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

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

Краткий обзор теоретических предпосылок и ряд методов выявления шума в сигнале - подробные ответы от Суперайс

Многие пользователи говорят, что их цифровые осциллографы “шумные”. Некоторые утверждают, что они не отображают сигналы так «чисто», как старые аналоговые приборы.
Так ли это на самом деле?
Давайте разбираться.

Время чтения: 19 минут

В этой статье мы дадим краткий обзор теоретических предпосылок и ряд методов, позволяющих сделать отображение осциллограммы цифровым осциллографом “лучше” или “хуже”, а также обсудим, действительно ли мы видим шум или это реальный сигнал.

Общие сведения

Зашумленность не может быть устранена полностью, она является случайной, и чем больше полоса пропускания у вашей системы, тем больше его вы будете улавливать. На осциллографе шум накладывается на принимаемый сигнал, что может привести к затруднению оценки «реальных данных».

Аналоговый или цифровой

Аналоговые осциллографы используются уже не так часто, но они занимают достойное место в сердцах инженеров старшего поколения. Луч на их экранах отклонялся от горизонтального положения непосредственно самим подаваемым на вход напряжением.

Если яркость луча поддерживалась низкой, то даже большое количество шума не создавало впечатления, что след луча выглядит слишком толстым. Это связано с тем что вертикальное отклонение луча было небольшим, а полоса пропускания часто была довольно низкой (обычно не выше 20MHz). Современные цифровые осциллографы (DSO – digital storage oscilloscope) имеют значительно более высокую полосу пропускания.

Однако при исследовании одного и того же сигнала создается впечатление, что они более шумные, по сравнению с аналоговыми приборами.

Это происходит потому, что DSO оцифровывают сигнал и подсвечивают пиксели на экране иногда с учетом, а иногда независимо от частоты их появления. Небольшие изменения амплитуды незначительно меняет отображение волны на аналоговом приборе, однако, на цифровом это приводит к другому уровню квантования (оцифровки), что делает кривую более толстой и, как следствие, более зашумленной.

Современные цифровые осциллографы преодолели прежние ограничения и позволяют, подобно аналоговым, дифференцировать яркость пикселей в зависимости от частоты появления зарегистрированного события. Теперь импульсы, которые возникают в различное время и с разной амплитудой, выглядят не такими «яркими», как основной исследуемый сигнал.

Будьте внимательны с техническими характеристиками

Осциллограф - инструмент просмотра регистрируемых сигналов, и он будет бесполезен, если на его вход ничего не будет подаваться. Поэтому не следует искать что-то в том, в что изначально выглядит как чистая линия без присутствия какого-либо сигнала.

Осциллографы могут быть оптимизированы для измерения очень слабых импульсов, имея малый коэффициент затухания и высокий коэффициент усиления на входе. Однако в обмен на высокую чувствительность они получают низкую производительность при более высоких амплитудах входного напряжения, которое обычно исследуются гораздо чаще. Ниже мы приводим таблицу, которую мы составили на основе спецификаций некоторых DSO с частотой пропускания 500 и 600 МГц от различных производителей. В ней мы можем увидеть и сравнить заявленные производителями значения RMS шума при отсутствии напряжения на входе.

Обзорная таблица

Модель №1

(500 МГц)

Модель №2

(500 МГц)

Модель №3

(600 МГц)

Модель №4

(500 МГц)
1mV/div
220uV 144uV N/A 198uV
2mV/div
220uV
210uV
300uV
157uV
5mV/div
240uV 302uV 410uV 315uV
10mV/div
270uV 400uV 475uV 325uV
20mV/div
409uV
626uV
660uV
1.0mV
50mV/div
1.1mV
1.4mV
1.5mV
1.8mV
100mV/div
1.9mV
1.4mV
4.5mV
5.2mV
200mV/div
3.9mV
3.8mV
6.6mV
4.2mV
500mV/div
10.4mV
6.2mV
15mV
19.2mV
1V/div
19.2mV
14mV
29mV
25.4mV
2V/div
48mV
N/A N/A N/A
5V/div
96mV
N/A N/A N/A
Сравнение среднеквадратичной величины шума у DSO с полосой пропускания в 500-600 МГц.

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.

Какие факторы влияют на качество отображения входного напряжения?

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.

Размах зашумления пик-в-пик
Измерение размаха зашумления пик-в-пик, при низкой амплитудной развертке и со стандартным щупом 10:1.

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.

Вертикальная развертка, с пробником 1:1
Измерение визуально отображаемого зашумления, но уже при полной вертикальной развертке на экран, а также с пробником 1:1.

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.

Осциллограмма в 1000 точек
Осциллограмма при установке глубины записи в 1000 точек (присутствуют небольшие отклонения на низких и высоких уровнях).

Осциллограмма в 10 миллионов точек
Осциллограмма на максимальной глубине памяти в 10 миллионов точек (изображение выглядит более зашумленным «толстым»).

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.

Дисперсия шума
Дисперсия шума, соответствующая нормальному распределению (Гаусса): распределение во времени (вверху), распределение по частоте появления (внизу).

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”.

Полная полоса пропускания с 1 миллионом обновлений в секунду
Полная полоса пропускания с 1 миллионом обновлений в секунду (величина зашумленности, ориентировочно, составляет 2 мВ пик в пик).

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.

Уменьшенная частота обновления у полной полосы пропускания
Полная полоса пропускания, но с уменьшенной частотой обновления (уровень зашумленности сократилась на 50%).

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.

8-битный режим сбора данных
Слева обычный 8 битный режим сбора данных. Справа – режим повышенного разрешения, который создает более чистую трассировку.

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.

Осциллограмма на старом устройстве
Осциллограммы на экране старого устройства (без дифференциации интенсивности подсветки).

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.

100% зашумленность
Зашумленная кривая со 100% интенсивностью (все пиксели экрана подсвечиваются с одинаковой яркостью).

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

Неинтенсивная зашумленность
Зашумленность уже не так интенсивна, что позволяет выделить основной сигнал.

Резюме

Пользователи современных осциллографов имеют большой контроль над тем, как им просматривать, интерпретировать и измерять сигналы с учетом метода исследования, режима сбора данных, режима отображения и других настроек прибора. Оптимизация настроек позволяет уменьшить, а часто полностью устранить влияние шумов создаваемых АЦП на регистрируемый пользователем сигнал, а также помочь в решении многих проблем по сохранению его целостности.


Количество показов: 467
22.08.2022

Возврат к списку