Dinamikus referenciaátállítás

A R&S®RTO-sorozatú oszcilloszkópok hatékony mérési funkciói és matematikai csatornáinak képességei révén az egyes jelszakaszok függőleges eltolása másodpercenként több mint százszor korrigálható. Ennek köszönhetően az 1/100 osztásnál kisebb amplitúdójú jelek is tisztán, reprodukálhatóan jeleníthetők meg, valamint a nagyon hosszú időn át rögzített hullámalakok is stabilizálhatóak

A feladat

A feladat kis szintű, egyenfeszültségű összetevőt vagy elcsúszást és kisfrekvenciás zajkomponenst tartalmazó jelek pontos és megismételhető, hosszú idejű mérése.

Példák

Nagy szintű jelhez hozzáadódó kis jelváltozások.
Gyenge jelek pontos mérése minimális átlagolás és a jelgörbék közötti kis mértékű csatornaáthallás mellett.
Különösen nagy felbontású, megismételhető mérések a széles dinamikájú jelek vizsgálatához szükséges nagy léptékű függőleges skálabeállítás mellett.
Hosszú idejű mérések jelgörbéjének stabil megjelenítése a vizuális elemzés megkönnyítéséhez.
Igen kis szintű jelek amplitúdómaszk-alapú kiértékelése, amihez megbízható és stabil görbemegjelenítés szükséges.
Kisfrekvenciás zajjal és elcsúszással/eltolással terhelt jelek mérése rövid átlagolási idő mellett.
Kis szintű jelek effektív értékének pontos mérése.
Jelváltozások vizsgálata egy mozgó alapszinthez képest.

Háttér

A korszerű oszcilloszkópok jól ismert eszközei — többek között az analóg sávszélesség korlátozása, a digitális szűrés, a decimálás vagy a jelgörbék átlagolása — segítségével mérsékelhetők a nagyfrekvenciás zajok hatásai.

Ezzel szemben a kisfrekvenciás zaj (hőmérsékleti zaj, flicker-zaj, rózsazaj) kezelésére szolgáló eszközök korlátozottak.

Egy adott szonda/mérőfej/oszcilloszkóp-csatorna eltolása általában állandó értékű, ezért egyszerűen kiküszöbölhető vagy kompenzálható egy matematikai csatornán alkalmazott művelettel (például újraskálázással), automatikus nullázással vagy a mérőfej eltolásának beállításával. Egyes esetekben azonban az eltolás mértéke olyan kicsi, hogy az az előbbi módszerekkel már nem kompenzálható. Ezenfelül az eltolás nagysága időben változó is lehet (elcsúszás), és általában hatással van rá egy rendszer erősítésének vagy csillapításának megváltozása.

Az elcsúszást nehéz kompenzálni; ez a nullpontnak vagy az erősítésnek a mintavételi, illetve a mérési időtartamnál jelentősen hosszabb idő alatt zajló változása. Lehetnek sztochasztikus és determinisztikus összetevői is, amelyek oka többek között a páratartalom, a rezgés, az alkatrészek öregedése, a tápfeszültség ingadozása (amelyek mindegyike maga is függ ezektől a tényezőktől), a rózsazaj, a sugárzás és a mágneses jellemzők változása.

Példa

Egy érzékelőrendszernek pozitív, termikusan indukált, 20 percen át mért jelamplitúdó 5%-ának megfelelő nullpontelcsúszása van, valamint rendelkezik egy 1 Hz alatt jelentős hatást kifejtő rózsazajjal is.
1 s tartamú rögzítési idő esetén a csatorna jelének 60-szoros átlagolása egyperces átlagokat ad; ez alatt az idő alatt az elcsúszás 0,25%.
Minden egyes átlagolási időszak 0,25%/perc értékű elcsúszás felét küszöböli ki. Ha az elcsúszás folyamatos, az átlagolás csak a végkitérés 0,125%-ával fogja csökkenteni az elcsúszás következtében létrejövő eltolódást, azaz 20 perc alatt csak az elcsúszás okozta teljes eltolódás 1/40 részével.
A rózsazaj csökken, de nem feltétlenül küszöbölhető ki, mivel nincs alsó frekvenciahatára.

Amikor ez a mérőrendszer felvette a termikus állandósult állapotot, az átlagolás már nem fog hatni a nullpont eltolódására. Az elcsúszást vagy a zajt az átlagolás csak az átlagolási időtartamnál rövidebb szakaszokon belül tudja korrigálni.

Méréstechnikai megoldás: dinamikus referenciaátállítás az R&S®RTO oszcilloszkóppal

Ha mikrovolt-szintű jeleket kell rögzíteni, kihasználhatók az R&S®RTO típusú oszcilloszkóp alábbi képességei:

Kiszajú bemeneti fokozat.
50 MHz-en akár 16 bit felbontású HD üzemmód, amelyben a sávszélesség és a felbontás egyidejűleg állítható.
Pontos digitális indítás akár 0,02 osztáspont-amplitúdójú jelekre.
Soros vagy párhuzamos adatbuszhoz való szinkronizálás, „intelligens” rendszerelemek méréséhez és kiértékeléséhez.
Kiemelkedően jó linearitás a kiváló jellemzőkkel rendelkező bemeneti fokozatnak, valamint az 1 GHz-es sávszélesség mellett 7-nél nagyobb effektív bitszámot nyújtó egymagos analóg-digitális átalakítónak köszönhetően.
Hatékony matematikai csatornák, amelyekkel
- felhasználhatók a mérési eredmények a csatornaműveletek beállításánál,
- átlagolhatók a jelgörbék (lebegőpontos numerikus formában),
- rugalmas digitális szűrőeljárások alkalmazhatók, FIR-szűrés és mozgóátlagolás felhasználásával.

