Почему виден шум в сигнале осциллографa и как с ним бороться?

Обратите внимание, что некоторые из устройств имеют более низкий уровень шума при установке чувствительности в 1 мВ/дел, чем другие. Однако при этом у них гораздо выше уровень зашумления при 5 мВ/дел и при более высоких значениях. У большинства приведенных нами приборов даже не заявлено значение величины RMS на 2 В/дел и выше.

Исходя из этого, перед покупкой осциллографа, следует тщательно подумать для чего он вам нужен, и не рассматривать только один рабочий диапазон чувствительности.

Также важно помнить, что характеристики DSO представлены в виде среднеквадратичных значений (RMS), в то время как человеческий глаз воспринимает зашумленность, отображаемую на дисплее, как от пика к пику.

Развертка и щуп-пробник

Картину, которую вы увидите на экране прибора зависит от типа используемого пробника, применяемой методики исследования, характеристик заземляющего проводника. Также на нее влияют некоторые настройки DSO, в первую очередь такие, как: величина развертки, глубина используемой памяти, частота дискретизации, полоса пропускания, режимы сбора и отображения данных. Далее мы обсудим, как корректировка настроек DSO может изменить фактически регистрируемый шум и способ его отображения.

Предположим, что пробник и заземляющий провод к нему – соответствуют характеристикам напряжения, подаваемого на вход. Тогда, изменяя вертикальную развертку (настройка В/дел), мы сможем исследовать различные характеристики одного и того же входного напряжения. При этом чем меньше будет отображаемая осциллограмма (т.е. допустим она отображается только 2 из 8 вертикальных клеток), тем менее точным будет наше измерение. Причина этого в том, что аналого-цифровой преобразователь (АЦП) не будет задействован во всем динамическом диапазоне. Помимо этого, при более низкой развертке, больше усиливается вся видимая область, а это приводит к тому, что сильнее становится не только сигнал, но и шумовые помехи. Для большей эффективности использования аналого-цифрового преобразователя необходимо выполнить масштабирование изображения волны на весь дисплей. Этому может способствовать использование переменного коэффициента усиления вместо фиксированных значений в 1, 2, 5 и 10, предлагаемых большинством производителей приборов.

При низких уровнях входного напряжения использование пробника 1:1 (т.е. с нулевым ослаблением) вместо стандартного пробника 10:1 (т.е. с 10-кратное ослабление) приведет к значительно лучшему исследованию из-за минимальной зашумленности.

Пример корректировки вертикальной развертки и замены осциллографического пробника, для оптимизации производительности, показан на скриншотах ниже.

Для синусоидальной волны, с размахом (Vpp) в 20 мВ, при использовании стандартного пробника 10:1, мы видим зашумленность в 10 мВ. Это составляет 50% от амплитуды всей изучаемой осциллограммы.

Присутствие такой сильной зашумленности может заставить исследователя заняться поиском проблем в источнике принимаемого напряжения.

Однако перейдя на пассивный щуп 1:1 и правильно отмасштабировав дисплей (на 3 мВ/дел), мы резко уменьшим регистрируемую зашумленность до уровня менее чем 2 мВ. При этом помните, что вы наблюдаете значение шума от пика к пику, а не его среднеквадратичное значение (RMS), приводимое в спецификации устройства.

Глубина памяти

Следующая характеристика осциллографа, которую мы можем скорректировать, чтобы повлиять на отображаемую картинку — это глубина (или длина) задействованной памяти. Некоторые DSO позволяют изменять количество точек памяти, используемых в горизонтальном масштабировании при сборе данных. Давайте разберемся почему первая трассировка с 1000 точками памяти выглядит менее зашумленной, чем вторая с 10 миллионами точек.

Причин для этого существует несколько.

