עשרת הדברים העיקריים שיש לשקול כאשר בוחרים ממיר אנלוגי לדיגיטלי (Digitizer) / אוסילוסקופ

סקופ-הזיכרון (oscilloscope (storage הדיגיטלי של הזמנים המודרניים שונה בצורה דרמטית מהאוסילוסקופ בעל הקרן הקתודית שהמדען הגרמני Braun Ferdinand Karl המציא ב-1897. התקדמות הטכנולוגיה מוסיפה לספק תכונות חדשות העושות את האוסילוסקופ ליותר שימושי עבור המהנדסים, אולם אחד השינויים המשמעותיים ביותר של האוסילוסקופ היה המעבר לתחום הדיגיטלי, אשר אפשר תכונות רבות-עצמה דוגמת עיבוד אותות דיגיטלי וניתוח צורות-גלים. אוסילוסקופים דיגיטליים כוללים כיום ממיר אנלוגי לדיגיטלי (analog-to-digital -) מהיר, בעל רזולוציה נמוכה (אופיינית 8 ביטים), בקרים ותצוגות מוגדרים, ומעבד מובנה לשם הרצת אלגוריתמי תוכנה עבור מדידות רגילות.

מאחר שהאוסילוסקופים הם מבוססי-PC, יש לכם את היתרון להיות מסוגלים להגדיר את תפקוד המכשיר שלך בתוכנה. כתוצאה, אתה יכול להשתמש באוסילוסקופ לא רק עבור מדידות כלליות, אלא גם עבור מדידות מותאמות אישית, ואף בתור נתח ספקטרום, מונה תדר, מקלט על-קולי או מכשיר אחר. בעזרת הארכיטקטורה הפתוחה שלהם והתוכנה הגמישה, אוסילוסקופים מספקים יתרונות אחדים לעומת אוסילוסקופים נפרדים מקובלים. כאשר מעיינים באוסילוסקופ, יש להביא בחשבון הרבה שיקולים כאשר בוחרים את המכשיר אשר יענה ליישום שלכם.
מאמר זה דן בעשרת הדברים החשובים ביותר שיש לזכור כאשר שוקלים ממיר אנלוגי לדיגיטלי/אוסילוסקופ.

רוחב-פס
רוחב-פס מתאר את תחום התדרים של אות מבוא שיכול לעבור דרך החזית האנלוגית עם הפסדי אמפליטודה מזעריים – מקצה החיישן או מתקן הבדיקה אל המבוא של ה-ADC. רוחב-הפס מאופיין כתדר בו אות מבוא סינוסי מונחת ל-70.7 אחוזים של האמפליטודה המקורית שלו, המוכר גם כנקודת ה-3dB-.
ככלל, מומלץ שתשתמש בממיר אנלוגי לדיגיטלי בעל רוחב-פס של לפחות כפליים מרכיב התדר הגבוה ביותר באות שלך.
אוסילוסקופים וממירים אנלוגי לדיגיטלי משמשים לרוב למדידת זמן העלייה של אותות דוגמת פולסים דיגיטליים או אותות אחרים בעלי קצוות חדים. אותות אלה מורכבים מתכנים בעלי תדרים גבוהים. כדי ללכוד את הצורה האמיתית של האות, אתה זקוק לממיר אנלוגי לדיגיטלי בעל רוחב-פס גבוה. לדוגמה, גל מרובע של 10 מגה-הרץ מורכב מגל סינוסי של 10 מגה-הרץ ומספר אין-סופי של ההרמוניות שלו. כדי ללכוד את הצורה האמיתית של אות זה, עליך להשתמש בממיר אנלוגי לדיגיטלי בעל רוחב-פס מספיק גדול כדי ללכוד אחדות מההרמוניות הללו. אחרת, האות יהיה מעוות והמדידות שלך לא-נכונות.
בתור חוק-אצבע, השתמש בנוסחה הבאה כדי לקבוע את רוחב-הפס של האות שלך מבוסס על זמן העלייה שלו (המוגדר כזמן הדרוש להעברה מ-10 ל-90 אחוזים מאמפליטודת האות).
זמן העלייה= 0.35/רוחב-הפס
באופן אידיאלי, עליך להשתמש בממיר אנלוגי לדיגיטלי בעל רוחב-פס פי שלושה עד חמישה מהאות שלך כמחושב במשוואה לעיל. במילים אחרות, זמן העלייה של הממיר שלך צריך להיות 1/5 עד 1/3 מזמן העלייה של האות שלך כדי לרכוש את האות שלך בשגיאה מזערית. אתה יכול תמיד לחזור כדי לקבוע את רוחב-הפס הממשי של האות שלך מבוסס על הנוסחה הבאה:

Tm= זמן עלייה מדוד, Ts= זמן עלייה אמיתי של האות, Td= זמן העלייה של הממיר.

