Ladda ner artikeln på 500 kbyte här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

Den vertikala upplösningen hos ett oscilloskop bestämmer hur noggrant signalerna presenteras och bestämmer precisionen hos de mätresultat man får. Tills för några år sedan hade ett typiskt oscilloskop en vertikal upplösning på 8 bitar. Men om signalen man mäter på kräver hög dynamisk upplösning – det vill säga om man skall detaljstudera små spänningskomponenter hos en signal som också innehåller högre spänningar – då är 8 bitar ofta inte tillräckligt för att ge tillräcklig noggrannhet för de aktuella mätningarna. Därför har det under senare tid börjat komma så kallade ”High Definition” oscilloskop med bättre vertikal upplösning.

En möjlighet att förbättra den vertikala upplösningen är att använda A/D-omvandlare med mer än 8 bitars upplösning. En annan möjlighet är att använda algoritmer för digital signalbehandling. Rohde & Schwarz har valt det senare alternativet i sina oscilloskop R&S RTO och R&S RTE med optionerna R&S RTO-K17 respektive R&S RTE-K17 för hög upplösning. På det viset har upplösningen kunnat ökas till maximalt 16 bitar – en förbättring på 256 gånger jämfört med standardfallet där man har 8 bitars upplösning. Detta har man löst med ett digitalt lågpassfilter som implementerats direkt efter A/D-omvandlaren i oscilloskopets asic (figur 1).

Filtret reducerar brusnivån så att signal/brusförhållandet förbättras och därmed också den vertikala upplösningen. Användaren kan ställa bandbredden hos lågpassfiltret från 10 kHz till 1 GHz utifrån vad som krävs för att anpassa det till den inkopplade signalen. Den valda filterbandbredden bestämmer den nominella upplösningen (tabell 1). Ju lägre filterbandbredden är jämfört med instrumentets bandbredd, ju högre blir upplösningen och brusreduceringen (figur 2). Detta illustreras av spektrat i figur 3, där fa är oscilloskopets samplingshastighet, fB är lågpassfiltrets bandbredd och S(f) är den önskade signalen. Om man utgår från att man har rent vitt brus (AWGN), vilket är en bra approximation för en A/D-omvandlare av god kvalitet och antar att man har ett idealt lågpassfilter så fås förbättringen av signal/brusförhållandet enligt formeln: SNRgain = 10log(fa/2fB).

Den förbättrade upplösningen ger tydligare vågformer, som visar detaljer som annars skulle vara dolda av brus och därmed inte heller upptäckas. För att göra det möjligt att analysera dessa små signaler har oscilloskopen R&S RTO och R&S RTE en förhöjd ingångskänslighet av 500 μV/div. Tack vare det lågbrusiga ingångssteget och en mycket exakt Single-Core A/D-omvandlare har oscilloskopen R&S RTO och R&S RTE ett mycket stort dynamiskt område och en mycket god mätnoggrannhet. Om man dessutom kopplar in ”High Definition” funktionen så får man ännu mer exakta mätresultat som visas i figur 4 och figur 5.

Den förbättrade upplösningen hos ett ”High Definition” oscilloskop gör det möjligt att upptäcka även de minsta detaljerna hos en signal. Förmågan att trigga på dessa detaljer så att de kan visas stabilt på skärmen är starkt beroende av triggsystemets prestanda. Det digitala triggsystemet från Rohde & Schwarz har den känslighet som krävs för att ta till vara den högupplösta signalen. Varje enskilt 16-bitars sampel kontrolleras mot triggvillkoren och kan utlösa en triggning (se figur 1). Som framgår av figur 6 kan oscilloskopen trigga även på de minsta signalnivåerna och isolera relevanta signalförlopp så att man kan göra mer detaljerade analyser. Ett traditionellt analogt triggsystem kan däremot inte trigga på sådana här högupplösta signaldetaljer eftersom de döljs av hysteresen hos de analoga delarna av triggsystemet.

Rohde & Schwarz ”High Definition” option för oscilloskop har avsevärda fördelar gentemot decimeringsmetoden ”High Resolution” eller ”HiRes” som används av flertalet oscilloskop på marknaden. För det första har användaren full kontroll över vilken bandbredd som står till förfogande eftersom det är en väldefinierad lågpassfiltrering. För det andra så uppstår ingen oväntad aliaseffekt. ”High Definition” funktionen innehåller ingen decimering. Det betyder att även när funktionen är aktiverad så behåller R&S RTO oscilloskopen fortfarande sin samplingshastighet av 5 GSa/s (2,5 GSa/s för R&S RTE oscilloskopen), så att man har bästa möjliga tidsupplösning. Dessutom tillåter ”High Definition” att man triggar på signalen med förbättrad upplösning, medan däremot ”HiRes” decimering görs efter triggern.

