Az oszcilloszkóp kiválasztásánál a műszer méréstechnikai paramétereinek pontos ismerete döntő fontosságú. Bár a hirdetésekben leggyakrabban közölt paraméterek (sávszélesség, mintavételezési sebesség, memória) valóban jó összehasonlítási alapot adnak műszer és műszer között, ám önmagukban e jellemzők nem adják vissza egy oszcilloszkóp valódi használhatóságát valamely méréstechnikai alkalmazásban. A tapasztaltabb oszcilloszkóp-felhasználók összevetik a műszerek hullámforma-frissítési sebességét, saját (intrinsic) jitterét és zajszintjét is, amely jellemzők szintén hozzájárulnak a pontos és reprodukálható mérésekhez. A gigahertzes frekvenciatartományú oszcilloszkópoknál lényeges továbbá a műszer analóg-digitális átalakítójának effektív bitszáma1 (továbbiakban: ENOB - Effective Number of Bits) is, amely a mérési pontosságot jelentősen befolyásolhatja

A pontosságra kihegyezett oszcilloszkóp-architektúráknál a front-end és az A/D-átalakító blokkok körültekintő megtervezése alapkövetelmény. Az oszcilloszkóp front-end részének feladata a mintavételezett jel kondicionálása olyan formába, amelyből az A/D-átalakító pontos digitalizálást végezhet. Áramkörileg a front-end egy csillapítóból, egy előerősítőből, valamint egy útvonalválasztóból (path routing) áll. A műszerfejlesztő mérnökök egyik alapvető feladata pedig a tervezés során egy egyenletes frekvenciaválaszú, alacsony zajszintű, megfelelő határfrekvenciájú front-end megalkotása. Az A/D-átalakítás műszerenként egyedi követelményei okán valamennyi oszcilloszkópgyártó saját maga tervezi az A/D-átalakító blokkokat. Mint sejthető, egy új front-end vagy A/D-átalakító tervezése jelentős beruházási költséget jelent, így logikus elvárás az, hogy ezeket a technológiai megoldásokat több oszcilloszkópcsaládba és generációkon át is be tudják építeni a gyártók a műszerekbe.
Az oszcilloszkóp teljesítményét jól lehet jellemezni a műszer különböző, vertikális eltérítési beállításainál és az ofszeteknél mérhető zajszintekkel, hiszen e mérések fényt derítenek arra, mennyire jól végezték feladatukat a műszer hardverfejlesztői, és mennyire kis zajú front-endet és A/D-átalakítót sikerült kifejleszteni. Az oszcilloszkópok esetében általánosságban elmondható, hogy minél nagyobb a műszer sávszélessége, annál több belső zajt termel, hiszen a zaj összeadódik azokról a magasabb frekvenciákról, amely összetevők a kisebb sávszélességű, alacsonyabb frekvenciájú műszereknél nincsenek jelen, így nem befolyásolják a működést sem. Az oszcilloszkóp zajszempontú jellemzésének egy kézenfekvő módja nem más, mint az összes bemenet egyidejű leválasztása és a feszültség négyzetes középértékének mérése a vertikális eltérítés és ofszet folyamatos szabályozásával.
A front-endek minőségi jellemzésére számos módszer áll rendelkezésre: a műszergyártók jellemzően zaj- és ENOB-mérésekkel igazolják a front-end és az A/D-átalakítók teljesítményét, gyakran azonban érdemes az oszcilloszkóp teljesítményét vizsgálni mint teljes rendszert, ahelyett, hogy az ENOB-ot vagy zajszintet külön-külön néznénk. A villamosmérnöki tudományok egyik vezető világszervezete, az IEEE² kidolgozott egy módszert az A/D-átalakítás jóságának kvantitatív meghatározására, amely az ENOB alapján történik. A mai, modern oszcilloszkópok jellemzően kétféle A/D-átalakítási architektúrára épülnek:

• 1. ábra. Egy kétbites flash A/D-átalakító topológiája (Forrás: Wikipedia)
  az egylépéses (flash) A/D-átalakítókban (lásd 1. ábra) többsornyi komparátor működik, amelyek párhuzamosan mintavételezik a bemeneti jelet, mindegyikük a számára definiált feszültségtartományban. A komparátorblokk kimenetei egy olyan logikai áramkör bemeneteire vannak vezetve, amely minden feszültségtartományhoz egy kódot rendel. A konverzió e fajtája rendkívül gyors, de a komparátorok szükséges száma (kapacitív elemek) miatt drága, és általában csak legfeljebb 8 bites felbontás érhető el,
• 2. ábra. Egy 6 bites, pipeline-aláosztásos A/D-átalakító topológiája
  a pipeline-szervezésű (aláosztásos) A/D-átalakítók (lásd 2. ábra) két vagy több lépésben végeznek aláosztást (subranging) a magasabb mintavételezési sebesség elérése érdekében. Az aláosztás során először egy durva konverzió történik, amelynek során a legfelső helyiérték-bitek (MSB³-k) kerülnek kiszámításra, majd ezt követően, az így kapott digitális értéket ismét analóggá alakítva, ezt az értéket az eredeti jelből kivonva, és a maradékot felerősítve számítják az alsó helyiérték-biteket (LSB⁴-ket). Végezetül az eredményeket egy utolsó lépésben összefésülik. A flash A/D-átalakítás, valamint a visszavezető ág D/A-átalakítása nem egyszerre történik, így adódik a pipeline-szervezés, és ezzel a sebességnövelés lehetősége. Példaképpen, az Agilent Technologies 90000A sorozatú oszcilloszkópjaiban az A/D-átalakító mintavételezési sebessége 20 gigaminta/s, mely tekintélyes gyorsaság a voltaképp 256 megaminta/s sebességű, nyolcvanas aláosztás kombinációjából született.