קצב הדגימה
בפסקה הקודמת, למדת על רוחב הפס, שהוא אחד המפרטים החשובים ביותר של ממיר או אוסילוסקופ. אולם, רוחב-פס גבוה עשוי להיות הרבה פחות שימושי אם קצב הדגימה איננו מספיק.
בעוד רוחב-הפס מתאר את הגל הסינוסי בעל התדר הגבוה ביותר שניתן להמיר בניחות מזערי, קצב הדגימה הוא פשוט הקצב בו הממיר אנלוגי לדיגיטלי (ADC) בממיר או בסקופ מתוזמן להמיר את האות המגיע. זכור שקצב הדגימה ורוחב-הפס אינם קשורים ישירות. אולם, קיים חוק אצבע עבור הקשר הרצוי בין שני מפרטים חשובים אלה:
קצב הדגימה בזמן-אמת של הממיר= 3 עד 4 פעמים רוחב-הפס של הממיר.
משפט Nyquist קובע שכדי למנוע מדרוג (aliasing), קצב הדגימה של ממיר אנלוגי לדיגיטלי צריך להיות לפחות פי שניים מהיר מרכיב התדר הגבוה ביותר באות הנמדד. אולם, דגימה בדיוק בכפליים רכיב התדר הגבוה ביותר איננה מספיקה כדי לשחזר אותות במישור הזמן. כדי להמיר בצורה מדויקת את האות המגיע, קצב הדגימה בזמן-אמת של הממיר צריך להיות לפחות פי שלושה או ארבעה רוחב-הפס של הממיר. כדי להבין מדוע, עיין באיור הבא וחשוב על איזה אות דיגיטלי היית מעדיף לראות בסקופ שלך.
אם כי האות האמיתי המועבר דרך המעגל האנלוגי בקצה הסופי הוא זהה בשני המקרים, התמונה משמאל היא תת-דגימה, דבר המעוות את האות שהפך לדיגיטלי. מאידך, לתמונה מימין יש מספיק נקודות דגימה כדי לשחזר במדויק את האות, דבר אשר יגרום למדידה מדויקת יותר. מאחר שהצגה נקייה של האות חשובה עבור יישומים במישור הזמן כגון זמן עלייה, עליית-יתר או מדידות פולסים אחרות, לממיר אנלוגי לדיגיטלי בעל דגימה גבוהה יותר יש יתרון עבור יישומים אלה.

שיטות דגימה
ישנן שתי שיטות דגימה עיקריות – דגימה בזמן-אמת ודגימה בזמן שווה-ערך (equivalent-time sampling – ETS).
קצב הדגימה בזמן-אמת הוא זה שנדון לעיל, המתאר את קצב השעון של ה-ADC ומראה את הקצב המרבי בו ניתן לרכוש אות המגיע בפעימה אחת. מאידך, דגימה בזמן שווה-ערך היא שיטה לשחזר אות מבוססת על סדרת צורות-גל מדורבנות (triggered) שכל אחת מהן נרכשת בפעימה אחת (single mode). היתרון של ה-ETS הוא בכך שהוא מציע קצב דגימה ביעילות גבוהה יותר. החיסרון, אולם, הוא שהוא צורך יותר זמן והוא ישים רק עבור אותות חוזרים. רשום שה-ETS לא מעלה את רוחב-הפס האנלוגי של הממיר, והוא שימושי רק כאשר אתה צריך לשחזר את האות בקצב דגימה גבוה יותר. מימוש מקובל של ה-ETS הוא sampling random-interleaved, הזמין ברוב ממירי החברה.

