רעש נמוך משפר דיוק מדידה

 

מאת:ג’ואל וודוורד, Agilent Technologies

מהנדסים התרגלו לסמוך על הסקופ (oscilloscope) באופן אינסטנקטיבי ומסתמכים על דיוק המדידה של הסקופ כאל הסמכות האולטימטיבית לפתרון בעיות.
בחירת סוג סקופ המתאים לשימוש, מסתמכת לעתים קרובות על מפרט בסיסי בעל פרמטרים כגון רוחב פס (bandwidth), קצב דגימה, ועומק הזיכרון. תכונה נוספת, שלעתים קרובות התעלמו ממנה בסקופ, אך יש להתחשב בה, היא ה- Vertical Noise. ה- Front End ומעגלי הדוגמים של כל הסקופים מייצרים רעש וזו תכונה בלתי רצוייה המשפיעה לרעה על דיוק המדידה של הסקופ, כיצד ניתן למדוד את כמות הרעש הנגרמת על ידי הסקופ עצמו ומה ניתן לעשות על מנת להקטין את הרעש המיוצר על ידי הסקופ כדי לבצע את המדידות האופטימאליות?

Vertical Noise מייצר שגיאות מדידה באמפליטודה. יצרני סקופים מפרסמים את מאפייני רמת הרעש בדפי המידע. אם לא ניתן למצוא את המידע הזה, אפיון רמת הרעש הוא פשוט ויכול להתבצע במהירות. רעש יכול להיות מאופיין על ידי ניתוק כל האותות שבכניסת הסקופ, כיוון אופן Input Termination  ל- 50 Ohms, הגדרת עומק זיכרון לערך מסוים, והפעלת הסקופ במשך כמה שניות. גרף האות השטוח שמתקבלת בתצורת הגל על המסך כתוצאה מן המדידה מראה את רמת הרעש של הסקופ במצב מסויים של כיוונון V/div . רמת הרעש תשתנה עבור כל כיוונון V/div ולכן רצפת הרעש של סקופ צריכה להיות מאופיינת על פני כיוונוני V/div מרובים. אפיון רצפת הרעש של הסקופ יכולה להתבצע תוך כ- 10 דקות. מדידות מתח RMS מספקות אפיון טוב של הרעש מכיוון שהרעש הוא אקראי מטבעו.
בהתחשב בכך שלכל סקופ יש רעש, מה היא הדרך היעילה ביותר להפחית את הרעש? הדרך הטובה ביותר להפחית את הרעש ברורה; השווה בין סקופים ובחר את הסקופ בעל רצפת הרעש הנמוכה ביותר. רמת הרעש משתנה מיצרן ליצרן ומדגם לדגם.

 

איור 1 – בדיקת רצפת הרעש של סקופ כאשר מנתקים את אותות הכניסה ומודדים מדידת מתח RMS של האות

הארכיטקטורה של הסקופ משפיעה ישירות על כמות רעש אותו הוא מייצר. בואו ניקח למשל את ה-  Front End של הסקופ. מעגל זה מכיל מנחתים ומגברים המיועדים להכשיר את האות הנכנס לפני שהוא מגיע לממיר ה- Analog To Digital. טכנולוגיית החומרה המיושמת ב-  Front End עושה את ההבדל העצום בכמות הרעש שהסקופ מייצר. ה-  Front End עשוי להכיל עשרות רכיבים בדידים, יכול להיות מודול multi-chip, או שילוב של השניים. בדרך כלל, תוצאות של אינטגרציה ברמה גבוהה ב-  Front End מתבטאת בסקופים בעלי רעש נמוך. עבור סקופים בעלי רוחב פס גבוה, שמירה על שלמות האות (Signal Integrity), תוך מזעור הרעש שנגרם במבוא הוא מטרת תכנון ה- Front End והוא מתאפיין במודולי multi-chip הנראים יותר כתכנון RF  מאשר תכנון אנאלוגי.
סקופים הם מכשירים רחבי פס ורוחבי פס גבוהים יותר מתבטאים בדרך כלל ברצפת רעש גבוהה יותר. ניתן למשל לצפות שסקופ בעל רוחב פס של GHz  ייצר רעש גבוה מזה של סקופ בעל רוחב פס של GHz , באותם כיוונוני V/div. על מנת להקטין את הרעש בטווח תדרים רחב, המדידה המדוייקת ביותר של מדידות  Vertical  Measurements צריכה להיעשות על ידי סקופ בעל רוחב פס שהוא בעל תדר של hertz  אחד מעל התדר הנמדד. מכיוון שזה לא מעשי להשתמש במספר רב של סקופים כשכל אחד הוא בעל רוחב פס ייעודי, סקופים ברמה גבוהה בדרך כלל מספקים מאפיינים להקטנת רוחב הפס. המשתמש יכול להגדיר באופן סלקטיבי את רוחב הפס המוקצה לסקופ. הורדת רוחב פס ניתנת ליישום באמצעות חומרה או תוכנה ותכונה זו באה בתמורה לקצב הרענון של הסקופ. באמצעות בחירה ברוחב הפס הנמוך ככל המתאפשר למדידה הספציפית, הרעש יקטן.