Первая из них заключается в том, что при разной глубине памяти выборка данных осуществляется с различной частотой. Так, при выборе глубины в 10 миллионов точек, частота дискретизации составляет 5 Веб/сек (т.е. 5 миллиардов раз в секунду), при глубине памяти в 1000 точек частота дискретизации существенно падает и составляет всего 1 МВыб/сек. Таким образом, при меньшем количестве отображаемых данных происходит их сжатие. Множество регистрируемых на разной высоте точек объединяются в одну точку. Так, например, если большинство объединяемых выборок будут иметь отличное от основного сигнала значение амплитуды, то мы увидим это в виде утолщения линии или повышения зашумленности.

Таким образом, изменение глубины памяти или ее длины позволяет регулировать отображаемую на экране DSO зашумленность.

Вторая причина заключается в том, что частота дискретизации напрямую связана с цифровой полосой пропускания осциллографа. Согласно теореме Найквиста, при частоте дискретизации в 1 миллион выборок в секунду максимальная частота сигнала, которая может быть восстановлена, составляет всего 500 кГц.

Полоса пропускания

Теперь мы узнаем, как влияет цифровая полоса пропускания на величину регистрируемого шума. При исследовании мы можем увидеть влияние высокочастотной полосы пропускания. Радиоинженеры знакомы с концепцией шума, генерируемого тепловым движением электронов в проводнике. Его мощность определяется следующим выражением:

P = kB . T . Δf

где kB – постоянная Больцмана, Дж/К;

T - абсолютная температура нагрузки (например, резистора), К;

Δf - полоса пропускания, Гц.

Таким образом, чем больше используемая в измерении полоса пропускания, тем большую зашумленность мы будем регистрировать.

Поэтому некоторые производители, в режиме высокой чувствительности, ограничивают полосу пропускания своих устройств, например, с 1 ГГц всего лишь до 150 МГц. Это позволяет улучшить соотношение сигнал-шум. Возможно, это связано с тем, что их аналоговый входной каскад не имеет достаточной полосы пропускания, и страдает от ряда проблем с усилением, таких, например, как компрессия, клиппирование, нелинейность или плохая фазовая характеристика. Поэтому некоторые производители могут указывать некоторые параметры приборов или даже демонстрировать свои продукты с включенным аппаратным фильтром в 20 МГц. Так что, имейте это в виду, проводя сравнение устройств.

Кстати, пользователи могут самостоятельно задействовать аппаратный фильтр на своем устройстве. Настройка в 20 МГц является общепринятой для всех DSO, представленных на современном рынке. Эта функция осталась еще от аналоговых осциллографов, имеющих как правило частоту пропускания в 20 МГц, на которых выросли многие инженеры. Также, полоса пропускания в 20 МГц используется для оценки характеристик многих технических продуктов, таких, например, как источники питания.

Однако очевидно, что снижение полосы пропускания ведет не только к снижению уровня регистрируемого шума, но и ограничивает изучение самого сигнала. Ведь если напряжение, которое мы желаем исследовать, содержат какие-либо составляющие выше 20 МГц, то со включённым аппаратным фильтром зарегистрировать их мы уже не сможем.

Скорость обновления изображения

Далее мы рассмотрим другую характеристику осциллографов, влияние которой на величину зашумленности многие пользователи могут не ожидать — это скорость обновления сигнала на экране. Эта характеристика показывает какое количество раз в секунду форма входного напряжения захватывается и выводится на экран.

Шум имеет гауссово распределение, поэтому в течение бесконечного периода времени он будет возникать в какой-то точке от -∞ до +∞. На приведенной ниже диаграмме показана дисперсия шума для одиночной выборки, при этом более продолжительная выборка приведет к той же кривой распределения, но увеличится число выбросов.

Высокая скорость обновления, например, в 1 000 000 раз в секунду, означает, что будет захватываться и отображаться больше данных. А поскольку каждый отдельный снимок имеет уникальный и случайный аддитивный шумовой паттерн, то при наложении друг на друга большого количество форм выводимое изображение будет выглядеть значительно “шумнее”.

Используя функцию удержания, можно уменьшить частоту обновления данных на экране прибора, это позволит уменьшить общую зашумленность. Улучшение изображения происходит по тому, что захватывается меньше сигналов и, следовательно, DSO получает меньше данных о нем, вне зависимости от того, являются регистрируемые данные сигналом или же шумом. А так как шум является случайным, то регистрироваться будет меньше крупных “выбросов”, приводящих к увеличению выводимой на экран кривой.

