Az eredendő veszteségek kompenzálására különféle megoldások (pl. digitális jelfeldolgozó processzoros kompenzációk, nagyobb sávszélességű mérőfejek használata stb.) állnak rendelkezésre, változó mértékű hatékonyságot nyújtva. Az elmúlt időszakban kifejlesztett hullámforma-transzformációs szoftverek lehetővé tették, hogy az oszcilloszkópok mérőfejeinek veszteségét minimalizáljuk, ezek gyakorlati alkalmazása azonban hosszadalmas és fáradságos folyamat volt. Cikkünkben az Agilent Technologies által kifejlesztett, Infiniium-sorozatú high-end oszcilloszkópokhoz kínált PrecisionProbe szoftver formájában bemutatunk egy egyszerű és gyors megoldást erre a problémára, és szemléltetjük, hogy mennyire gyorsan lehet a teljes mérőrendszert karakterizálni és a veszteségeket minimalizálni...
A probléma háttere
A problémát alapvetően az jelenti, hogy a mérnökök gyakran nem látják át teljes egészében, hogy az oszcilloszkóp bemenetéig tartó jelút hogyan befolyásolja a mérési eredményeket. Bizonyos esetekben a mérőfej eredendő vesztesége és változó válaszképessége jelentős lehet, más esetekben egyszerűen csak eltérő mérési eredményeket adhat egy másik, hasonló műszaki paraméterű mérőfejhez képest. Akármelyik eset is áll fenn, jellegét tekintve a végeredmény azonos: pontatlan, gyenge megismételhetőségű méréseket kapunk, amelyek miatt lassabban tökéletesíthető a termék, késleltetve a piaci bevezetést.
Bármely mérőrendszernél cél, hogy lapos frekvenciaválaszunk legyen, hiszen ezáltal az oszcilloszkóp pontosabban adja vissza a vizsgált jellemzőket. A frekvenciaválasz lapossága egyúttal jelenti a jó megismételhetőséget is. A lapos frekvenciaválasz eléréséhez a mérőfejeket kompenzálni kell azok nem ideális (veszteséges) volta miatt, ezt azonban több tényező is nehezíti.
1. ábra. A mérőfej-kompenzálás szempontjából fontos alapmennyiségek az oszcilloszkópon
A nehézségek megértése előtt be kell vezetnünk néhány alapfogalmat.
- USRC: a mérőfej beiktatási pontján lévő feszültség a mérőfej beiktatása előtt, amely megegyezne magával a mérendő jellel abban az esetben, ha a mérőfej impedanciája végtelen lenne.
- Ube: a mérőfej beiktatási pontján lévő feszültség a mérőfej beiktatása után (lásd 1. ábra), amelynél a terhelést a mérőfej bemeneti impedanciája okoz azáltal, hogy feszültségosztót eredményez a mérés alatt álló áramkör forrásimpedanciájával.
- Uki: a mérőfej kimenetén megjelenő feszültség (lásd 1. ábra).
- Feszültségátviteli függvény: a mérőfej kompenzációjából adódó válaszfüggvény.
Az alapfogalmak tisztázása után rátérhetünk a mérőfejes mérőrendszer komplikált jellemzőire.
Modellalapú kompenzáció
Ideális esetben minden egyes mérőfejre el kellene végezni a kompenzációt, azonban ennek az időbeli korlátok gátat szabnak. A mérőcsúcsok és -fejek kompenzálása jellemzően modellalapon történik, ezáltal nem reflektálja az egyes darabok egyedi, pontos jellemzőit. Az oszcilloszkópokat és tartozékokat forgalmazó gyártók sok mérőfej alapján átlagolják ezek karakterisztikáit egy referenciába, amelynek jellemzőit karakterisztika-állományba rögzítik. Ezek alapján modellt állítanak fel, és implementálják a kompenzációt.
A modellalapú kompenzáció alól egy kivétel például az Agilent InfiniiMax III-sorozatú erősítők. Ezeknél a modellalapú kompenzáció helyett minden egyes eszköznél egyedi mérés történik, amely során a kinyert hálózati S-paramétereket magán az erősítőn eltárolják. Az erősítő oszcilloszkóphoz csatlakoztatásakor a tárolt paraméterek automatikusan áttöltésre kerülnek.