När oscilloskopen R&S RTO och R&S RTE används med ”High Definition” funktionen så innebär det inte att man kompromissar med mäthastighet och optioner. Eftersom lågpassfiltreringen som förbättrar upplösningen och reducerar bruset är implementerad som en realtidsfunktion i oscilloskopets asic, så förblir insamlings- och bearbetningshastighet hög. Oscilloskopen är dessutom lätta att använda och mätresultaten är snabbt tillgängliga. Alla analysverktyg, inklusive automatiska mätningar, FFT och historik förblir tillgängliga när man använder ”High Definition”.

Switchade kraftaggregat är en integrerad del av modern elektronik. De omvandlar elektrisk kraft från en kraftkälla till en last samtidigt som de omvandlar ström och spänning så att de levererar rätt spänning till lasten. Ett möjligt kriterium för att definiera switchade kraftaggregat är typen av ingångs- eller utgångsspänning. Till exempel omvandlar en DC/DC-omvandlare en DC-spänning på ingången till annan DC-spänning på utgången som är antingen högre (uppkonvertering) eller lägre (nedkonvertering). Det finns många applikationer för DC/DC-omvandlare, till exempel i kraftaggregat för PC och laptop till mobiltelefoner och bilar. På grund av deras switchhastighet används ofta MOSFET-transistorer för switchningen, varvid verkningsgraden hos transistorn helt naturligt är en viktig faktor. Förlusteffekten måste, oavsett typ, vara så låg som möjligt. En nyckelparameter i detta fall är RDS(on). När transistorn är i ledande tillstånd fungerar den som ett motstånd mellan drain och source. Värdet på detta motstånd som varierar beroende på arbetspunkt, bestämmer effektförlusten hos omvandlaren.

RDS(on) hos en DC/DC-omvandlare beräknas utifrån drain strömmen och drain-source spänningen. Båda måste därför mätas noggrant. Mätningen av drain-source spänningen är en speciell utmaning när man mäter med oscilloskop. När transistorn är i tillslaget läge är spänningen väldigt låg, i storleksordningen några hundra mV. Däremot när transistorn är i frånslaget läge kan spänningen vara mycket hög. I extremfall kan skillnaden i spänningsnivå när transistorn är i tillslaget läge och i frånslaget läge skilja flera hundra volt. Som framgår av figur 7 och figur 8, så krävs mer än 8 bitars upplösning för att man skall kunna göra noggranna mätningar av de låga spänningarna.

Den övre halvan av figur 7 visar en komplett switchperiod hos en MOSFET-transistor, medan den undre halvan visar en inzoomad del av drain-source spänningen som mäts. Bruskomponenten är alltför stor för att tillåta någon tillförlitlig mätning av drain-source spänningen. Om man i stället slår på ”High Definition” funktionen och använder en vertikal upplösning av 16 bitar, så reduceras brusnivån väsentligt, vågformen blir skarpare och visar mer detaljer (figur 8). På så sätt försäkrar man sig om noggranna mätresultat och det är möjligt att beräkna RDS(on) för omvandlaren.

För att få en fullständig bild av det hela måste det påpekas att en Rogowskispole användes för att mäta drain strömmen i detta exempel. Rogowskispolen fångar bara AC-komponenten hos signalen, vilket betyder att vågformen för strömmen måste ha en DC-offset. Därför är det inte tillräckligt att dividera individuella spänningsvärden med motsvarande strömvärden för att beräkna ett korrekt värde för RDS(on). I stället måste man göra en differentiell ansats. När transistorn slås till ökar både drain-source spänningen och drainströmmen i det närmaste konstant under en definierad tidsperiod. Som framgår av figur 9, beräknas därför RDS(on) baserat på ΔuDS och ΔiD under denna tidsperiod.

Man använder ”High Definition” oscilloskop i applikationer som kräver en förbättrad vertikal upplösning. Detta är fallet primärt när testsignalen har ett stort dynamiskt omfång. En flexibel metod för att realisera ”High Definition” är genom digital signalbehandling. ”High Definition” funktionen hos oscilloskopen R&S RTO och R&S RTE ger en upplösning av upp till 16 bitar. Signaldetaljer som annars skulle förbli oupptäckta för att de dolts av brus blir nu synliga och ger mer noggranna mätresultat. Det digitala triggsystemet tillåter också triggning på detaljer i signaler vilket gör att man kan isolera intressanta förlopp. Varje grundenhet kan förses med option R&S RTO-K17 respektive R&S RTE-K17 för att lägga till ”High Definition” funktionen. Användaren kan därför vara flexibel och anpassa instrumentet när behovet uppstår. På så sätt kan användaren dra nytta av både instrumentets höga bandbredd (upp till 4 GHz för R&S RTO och upp till 2 GHz för R&S RTE) och den förbättrade vertikala upplösningen med ”High Definition” funktionen.