A közhiedelemmel ellentétben, érdekes módon néhány oszcilloszkóp nagyobb pontosságú mérésre képes, ha nem a maximális mintavételezési sebességgel vesszük a mintákat. Ez a jelenség egyrészt a nagyfrekvenciás zajból, másrészt az átlapolási torzításból⁵ ered, amely a legnagyobb mintavételezési sebességre jellemző. Mindkét A/D-átalakító-topológiának megvannak a maga előnyei és hátrányai: az egylépéses például érzékenyebb a linearitási hibákra, míg az aláosztásosak nagyobb átlapolási hibával működnek.
Az IEEE az ENOB-alapú kvalifikációs megoldást a különböző elvű A/D-átalakítók jóságának egységes elemzésére alkotta meg. Az oszcilloszkópgyártók saját berkeiken belül karakterizálják A/D-átalakítóikat, és megadják a teljes oszcilloszkópra vonatkozóan is az ENOB értékét. Ezen utóbbi mérés során megállapított ENOB értelemszerűen alacsonyabb lesz, mint a "csupasz" A/D-átalakítóé, és mivel az A/D-átalakító a műszer részét képezi, a saját ENOB-jának ismerete kevés információval szolgál, hiszen valamely méréstechnikai alkalmazásban az oszcilloszkópot mint teljes rendszert kell néznünk.
A méréstechnikai szakemberek általában nem használják ki az oszcilloszkópok A/D-átalakítóinak teljes, 8 bites kapacitását. Például a teljes, 8 bites vertikális tartomány kihasználására a hullámformákat a teljes vertikális tartomány felemésztéséig kellene skálázni, ez pedig nehezen értelmezhetővé tenné a jeleket, ráadásul fennállna a veszélye az A/D-átalakítók telítésbe vezérlésének is., Egy olyan jel esetében például, amelynek mérésekor a vertikális tartományt 90%-ban vezéreljük ki, az oszcilloszkóp 8 bites konverterét 7,2 bitig (90% × 8 bit) használjuk ki. Az oszcilloszkóp A/D-átalakítójának hatékonyságát a front-end zaj, a harmonikus torzítás és az átlapolási torzítás tovább ronthatja.

Mi is pontosan az ENOB, és hogyan mérjük?

Az ENOB-ot egy rögzített amplitúdójú, frekvenciában eltérített (sweepelt) szinuszjellel mérik, amely során az így nyert feszültségmérési eredményeket rögzítik és kiértékelik. Időtartománybeli módszerekkel az ENOB-ot az elméleti legjobb, valamint a mért feszültség-idő függés különbségeként határozzák meg. A két jel közti eltérést zajnak tekintik, amely eredhet egyrészt a front-end fázisbeli nemlinearitásából, a frekvenciasöprés közbeni amplitúdóingadozásokból, továbbá az A/D-átalakítók átlapolási torzításából. Ugyanezen jel frekvenciatartománybeli elemzésével az ENOB-ot úgy számítják, hogy a teljes, szélessávú teljesítményből kivonják az alapjel teljesítményét. Mindkét technika igazoltan ugyanazt az eredményt szolgáltatja. A 3. ábra egy Agilent Infiniium 9000 sorozatú oszcilloszkóp ENOB-görbéjét mutatja.
Az általunk végzett ENOB-mérésnél, vagy az ENOB-mérések ellenőrzésénél célszerű észben tartanunk, hogy az ENOB-eredményeket befolyásolja a használt forrás spektrális tisztasága. Először is, meg kell bizonyosodni, hogy a forrás és a hozzá tartozó szűrők ENOB-ja nagyobb, mint az oszcilloszkóp kombinált ENOB-ja. Másodszor, az ENOB értéke függ a forrásjel amplitúdójának és az oszcilloszkóp teljes képernyős amplitúdójának arányától: az ENOB-ra különböző értéket kapunk, ha a forrásjel a teljes képernyő 75, vagy épp 90 százalékát tölti ki (az idevágó JEDEC-szabvány az ENOB-mérésekhez a teljes képernyő 90%-os kitöltöttségét javasolja). Az ENOB-specifikációk összevethetőségének alapja tehát, hogy figyelembe kell venni a forrásjel amplitúdóját és a tesztfrekvenciát is.