Egyedi mérőfejek
Az egyedileg tervezett/épített mérőfejeknél természetesen nem beszélhetünk gyártói kompenzációs modellről. A 2. ábrán egy egyedi kivitelezésű mérőfej karakterisztikáit láthatjuk, amelyen jól látszik a 4 GHz körüli -3 dB-es pont, meghiúsítva a műszer és a mérőfej 13 GHz-es névleges határfrekvenciáját.
2. ábra. Egyedi fejlesztésű mérőfej frekvenciaválaszaA különböző kompenzációs technikák
3. ábra. Kétféle módszer frekvenciaválasz kompenzációjáraA mérőfejek tekintetében az oszcilloszkópokat fejlesztő/gyártó cégek különböző frekvenciaválasz-kompenzációs módszereket alkalmaznak a veszteségek és nemlinearitások ellentételezésére (lásd 3. ábra). Mindkét módszernek vannak pozitívumai és árnyoldalai is.
Az Uki/Ube módszernél a cél, hogy a két feszültség megegyezzen. Ebben az esetben a mérőfej kimenetén a jel pontosan megegyezik azzal a konkrét jellel, amely a mérőfejes mérés alatt tapasztalható, tehát nem semlegesíti a mérőfej terhelését a jelre nézve. Ezt a módszert a vételi érzékenység szempontjából célszerű alkalmazni.
Az Uki/USRC módszernél a cél szintén az, hogy ez a két feszültség megegyezzen. Amennyiben ismert a rendszer forrásimpedanciája, ez a módszer jobban közelíti a valódi jelet még azelőtt, hogy a mérőfejjel rámértünk volna az adott pontra. Ezt a módszert adótesztelésnél célszerű alkalmazni, mivel nagyon hatékony az adóból kilépő jel megbecslése, és eltűnik a mérőfej terhelő hatása a mért jelre nézve.
4. ábra. A kétféle frekvenciaválasz-kompenzációs módszer összehasonlítása (lila: eredeti, kompenzálatlan jelalak; sárga: Uki/Ube kompenzációs jelalak; narancs: Uki/USRC kompenzációs jelalak)
A 4. ábra grafikonja összehasonlítja az Uki/Ube és az Uki/USRC módszereket. Vegyük észre, hogy míg az Uki/Ube módszer pontosan követi a kábeles csatlakozást, az Uki/USRC kompenzációs típusnál túl hangsúlyossá válik a felfutási idő. Az Uki/Ube módszer a mérőfej pontosan körülírt feszültségátviteli függvénye, de nem függvénye a mérőfej bemeneti impedanciájának. Az Uki/USRC módszer nem a mérőfej pontosan körülírt feszültségátviteli függvénye, ellenben függvénye a mérőfej bemeneti impedanciájának és a mért rendszer forrásimpedanciájának.
Egy könnyű, pontos megoldás
A pontos, megismételhető mérések érdekében olyan megoldásra van szükség, amely hatékonyan kezeli a mérőfejek eredendő veszteségeit, és képes a válaszfüggvények veszteség vagy fázishibák okozta nemlineáris viselkedésének ellentételezésére. Az Agilent Technologies által kínált, Infiniium-sorozatú oszcilloszkópokon futó PrecisionProbe szoftverek egyszerű, gyors, pontos és költséghatékony megoldást nyújtanak erre a problémára.
5. ábra. A PrecisionProbe szoftvert futtató Agilent Infiniium 9000A-sorozatú oszcilloszkóp
A PrecisionProbe szoftverrel gyorsan elvégezhető bármely mérőfej karakterizálása és a frekvenciamenet, magnitúdó- és fázishibák korrekciója, amelyhez csupán a szoftverre, az őt futtató oszcilloszkópra, valamint a mérőfejre és annak standard tartozékaira van szükség (lásd 5. ábra). Ezzel tehát a modellalapú megközelítés hibáit sikeresen kiküszöböltük.
A PrecisionProbe-bal lényegében minden mérőfejnél azonos frekvenciaválaszt érhetünk el azzal, hogy lehetővé teszi az alábbiakat:
- bármely mérőfej bemeneti impedanciájának és válaszának mérését,
- a mérőfej veszteségeinek gyors kompenzálását külön műszerek (pl. vektor-hálózatanalizátor) nélkül,
- különböző hibák, pl. fázis-nemlinearitás, magnitúdóhullámosság stb. kompenzálását, valamint a mérőfej terhelő hatásának megvizsgálását,
- végezetül pedig a csatlakozás impedancia-jellemzőibe való betekintést.
