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.

Egy osztáspont 1/500-ad részének megfelelő amplitúdójú jel mérése, melynek szintje az alapjel 1/400 része

A Rohde & Schwarz honlapja