoewel 8-bits-oscilloscopen altijd een plaats zullen hebben, zijn er veel toepassingen die gebruik zouden kunnen maken van de HD en het brede dynamische bereik van een echte 12-bits-oscilloscoop, maar hun relatief hoge kosten hebben ze buiten het bereik van veel ontwerpers en test-engineers gehouden. De oscilloscopen van de Teledyne LeCroy WaveSurfer 4000HD-serie helpen dit probleem met een veel goedkoper ingangspunt.

Het biedt HD-metingen op basis van een 12-bits verticale resolutie, een maximale bemonsteringsfrequentie van 5 GS/s en een lage geluidsvloer. Het is ook compatibel met Teledyne LeCroy-sondes en analysesoftwarepakketten. Zo openen de scopes de deur naar kosteneffectieve hoogdynamische metingen en verplaatsen ze de beschikbaarheid ervan van het onderzoekslaboratorium naar de werkbank of de fabrieksvloer van de ingenieur.