A szoftver a mérőfejet először csak a kábeles csatlakozás és az asztali kompenzációs befogó mérésével kompenzálja. Ezután ez utóbbira rá kell csatlakoztatni magát a mérőfejet, és az így kapott rendszer paramétereit mérik, amely lezárultával az így kapott hálózati S-paraméterek az oszcilloszkópon tárolódnak. A bemért mérőfej műszerre csatlakoztatásakor a megfelelő kompenzációs adatok automatikusan betöltődnek. Ezzel az egyszerű módszerrel a PrecisionProbe szoftver képes az Uki, Ube és USRC feszültségek mérésére is.
A PrecisionProbe szoftverrel megtámogatott Infiniium-sorozatú oszcilloszkópok több szempontból is hasznosak. Mindenekelőtt biztosítható, hogy mivel minden esetben egyedi mérés és kompenzáció történik, minden egyes mérőfej azonos válaszfüggvénnyel rendelkezzék a modellalapú megközelítésre jellemző pontatlanságok nélkül. Továbbá, az egyedi építésű mérőfejek immár megfelelően karakterizálhatók és megszabadíthatók a mérés szempontjából a veszteségektől és nemlinearitásoktól, ráadásul külön vektor-hálózatanalizátor mérőműszer nélkül is. Végezetül, a mérőfejek karakterizálása után rögtön használatba is vehetők a valósidőben alkalmazott kompenzációs adatokkal együtt, nincs szükség semmilyen további szoftverre vagy egyéb eszközre.
Ha az InfiniiMax-sorozatú mérőfejek használatakor az erősítőjük és maga a mérőfej között kapcsolók is vannak, akkor a PrecisionProbe minden egyes mérőfejnél teljes kompenzációs és automatikus kezelést tesz lehetővé a kapcsolók járulékos hibáinak kiküszöbölésével. Nincs többé gond abból, hogy az egyes jelutak jellemzői között eltérések vannak, hiszen a karakterizálás és kompenzálás teljes. Mindezek nemcsak nagy mérési pontosságot és kiváló megismételhetőséget, hanem jelentős megtakarításokat is jelentenek a felhasználók számára időben és anyagi erőforrásokban egyaránt.
A mérőfejek karakterizálásának végeredménye
6. ábra. A kompenzált és kompenzálatlan mérőfej átviteli függvények összehasonlításaLáthattuk, hogy a PrecisionProbe mindkét kompenzációs módszert támogatja, így egyedül a felhasználón múlik, melyik irányba megy el. Például, az Uki/Ube módszernél a szoftver frekvenciában és fázisban lapossá teszi a válaszfüggvényt a beállított sávszélességi korlát alapján, de függetlenül attól, hogy melyik módszert választjuk, a PrecisionProbe nem kompenzálja a mérőfej terhelő hatását. A 6. ábrán látható ennek a kompenzációs típusnak a végeredménye, amelyen kiválóan látszik, hogy az átviteli függvény a kompenzált folytán lapos lett a mérőfej teljes effektív sávszélességén, továbbá a 6 dB veszteség is kompenzálódott.
Konklúzió
Az oszcilloszkópgyártók minden igyekezete ellenére a mérőfejeknek mindig van vesztesége, amely végeredményben mérési bizonytalansághoz vezet. Az elmúlt időszakban megjelent hullámforma-transzformációs szoftverekkel a hibák jelentősen csillapíthatók, de a megfelelő végfelhasználói szoftver és hardver hiányában ezek gyakorlati bemutatkozása az oszcilloszkópokon sokáig váratott magára. Az Agilent saját fejlesztésű megoldása, az Infiniium-sorozatú oszcilloszkópokkal kompatibilis PrecisionProbe szoftver segítségével egyszerű, gyors és igen hatékony megoldást kínál a mérőfejek karakterizálására és veszteségeik, nem ideális tulajdonságaik kompenzálására. A költséghatékony PrecisionProbe használatával a mérések sokkal pontosabbá és megismételhetőbbé tehetők lényegesebb idő- és pénzbeli ráfordítás nélkül, amely hozzájárul a fejlesztett rendszerek jobb piaci versenyképességéhez.