Az alapelv

Kapuzott középértékmérést végez a műszer a rögzített jelszakasz azon részén, amely minden mintavételezési ciklusban stabil, majd ezt az értéket kivonja a jelgörbéből. Ezután a matematikai csatorna jelgörbéjét a referenciaszinthez rendeli. Ez a folyamat hatékonyan kiküszöböli a zajt — az elcsúszást és az eltolást is —, a jelrögzítési időszaknál kisebb frekvenciákon.

Ha a kiválasztott referencia 0 V, a matematikai csatorna jelalakjának referenciája a „föld” lesz. Ha a referenciaszint 0 V-tól különböző ismert érték, a műszer a mért referenciafeszültséget egyszerűen konstansként hozzáadja a matematikai csatorna beállításához.

Referenciaátállítás beállítása az R&S®RTO-n

Szinkronizálás

Ha a mért jel szintváltozásai egy osztáspont 0,02 részénél nagyobbak, az R&S®RTO stabil szinkronizálási pontot tud biztosítani.

Ha a jel amplitúdója egy osztáspont 0,02 részénél kisebb vagy jelentős elcsúszása van, általában lehet találni olyan másik indítójelet, amely szinkronban van a vizsgált hullámalakkal. Ilyen másik szinkronizálójel lehet például

egy tápfeszültség-változás,
egy engedélyezőjel vagy más vezérlőjel állapotváltozása,
a mérendő eszközre soros — például I2C — buszon kiadott vezérlőjel, vagy az R&S®RTO számos más illesztőjének jele, amely szinkronizálásra is felhasználható.

Referenciamérés beállítása

A középértékmérést jellemzően a mintavételezett jel esetleges zajának kiszűrésére használják, és kapuzással választják ki referenciajelként a jelgörbe egy stabil részét.
A beállítás során először ki kell választani a forrás csatornáját, majd a mérés típusát, végül pedig a kapuzási időt. (Megjegyzés: a forrásjel csatornájának aktívnak kell lennie, és be kell jelölni a State (állapot)-mezőt, hogy a képernyőn látható legyen a kapuzással kiválasztott görbeszakasz.)

A kapuzás indításának (Start) és leállításának (Stop) idejét úgy kell megválasztani, hogy a vizsgált jelgörbe kívánt részét válassza ki a műszer. A lenti példában a szinkronizálójel görbéjének (Ch3Wfm1, zöld) 0 V-os szakasza felel meg a mért jelgörbe (Ch1Wfm1, sárga) nullaáramú szakaszának. Könnyen látható tehát, hogy hová kell helyezni a kaput.

A matematikai csatorna beállítása

A fentiek szerint beállított mérés ezután felhasználható a matematikai csatornát leíró képletben. Amikor a jel stabil szakasza nulla, vagy ha alapvonalként fog szolgálni, a matematikai csatorna képlete a következő lesz (a fenti ábra szerinti csatornák és mérések esetén):

Ch1Wfm1 — Meas1

Ha a referenciaszint nullától különböző ismert érték, például mérés szerint 3,65 V, a képlet az alábbi:

Ch1Wfm1 — Meas1 + 3,65 V

A matematikai csatorna beállítóoldalán célszerű kézi függőleges skálázást választani.

Az üzemmód megadására szolgáló legördülőmenüben további jelfeldolgozási lehetőségeket is kiválaszthatunk: burkológörbe-, átlagérték- és hatásosérték-mérést.

Példa a jelekre és a beállításokra

A matematikai csatorna alapszintű beállítása

A matematikai csatorna képletének beírása

Egy példa

A referenciaátállítást szemléltető alábbi példában a matematikai csatorna effektív nagyítási tényezője 500, a mért jel amplitúdója pedig 1/500 osztásnyi.

A mérendő jel periodikus, frekvenciája 256 Hz, a két 40 mV-os lépcsővel elért 80 mV-os szinthez pedig egy 200 µV-os szintváltozás adódik hozzá (alsó, vörös jelgörbe). Ez jól mutatja, mekkora dinamikatartománnyal rendelkezik az R&S®RTO: a mérendő jel az 1 V-os végkitérési értéknek csak 0,02%-a.

A mérés nagy felbontású (HD-) üzemmódban történik 20 kHz-es sávszélességgel. A matematikai csatorna 20-szoros átlagolásra van beállítva.

Az oszcilloszkóp képernyőjén (10 másodperces, „kitartásos” megjelenítés mellett) tisztán látszik a 200 µV-os jel, eltolása 400 osztásnak felel meg. Kitartás alkalmazásával látható, hogy a jel stabil, a mérési statisztika segítségével pedig megállapítható, hogy a szórása 44 µV (a végkitérési érték mintegy 0,0004%-a, ami 14 bites felbontásnak felel meg).

Összefoglalás

Az R&S®RTO típusú oszcilloszkóp széles dinamikatartományát kihasználó dinamikus referenciaátállítás pontosabb és könnyebb méréseket tesz lehetővé, csökkentve a hosszú idejű mérések hibáit.