רזולוציה ותחום דינמי
כמתואר לעיל, לאוסילוסקופים דיגיטליים ולממירים אנלוגיים לדיגיטליים יש ADCs הממירים את האות מאנלוגי לדיגיטלי. מספר הביטים המוחזרים על-ידי ה-ADC הוא הרזולוציה של הממיר. עבור כל תחום מבוא נתון, מספר הרמות הדיסקרטיות האפשריות המשמשות להציג את האות בצורה דיגיטלית הוא 2b, כאשר b הוא הרזולוציה של הממיר. תחום המבוא מחולק ל-2b צעדים והמתח הקטן ביותר האפשרי שניתן לגלות על-ידי הממיר מסומן ב-(תחום המבוא/2b). לדוגמה, ממיר בעל -8ביט מחלק תחום מבוא של 10Vpp ל-28=256 רמות של 39 מילי-וולט כל אחת, בשעה שממיר בעל 24 ביט מחלק את אותו תחום המבוא של 10Vpp ל-224=16,777,216 רמות של 596 ננו-וולט (בערך 65,000 פעמים יותר קטן מאשר במקרה של ה-8 ביט).
אחת הסיבות לשימוש בממיר בעל רזולוציה גבוהה היא מדידת אותות נמוכים. השאלה נשאלת לעתים, מדוע לא להשתמש רק במכשיר בעל רזולוציה נמוכה יותר ותחום קטן יותר כדי להתמקד באות לשם מדידת מתחים נמוכים? אולם, לאותות רבים יש הן מרכיב של אות קטן והן של אות גדול. על-ידי שימוש בתחום הגדול, אתה יכול למדוד את האות הגדול אך האות הזעיר יהיה בתחום הרעש של האות הגדול. מאידך, אם אתה משתמש בתחום הקטן, אזי תקצץ את האות הגדול והמדידה שלך תהיה מעוותת ולא-תקפה. לכן, עבור יישומים הכוללים אותות דינמיים (אותות בעלי מרכיבי מתח גדולים ונמוכים), אתה זקוק למכשיר בעל רזולוציה גבוהה, בעל תחום דינמי גדול (היכולת של הממיר למדוד אותות קטנים בנוכחות אותות גדולים).
אוסילוסקופים מקובלים משתמשים ב-ADCs בעלי רזולוציה של -8ביט, אשר איננה מספקת עבור יישומים רבים הכוללים ניתוח ספקטראלי של אותות דינמיים דוגמת צורות-גלים מאופננות. יישומים רבים יכולים ליהנות מאוסילוסקופ בעל ביצועים גבוהים יותר. דוגמה אחת היא האוסילוסקופ NI PXIe-5162 , אשר זכה לתואר Test Product of the Year 2014 שהוענק על-ידי Test and Measurement World.

אתחול
אופיינית, אוסילוסקופים וממירי אנלוגי לדיגיטלי משמשים לרכוש אות המבוסס על אירוע מסוים. יכולת האתחול של המכשיר מאפשרת לך לבודד אירוע זה וללכוד את האות לפני ואחרי האירוע. רוב הממירים והסקופים כוללים אתחול לקצה האנלוגי, דיגיטלי ותוכנה. אופציות אתחול אחרות כוללות אתחול חלון, חשל (היסטרזיס) ווידיאו.
ממירי הקצה הגבוה כוללים זמני חימוש מחדש (rearm) בין התיחולים, דבר המאפשר צורת לכידה רב-רישומית (multi-record), כאשר הממיר לוכד את המספר המבוקש של נקודות לאחר תיחול נתון, מחמש אותו במהירות וממתין לתיחול הבא. זמן חימוש מהיר מבטיח שהממיר איננו מחמיץ את האירוע או התיחול. צורה רב-רישומית היא שימושית מאוד בלכידה ואכסון רק של הנתונים שאתה צריך, ובכך מייטבת את השימוש בזיכרון המובנה כמו גם את הגבלת הפעילות של ה-PC bus.

זיכרון מובנה (onboard)
לעתים קרובות, נתונים מועברים מהממיר או אוסילוסקופ אל ה-PC לשם מדידות וניתוח. אם כי מכשירים אלה יכולים לדגום בקצב המרבי שלהם, שעשוי להיות בתחום של גיגה-דגימות אחדות, הקצב בו ניתן להעביר נתונים אל ה-PC מוגבל על-ידי רוחב-הפס של האפיק המחבר כגון PCI, LAN, CPIB וכו’. בעוד שכיום אף אחד מהאפיקים האלה לא מסוגל לעמוד בקצבים רבי-GS, דבר זה עשוי לא לחייב בשעה ש-PCI Express ו-PXI Express מתפתחים לקראת אפשרות של קצבי נתונים של GB/s אחדים.
אם אפיק הממשק אינו יכול לעמוד בהעברת נתונים שוטפת בקצב הדגימה של הרכישה, זיכרון מובנה על המכשיר מספק את היכולת לרכוש את האותות בקצב מרבי ומאוחר יותר להעביר את הנתונים של ה-PC לשם עיבוד.
חלון זמן הרכישה = זיכרון רכישה מובנה/ קצב דגימה (S/s)
זיכרון עמוק לא רק מעלה את זמן הרכישה, אלא גם מספק יתרונות במישור התדר. המדידה המקובלת ביותר במישור התדר היא ה-fast Fourier transform , המציגה את תוכן התדר של האות. אם ל-FFT יש רזולוציית תדר עדינה יותר, ניתן לגלות ביתר קלות תדרים דיסקרטיים.
רזולוציה בתדר (Δf) =קצב הדגימה (S/s)/נקודות ב-FFT
במשוואה דלעיל, ישנן שתי דרכים לשפר את רזולוציית התדר – להנמיך את קצב הדגימה או להעלות את מספר הנקודות ב-FFT. הנמכת קצב הדגימה איננה לרוב הפיתרון האידיאלי מאחר שהיא תפחית גם את תחום התדרים. במקרה זה, הפיתרון היחיד הוא לרכוש יותר נקודות עבור ה-FFT, דבר הדורש זיכרון מובנה עמוק יותר.