Mire jó az ENOB mérése?
Az ENOB kiváló mérce az oszcilloszkóp A/D-átalakítóinak jósági karakterizálására. Ha a műszer kedvező ENOB-értékeket kínál, a felhasználónak csupán minimális időzítési hibákkal és alacsony, szélessávú zajjal kell számolnia. Ha az alkalmazásban elsősorban szinuszhullámokkal, -hullámokon kell méréseket végezni, az ENOB igen hatékony mérőszám a műszer kiválasztásánál.

Mit hagy figyelmen kívül az ENOB?

Jóllehet az ENOB jó mércéje az oszcilloszkóp A/D-átalakítóinak és front-endjének, néhány jellemzőt azonban figyelmen kívül hagy. Ezek az ofszet, a fázisegyenetlenségek, valamint a frekvenciaválasz torzítása. A 4. ábrán egy bemeneti jelet, valamint annak két, különböző oszcilloszkóp képernyőjén látható változatát figyelhetjük meg. Annak ellenére, hogy a tesztben használt, mindkét oszcilloszkóp ENOB-ja megegyezik, az egyik műszer mégis sokkal valósághűbben reprezentálja a valódi jelet, mint a másik. Az ENOB figyelmen kívül hagyja az oszcilloszkóp által bevitt ofszethibákat, ezért két, megegyező ENOB-bal rendelkező műszernél elképzelhető, hogy a mérés során ofszethibát tapasztalunk. Az ofszetállítás az egyenáramú erősítés alapján segíthet a problémát kiküszöbölni.
Ideális esetben minden oszcilloszkóp egyenletes fázis- és frekvenciaválasz-görbével, valamint megegyező vágási karakterisztikával rendelkezik, azonban a valóságban ez nincs így, és általában a műszerek műszaki adatlapjaiban ezen átviteli görbéket nem is közlik a gyártók. Ezt még tetézi az, hogy az ENOB nem veszi figyelembe a fázisgörbében tapasztalható egyenetlenségeket és a frekvencia-válaszgörbe egyenletességét sem, amely minden megépített oszcilloszkóp esetében eltérő. Például két, 6 GHz sávszélességű oszcilloszkóp ugyanazt a 2,1 GHz-es szinuszjelet eltérően jelenítheti meg, hiszen elképzelhető, hogy az egyik műszer frekvencialetörése kisebb meredekségű, és minimális fázisjavító algoritmusokkal működik, míg a másiknál előfordulhat, hogy a frekvencia-válaszgörbe a letörés előtt csúcsosodik ki, és erőteljes fázisjavító algoritmusokkal dolgozik - a variációk száma nagy. A nagyobb ENOB-bal rendelkező műszer ennek fényében tehát nem biztosítja szükségszerűen a bemeneti jelek valósághűbb reprezentálását.

Hogyan érhető el nagy ENOB az oszcilloszkópos méréseknél?
A nyilvánvaló válasz az, hogy mindenekelőtt érdemes a nagyobb ENOB-bal rendelkező műszert választani, amely adatot a gyártók, ha esetleg csak kérésre is, de minden modellre közölni szoktak. A csúcskategóriás oszcilloszkópok legtöbbje felhasználó által szabályozható szűrővel érkezik, amely képes egyszerűen korlátozni a műszer sávszélességét. Ez csökkenti a nagyfrekvenciás komponensek számát és hatását, ezzel együtt pedig az átlapolási hibákat és a zajt is, amely végeredményben nagyobb ENOB-értéket jelent. Végezetül, az oszcilloszkópok átlagolással tudják az ismétlődő jeleknél a szélessávú zajt csökkenteni. Ezek alkalmazása igen hatékony lehet a pontosság növelésében.

Mekkora súllyal esik latba az ENOB az oszcilloszkóp kiválasztásában?
Ez nagyban múlik azon, hogy pontosan mit is szeretnénk mérni, de minden esetben érdemes az ENOB függését ábrázoló grafikont alaposan áttanulmányozni a zajszintmérési eredményekkel egyetemben. Például, a nagy sebességű, soros adatfolyamoknak lehetnek olyan harmonikusai bizonyos frekvenciákon, amelyek az alacsony ENOB korlátozó hatása nélkül is átjuthatnak a mérőrendszeren - ezekben az esetekben az oszcilloszkóp zajszintje jobb képet adhat a mérési pontosságról az ENOB-hoz képest. Amennyiben a szóba jöhető jelek köre alapvetően szinuszalapúakra korlátozható, az ENOB-adatok vizsgálata kiváló kezdés, feltétlenül érdemes azokat a kiszemelt műszer gyártójától beszerezni. Ne feledjük azonban az ENOB frekvenciafüggését a teljes sávszélességen alaposan megvizsgálni, mivel értéke a frekvencia függvényében nem állandó!

1: Effective Number of Bits: digitalizált jelek minőségét kifejező mutatószám.
2: Institute of Electrical and Electronics Engineers
3: Most Significant Bit
4: Least Significant Bit
5: interleaving distortion: átlapolással mintavételező A/D-átalakítók azon hibája, amely a parallel kapcsolású A/D-átalakítók egyedisége miatt a mintavételezési teljesítmény csökkenéséhez vezet.

A MEDEXPERT Kft. honlapja