השפעת רעש בולטת יותר כאשר מודדים אותות ברמה נמוכה הדורשים הגדרות של יחס V/div קטן. לכמה דגמים של סקופים יש מעגלים שנועדו להפחתת רוחב הפס כאשר הם משמשים ביחס V/div רגיש במיוחד. אם נשווה את מאפייני רצפת הרעש עבור כל סקופ הנמצא בכיונון V/div  של רגישות גבוהה, ייתכן ונשווה סקופ בעל רוחב פס נמוך לסקופ בעל רוחב פס גבוה יותר. זו אינה השוואה תקפה.
אם האותות הנמדדים הם מחזוריים, הפעלת Averaging Mode (מיצוע) תאפשר לסקופ לדגום מספר פעמים רב אך להציג את התוצאות הממוצעות. ככל שמספר המיצוע גבוה יותר, תפחת ההשפעה של רעש אקראי על האות הנמדד. עבור מדידות Single Shot, רוב יצרני הסקופים מאפשרים מצב High Res הממצע נקודות סמוכות על מנת להקטין את השפעת הרעש והגדלת הרזולוציה האנכית מעבר לשמונה ביטים. זאת בתמורה להקטנת רוחב הפס.
לעומת הטכניקה המבוססת על הקטנת רוחב הפס, קיימים דגמי סקופים המגדילים באופן מלאכותי את נקודת ה- 3db roll-off point הטבעית באמצעות שימוש ב- DSP-boosting. אלגוריתמים של DSP מגדילים את התדרים הגבוהים הנמצאים בסמוך לנקודת ה- 3db point. תדרים אלו הונחתו על ידי מסננת ה- low-pass filter הנמצאת ב- front-end של הסקופ וקרובים בעוצמתם לרצפת הרעש של הסקופ מאשר אותות בתדר נמוך שעברו את מסננת ה- Low-Pass Filter הנמצאת ב- Front-End של הסקופ. מסיבה זו טכנולוגיית DSP boosting מגדילה את הרעש באופן משמעותי ועל המשתמשים להיות מודעים לכך שהגדלת תחום התדר באה על חשבון רעש נוסף.
כמה דגמי סקופים נוטים להציג על המסך גלים עבים בעוד שסקופים אחרים מודדים את אותו אות ומציגים אותו כקו דק על המסך. בעוד שהמשתמש עשוי בתחילה לחשוב שצפייה באות בעל תצורת קו דק היא תוצאה של שימוש בסקופ עם רעש נמוך, אין זה בהכרח נכון. ההבדל בתצורת הגל יכול להיות כתוצאה של קצב הרענון במקום בהבדלים ברצפת הרעש. סקופ בעל קצב רענון מהיר יציג שינויי אותות מהירים מהר יותר מאשר סקופ בעל קצב רענון איטי וזאת על ידי הצגת תצורת גל עבה. אם אופן persistence אינסופי מופעל בשני הסקופים, הם עשויים להציג את אותו גל עבה במשך הזמן. הסקופ בעל קצב הרענון הגבוה פשוט יציג את הגל מהר יותר.
עבור אפליקציות הדורשות מדידות מדוייקות, יש להעריך את רצפת הרעש של הסקופ בזמן הבחירה של הסקופ. בעת השוואת סקופים שונים, יש לוודא שכל אחד מהם מכוון באותו V/div, אותו עומק זכרון, כיווני אינטרפולציה כדי לקבל השוואות מהימנות. מומלץ לשקול שימוש במיצוע (averaging) או ב- High Res Modes והקנת רוחב הפס כדי לצמצם את השפעת הרעש על המדידות בסקופ.