צפיפות הערוצים
גורם חשוב בהחלטה לרכוש אוסילוסקופ או ממיר הוא מספר הערוצים על המכשיר או היכולת להוסיף ערוצים על-ידי סנכרון מכשירים רבים. לרוב האוסילוסקופים יש שניים עד ארבעה ערוצים, כל אחד מודגם בו-זמנית בקצב מסוים. חשוב להיות ער על כיצד קצב הדגימה מושפע כאשר משתמשים בכל הערוצים של הממיר. זאת בשל הטכניקה המקובלת המכונה time-interleaved sampling, המשלבת ערוצים רבים כדי להשיג קצב דגימה גבוה יותר. אם הממיר או האוסילוסקופ משתמש בשיטה זו ואתה מנצל את כל הערוצים, אתה עשוי לא להיות מסוגל לרכוש בקצב הרכישה המרבי.
מספר הערוצים הדרושים תלוי במלואו ביישום המיוחד שלך. לרוב שני הערוצים או הארבעה עשויים לא להיות מספיקים עבור יישום נתון, ובמקרה זה קיימות שתי אופציות. הראשונה היא להשתמש במוצר בעל צפיפות ערוצים גבוהה יותר, כגון הממיר NI PXI-5105 בעל 12 ביטים, 60MS/s, 60 מגה-הרץ. אם אינך מסוגל למצוא מכשיר התואם את דרישות הרזולוציה, המהירות ורוחב-הפס שלך, עליך לשקול שימוש בפלטפורמה המאפשרת לך להתאים את ממדי מערכת הבדיקה שלך על-ידי סנכרון הדוק המאפשר תיחול ושעונים מחולקים. בעוד שבלתי-אפשרי למעשה לסנכרן אוסילוסקופים בתיבות מרובות על GPIB או LAN בשל הכמיסות הגבוהה, התפוקה המוגבלת והצורך בחיווט חיצוני, PXI מספק פיתרון מועדף. PXI הוא תקן תעשייתי המוסיף טכנולוגיית סנכרון משופרת לאפיקים קיימים בעלי מהירות גבוהה יותר כגון PCI ו-PCI Express. סנכרון של התקנים מרובים הוא דרישה יסודית עבור יישומים רבים, היכולים להוסיף לעתים קרובות לזמן פיתוח התוכנה. אולם ממירי החברה הבנויים בארכיטקטורת Synchronization and Memory Core
(), יכולים לעשות שימוש ב-NI-TCIk כדי להשיג סנכרון מדויק במאמץ פיתוחי מזערי. NI-TCIk מספק ממשק בעל רמה גבוהה עבור התכנות של סנכרון ממירי החברה מרובים, מחוללי צורות-גל אקראיות והתקני I/O דיגיטליים מהירים. יתר על כן, ישנן מגוון דוגמאות שנכתבו מראש לשם ביצוע סוג זה של סנכרון, העושה את ההתחלה וההרצה עוד יותר קלות. מוצגות להלן שלוש פונקציות (niTCIk Configure for Homogeneous Triggers, niTCIk Synchronize, niTCIk initiate) הדרושות כדי לבצע סנכרון הומוגני על ממירי PXI מרובים כפי שתוכננו בסביבת ה-LabVIEW.

