Zaloguj
Nie będzie błędem stwierdzenie, że najważniejszym przyrządem pomiarowym w każdym laboratorium elektronicznym, zaraz po zwykłym multimetrze, jest bez wątpienia oscyloskop. Ta klasa narzędzi pozwala na szczegółową obserwację charakterystyk sygnałów i przebiegów, oferując nieskończoną ilość praktycznych zastosowań. Od kilku lat malejąca cena DSO (przy tych samych osiągach) znacząco zwiększyła ich rozpowszechnienie. Dlatego wśród użytkowników znajdzie się wielu, którzy zaznajomili się – przynajmniej w zasadniczym stopniu – z wieloma rodzajami analiz, które można przeprowadzić za pomocą oscyloskopu. W rzeczywistości narzędzia te nie ograniczają się już wyłącznie do pokazywania na ekranie przebiegu napięcia w funkcji czasu, lecz oferują cały szereg funkcji pomocniczych i sposobów przetwarzania danych. Główną z tych funkcji jest FFT (Fast Fourier Transform) – operacja matematyczna, która – rozpoczynając od akwizycji sygnału w dziedzinie czasu – prezentuje jego składowe w dziedzinie częstotliwości. Jest to równoznaczne z przekształceniem oscyloskopu w analizator widma, choć z pewnymi ograniczeniami. Opcja FFT jest często obecna nawet w najbardziej ekonomicznych modelach DSO, jednak w ich przypadku jest to opcja o naprawdę skromnych możliwościach: niskiej rozdzielczości częstotliwości, niewielkim zakresie dynamiki, zwykle bez możliwości zmiany ustawień w celu dostosowania analizy do charakterystyki mierzonego sygnału. Wszystko to uległo zmianie wraz z najnowszą generacją instrumentów, która znacznie zwiększyła wydajność przy jednoczesnym utrzymaniu niskich cen detalicznych.
Ważnym aspektem w kontekście, z którym mamy do czynienia, jest zastosowanie 12-bitowych przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) zamiast 8-bitowych, jak to miało miejsce w starszych instrumentach. Dzięki temu rozwiązaniu zakres objęty skalą pionową jest podzielony na 4096 przedziałów – patrz rysunek 1. Postęp, jaki nastąpił w porównaniu do DSO obecnych od kilku lat na rynku, jest naprawdę niezwykły, jednak aby mieć pewność, jak bardzo wyścig technologiczny zmienił sytuację, potrzebne są badania eksperymentalne. Odpowiadamy na to zapotrzebowanie, prezentując poniżej wyniki uzyskane z praktycznego wykorzystania oscyloskopu o paśmie 200 MHz – SDS824X-HD marki Siglent, będącego własnością autora i przedstawionego tutaj jako przykład reprezentujący obszerną kategorię instrumentów różnych producentów, które potrafią łączyć cechy wysokiej rozdzielczości (FFT>2 Mpts) z wolnością wyboru rodzaju przetwarzania (parametry okna).
Szeroki zakres dynamiki
W tradycyjnych pomiarach oscyloskopami jednym z parametrów, który najbardziej wzbudza zainteresowanie użytkowników, jest czułość pionowa. To zrozumiałe, że trend sygnału w domenie czasu można w pełni docenić dopiero wtedy, gdy ma się możliwość zaobserwowania go w najdrobniejszych szczegółach. W pomiarach FFT parametrem odpowiadającym czułości pionowej jest dostępny zakres dynamiczny. Definiuje on niejako stosunek maksymalnej do minimalnej amplitudy składowych sygnału, którą można zaobserwować na ekranie bez żadnych artefaktów mogących wprowadzać w błąd. Aby uzyskać bezpośredni dowód osiągniętego poziomu wydajności, do wejścia DSO podłączono źródło czystego sygnału sinusoidalnego, pochodzącego z oscylatora kwarcowego – rysunek 2.
W tym teście sygnał próbki ma częstotliwość około 0,995 MHz i amplitudę –4 dBm (400 mVpp @ 50 Ω). Przyrząd zbiera sygnał z czułością pionową 100 mV/działkę, podczas gdy na zaprezentowanym tutaj obrazie, przedstawiającym ekran oscyloskopu w trybie analizy widma, skala pionowa wynosi 20 dB/działkę, w odniesieniu do jednostki dBm (tj. dB w porównaniu do 1 mW). Aby uzyskać najlepsze rezultaty, konieczne jest zastosowanie prawidłowych ustawień. Częstotliwość próbkowania przetwornika analogowo-cyfrowego, rodzaj przetwarzania, rozdzielczość częstotliwości – wszystkie te aspekty należy dobrać bardzo starannie. W ten sposób można uzyskać naprawdę doskonały wynik. W tej demonstracji skala pozioma obejmuje zakres ±5 kHz, przy efektywnej rozdzielczości częstotliwości (RBW) wynoszącej zaledwie 4,15 Hz. Widoczny wykres daje nam możliwość potwierdzenia czystości sygnału do około –105 dBm, czyli poziomu zdominowanego przez szum tła. Dwa znaczniki (markery) podkreślają, że użyteczna dynamika przekracza 90 dB. Oznacza to, że jeśli badany oscylator generuje „fałszywe” sygnały, nawet bardzo słabe, nadal będziemy w stanie je rozpoznać i określić ilościowo. To znaczący krok naprzód w porównaniu do DSO poprzedniej generacji, które ledwo osiągały zakres dynamiki około 65...70 dB.