Но насколько важен шум? Если осциллограф имеет низкую частоту обновления, то он не будет достаточно часто или вообще не сможет фиксировать необычные состояния или события, как это мог бы сделать прибор с высокой частотой обновления. Поэтому медленный DSO может показаться менее шумным, но он не сможет помочь пользователю так, как это сделал бы более быстрый прибор, который отображает больше данных, но демонстрирует более зашумленное изображение на экране.

Режим повышенного разрешения

Теперь мы можем рассмотреть некоторые настройки осциллографа, которые могут сгладить сигнал. Обычным, для многих DSO, является наличие режима повышенного разрешения («Hi-Res» или «ERES»). В этом режиме используется избыточная выборка (также известная как гипервыборка), позволяющая создавать новые уровни квантования (или «большее количество бит») путем усреднения соседних выборок. Здесь следует отметить, что этот режим также уменьшает цифровую полосу пропускания.

В некоторых моделях DSO режим повышенного разрешения можно регулировать вручную по битовой или полубитовой шкале. В других моделях регулировка осуществляется автоматически. Режим повышенного разрешения позволяет традиционному 8-разрядному аналого-цифровому преобразователю в осциллографе выдавать результаты, аналогичные 12-разрядному.

Допустим, у нас на входе синусоидальная волна 100 МГц, а частота дискретизации составляет 5 ГВыб/сек. Прибор выполняет 50-кратную гипервыборку, тогда как для точного восстановления формы волны нам достаточно только пяти или даже четырехкратного запаса. В этом режиме повышенного разрешения устройство берет 4 соседних точки выборки и усредняет их для создания нового значения.

Таким образом, вместо того, чтобы фактически собранные данные квантовались и отображались в виде дискретных уровней 2-2-3-3, они покажут нам значение 2,5 = (2+2+3+3)/4. Такой же результат мы бы получили, если бы АЦП нашего устройства имел бы еще один дополнительный бит (или имел другую разрядность). Отличительной особенностью режима высокого разрешения является то, что его можно использовать для любого типа сигнала, как единичного, так и периодического.

Режим сбора данных с усреднением

Существует также режим сбора данных с усреднением: однако он хорош для повторяющихся импульсов, и его нельзя использовать для таких сигналов, как последовательно передаваемые данные. В этом режиме устройство берет данные от первой выборки и усредняет их с данными, полученными от последующей выборки. Результатом этой операции является то, что в начале первые отображаемые данные выглядят несколько зашумленными, а затем постепенно шумы исчезают и на дисплее отображается только «чистое» усредненное изображение. Эта функция хороша для просмотра именно повторяющихся колебаний. Но она не позволяет просматривать какие-либо редкие события, такие как всплески или изменение периодичности колебаний, поскольку все эти данные будут усреднены.

Дифференциация подсветки экрана

Первое поколение цифровых осциллографов подсвечивало каждый пиксель, соответствующий зарегистрированному событию, без какой-либо дифференциации интенсивности. Это сильно загромождало изображение.

Современные DSO позволяют изменять интенсивность подсветки, при которой автоматически увеличивается или уменьшается яркость пикселя в зависимости от частоты появления регистрируемого события. Эта функция позволяет воспроизводить изображение, подобное тому которое пользователи видели в аналоговых осциллографах. Но в отличие от них, DSO могут улавливать гораздо больше деталей в исследуемом напряжении с регистрацией значительно более редких и случайных событий.

При этом мы можем настроить интенсивность отображаемого сигнала на 100 %. В этом случае будут подсвечиваться все пиксели с одинаковой интенсивностью независимо от частоты возникновения события. Этот режим создаст «жирное» изображение, подобный моделям DSO первого поколения.

Уменьшая интенсивность подсветки, мы получаем разброс освещенности по Гауссу в зависимости от частоты зарегистрированного события, как это было в аналоговых осциллографах.