סנכרון מכשור מרובה
כמעט כל היישומים של בדיקה אוטומטית ורבים משולחנות העבודה כוללים סוגים מרובים של מכשירים כגון ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים, מחוללי אותות, נתחי צורות גל דיגיטליים, מחוללי צורות גל דיגיטליים ומתגים.
יכולת התזמון והסנכרון האינהרנטית של מכשירי PXI ו-NI מודולאריים מאפשרת לך לסנכרן את כל סוגי המכשירים הללו ללא צורך בחיווט חיצוני. לדוגמה, אתה יכול לשלב ממיר (דוגמת ה-NI PXI-5122) ומחולל צורות גל אקראיות (כגון ה-NI PXI-5421) כדי לבצע סריקות פרמטרים, דבר שימושי לשם אפיון היענות התדר והמופע של ההתקן הנבדק. הסריקה המלאה יכולה להיות אוטומטית, דבר המדגיש את הצורך בקביעת פרמטרים על הסקופ ומחולל האותות ולאחר זאת ניתוח לא-מקוון. גישה מודולארית עם PXI יוצרת שיפור בסדרי גודל במהירות ומשפרת את היעילות שלך בכך שהיא מאפשרת לך להתמקד בתוצאות ולא בצעדים המעייפים הדרושים כדי להשיג תוצאות אלו.

יכולת לאותות מעורבים
אותה הטכנולוגיה T-CIk המאפשרת ליצור מערכות בעלות עד 136 ערוצים מסונכרנים בכונן PXI יחיד או עד 5000 ערוצים תוך שימוש בכוננים מרובים (כמתואר בפרק הקודם) מאפשרת גם סנכרון של מכשירים מסוגים שונים. לדוגמה, ממיר החברה יכול להיות מסונכרן ב-T-CIk עם מחוללי אותות, מחוללי צורות-גל דיגיטליות ונתחי צורות-גל דיגיטליות לשם בניית מערכות של אותות מעורבים.
במקום להשתמש באוסילוסקופ לאות-מעורב בעל תפקוד דיגיטלי מוגבל, אתה יכול להשתמש בממיר PXI מודולארי עם מחוללי צורות-גל אקראיות ומחולל צורות-גל דיגיטליות/נתחים כדי לבנות יישום של אות מעורב מלא עם היתרונות של אוסילוסקופ ונתח לוגי גם יחד.

תוכנה, יכולת ניתוח והתאמה לדרישות
קביעת יכולות התוכנה והניתוח היא מאוד חשובה כאשר בוחרים בממיר מודולארי או באוסילוסקופ עצמאי עבור היישום שלך, וגורם זה עשוי לסייע לך לבחור בין שני המכשירים.
אוסילוסקופים עצמאיים מוגדרים על-ידי הספק בשעה שממירים אנלוגי לדיגיטלי מוגדרים על-ידי המשתמש וגמישים ביישום שהם יכולים לפתור. אוסילוסקופ בתוך תיבה מספק רבות מהפונקציות התקניות שהם נחלתם של מהנדסים רבים. כפי שאתה יכול לדמיין, פונקציות תקניות אלו לא יענו לכל יישום, במיוחד ליישומי בדיקה אוטומטית. אם אתה צריך להגדיר את המדידות שהאוסילוסקופ שלך מבצע, אתה יכול לבחור בממיר דיגיטלי, הממנף את ארכיטקטורת ה-PC תוך שהוא מאפשר לך להתאים את היישום לדרישות שלך, במקום התפקוד הקבוע של אוסילוסקופ עצמאי.
ממירי החברה מתוכנתים כולם תוך שימוש בתוכנת ההזנה NI-SCOPE החינמית. תוכנה זו מכילה יותר מ-50 תכניות לדוגמה הכתובות מראש אשר מדגישות את התפקוד המלא של ממיר חברה כלשהו, והלוח הקדמי הרך של NI-SCOPE הכלול מספק ממשק מוכר הדומה לאוסילוסקופ. אותה החומרה ניתנת לתכנות עבור מדידות מקובלות ומיוחדות כאחד במגוון רחב של יישומים תוך שימוש בשפות תכנות הכוללות את ה-,
LabWindows/CVI ,Visual Basic ו-NET.
ההתקן תומך גם בפונקציות מבוססות-עיצוב express בתוך ה-LabVIEW.

לסיכום,
נקוט את הצעד הבא
למרות שהן ממירים מודולאריים והן אוסילוסקופים עצמאיים משמשים לרכישת מתחים, המכשירים מציעים יתרונות שונים. אולם, השיקולים שנדונו לעיל הם חשובים באשר רוכשים מכשיר כלשהו. חשיבה מראש על דרישות היישום, אילוצי העלות, ביצועים והתרחבות עתידית עשויים לסייע לך לבחור את המכשיר העונה טוב ביותר לכל הצרכים שלך.

• עיין בתיק הנרחב של אוסילוסקופים מודולאריים והשווה מפרטים או תכונות.