Złożone sygnały
Rozważaliśmy właśnie prosty sygnał, ale codzienne życie często wygląda zupełnie inaczej i stawia o wiele trudniejsze wyzwania techniczne. Aby sprawdzić, jak oscyloskop zachowuje się w ekstremalnych sytuacjach, do jego wejścia podłączono antenę przeznaczoną na pasmo radiowe HF (3...30 MHz), co w praktyce przekształciło przyrząd w odbiornik panoramiczny. Pole radiowe jest bezkonkurencyjne pod względem złożoności. W rzeczywistości częstotliwości HF zawierają dużą ilość sygnałów, które znacznie różnią się od siebie pod względem intensywności, modulacji, struktury i szerokości pasma. Od lokalnych stacji nadawczych po audycje wojskowe, od radia amatorskiego po łączność lotniczą. Z pewnością trudna sytuacja do opanowania (rysunek 3).
W tym teście „dostrojony” sygnał działa na częstotliwości 13975 kHz, jest to transmisja cyfrowa przeznaczona do pokrywania średnio-długich odległości. Przyrząd rejestruje sygnał z czułością pionową 2 mV/działkę, podczas gdy na zaproponowanym tutaj obrazie, który ponownie pokazuje wyświetlacz w trybie FFT, skala pionowa jest równa 5 dB/działkę w jednostkach dBV (dB w porównaniu do 1 wolta). W tej demonstracji skala pozioma obejmuje zakres ±25 kHz przy efektywnej rozdzielczości częstotliwości (RBW) wynoszącej 39,1 Hz. To ustawienie, wraz z dwoma znacznikami, pozwala nam rozpoznać naturę badanego przekazu. Emisja radiowa składa się z ponad trzydziestu fal nośnych, oddalonych od siebie o około 500 Hz, o łącznej szerokości około 20 kHz. Analiza widmowa pozwala nam uzyskać naprawdę bogaty obraz informacji o tym sygnale, czego w rzeczywistości nie da się uzyskać przy użyciu oscyloskopów o tej samej cenie, które pojawiły się na rynku przed upowszechnieniem modeli 12-bitowych.
Wskazówki dotyczące zakupów
Musimy wyjaśnić jedną kwestię – prawdziwy analizator widma (SA) to instrument wykorzystujący konfigurację obwodów wewnętrznych, która jest znacznie lepiej zoptymalizowana (pod względem pomiarów w dziedzinie częstotliwości – przyp. red.) niż oscyloskop. W DSO nie można oczekiwać tego samego poziomu wydajności, jednak sytuacja i tak znacznie poprawiła się w najnowszych modelach, czego dowodzi niniejszy artykuł. Funkcja FFT nie jest już tylko „estetycznym” dodatkiem do możliwości pomiarowych – wręcz przeciwnie: odgrywa ona znaczącą rolę wśród opcji dostępnych dla użytkownika. Obecnie ci, którzy muszą przeprowadzać analizy widma średniej jakości na częstotliwościach niższych niż ~500 MHz, mogą ocenić zakup oscyloskopu jako alternatywę dla SA, zachowując jednocześnie korzystny aspekt ekonomiczny.
Mówiąc ogólnie, w kontekście przyszłych zakupów i biorąc pod uwagę, że wielu producentów oferuje w swoich katalogach oscyloskopy DSO wyposażone w funkcję FFT, przydatne jest posiadanie podstawowych kryteriów oceny zalet instrumentu. Pierwszym i najważniejszym aspektem, który należy wziąć pod uwagę, jest dokumentacja dołączona do oscyloskopu. Instrukcja obsługi, którą można wyświetlić, pobierając odpowiedni plik PDF z Internetu, musi zawierać wszelkie szczegóły dotyczące typu FFT zaimplementowanego w instrumencie. Jeżeli instrukcja jest ograniczona do jednej strony, zawiera mało szczegółów i ubogi opis parametrów pracy, to mamy do czynienia z oscyloskopem cyfrowym, który prawdopodobnie lepiej zignorować. Model wyższej klasy, niezależnie od ceny sprzedaży, zawsze będzie miał zdefiniowany zestaw informacji obejmujący:
- maksymalną liczbę punktów, która określa rozdzielczość częstotliwości. Wartości >1 Mpts są dobre dla DSO o szerokości pasma do ~50 MHz, dla większych szerokości pasma preferowane jest przynajmniej 2 Mpts lub więcej.
- rodzaje przetwarzania do wyboru – parametr w języku angielskim to Window, zaimplementowane muszą być przynajmniej cztery z poniższych:
- Rectangle, zwany także Uniform,
- Tukey,
- Hanning,
- Hamming,
- Blackman,
- Flattop.
- wybór trybów reprezentacji amplitudy, poprzez średnie z wielu pomiarów lub wartości szczytowe, w języku angielskim Max-Hold.
Oprócz tych aspektów istnieje zasada, która robi znaczną różnicę w praktycznym zastosowaniu. Chodzi o liczbę bitów, która różnicuje poszczególne układy konwersji A/C. W przypadku instrumentów 8-bitowych wydajność jest z konieczności skromna, dlatego nie można oczekiwać wyników porównywalnych z testami proponowanymi w tym miejscu. Modele 12-bitowe gwarantują obecnie najlepszy stosunek ceny do wydajności, są idealne dla małych/średnich firm i entuzjastów elektroniki. Oscyloskopy 14/16-bitowe wymagają większych inwestycji ekonomicznych, są to więc narzędzia przeznaczone do zastosowań profesjonalnych, które stanowią niewątpliwie trafny wybór dla obecnych i przyszłych potrzeb firm zajmujących się badaniami i rozwojem.
Danieli Daniele
