מהפת רזולוציה וורטיקלית בתחום האוסצילוסקופים

אוסצילוסקופים בני 8 סיביות היו בשימוש במשך 30 השנים האחרונות ולאורך הזמן, נתנו תצוגה יכולת מצוינת, אולם ‏ברור מהצורך למיצוע או לרזולוציה מוגדלת או גבוהה שיש צורך ברזולוציה גבוהה עוד יותר.

Long memory, high sample rate and easy to use zoom capabilities


מזה מספר שנים שהארכיטקטורה המסורתית של האוסצילוסקופים האנלוגיים פינתה את מקומה לארכיטקטורה דיגיטלית. נראה שהחידושים האחרונים בתחום האוסצילוסקופים הדיגיטליים, יכולת האבחון הגבוהה של ממיר ADCs 12 סיביות בקצב דגימה גבוה, מגברים בעלי יחס אות לרעש (signal-to-noise) גבוה וארכיטקטורת מערכת נמוכת רעש הכינו את השטח למהפכה בתחום האוסצילוסקופים הדיגיטליים ושיפרו את ביצועיהם לאין ערוך.

את האוסצילוסקופים הראשונים ניתן היה למצוא במעבדות כבר בתחילת המאה העשרים. אלה כללו מדידת מתח אנכית לאורך קו זמן אופקי, אולם בלי רבים מהשכלולים שהופיעו מאוחר יותר. טכנולוגית האוסצילוסקופים ביצעה זינוק קדימה בשנת 1946 כאשר נוספו מעגלי מיתוג, דבר שהביא להתפתחות האוסצילוסקופ האנלוגי המודרני. בתחילת שנות ה-80 הופיעו האוסצילוסקופים הדיגיטליים הראשונים והפכו לטכנולוגיה המרכזית בעוד המכשירים האנלוגיים כמעט נעלמו מהשוק עד לימינו.

התפתחות האוסצילוסקופים הדיגיטליים הביאה ליתרונות רבים של הטכנולוגיה החדשה על פני הטכנולוגיה האנלוגית הנעלמת. בין יתרונות אלה ניתן למנות את הבאים: אגירת נתונים בזמן אמת, הצגת אות ללא התעמעמות או סנוור, שיפור בדיוק המדידה האופקית, צפייה בצורת הגל לפי תנאי עירור, אפשרות לשמור את צורות הגל כקבצי נתונים, יכולת הדפסה או שמירת התמונות כקובץ jpeg ואפשרות לשליטה מרוחקת.

יתר על כן, הזרם המתמיד של החידושים והפיתוחים מאז כניסת האוסצילוסקופ הדיגיטלי בשנות השמונים הכניס יתרונות חדשים וחשובים לא פחות. שיטות עירור (Triggering) מתוחכמות, מדידות אוטומטיות, זיכרון עמוק יותר, רוחבי פס גדולים יותר לאגירת נתונים, עיבודים מתמטיים מתקדמים, ועיבודים מתמטיים בזמן אמת על צורות גל, קידוד ופיענוח קווים טוריים בקצב גבוה ובקצב נמוך, בדיקה עובר/ נכשל, ניתוח Jitter וקיזוז למחברים Probes de-embedding.

[שיטות עירור מתוחכמות ‏באוסצילוסקופ דיגיטלי מודרני]

דיוק אופקי באוסצילוסקופים דיגיטליים

האוסצילוסקופ הדיגיטלי הביא לשיפור משמעותי בתחום הדיוק בציר האופקי ואתו שיפור דרמטי בדיוק המדידה בציר האופקי במשתנים כגון תדירות, רוחב, Duty Cycle, פאזה, השהייה, הטיה וכד' ואפשור מדידות מתוחכמות יותר כדוגמת Jitter.

לאוסצילוסקופ אנלוגי טיפוסי הייתה רמת הדיוק של ±3% (או ±5% בצורות גל מוגדלות). לפני מהפכת האוסצילוסקופ הדיגיטלי, אלה היו ערכי דיוק מצוינים, אולם האוסצילוסקופ הדיגיטלי הצניח את רמת הדיוק ל-±0.01%, קרי שיפור של פי 300 לעומת ה-3% של האוסצילוסקופ האנלוגי, דבר שהתבטא בסקופ הדיגיטלי בשיפור עצום בדיוק מדידה אופקי. הדיוק האופקי של אוסצילוסקופים דיגיטליים מודרניים רבים מגיעה לתחומים של ±0.0005% ואף טוב יותר.

דיוק אנכי באוסצילוסקופים דיגיטליים

האוסצילוסקופים הדיגיטליים הראשונים יצאו עם ממירי D/A בני 6 סיביות. הדבר שווה ערך ל-64 רמות מתח נבדלות זו מזו. תוך כשנתיים, עברו כל ארכיטקטורות האוסצילוסקופים הדיגיטליים לממירי D/A בעלי 8 סיביות, שהניבו 256 רמות מתח נבדלות. ממירי ה-A/D בעלי 8 הסיביות היו בשימוש במשך 30 השנים האחרונות כשמרבית השיפורים בביצועי הסקופים נבעו ממהירות דגימה גבוהה יותר שאפשרה מהירות גבוהה יותר באגירת נתונים בזמן אמת.

בעוד שממירי ה-D/A בעלי 8 הסיביות נתנו ביצועים טובים מאוד ליישומים כלליים, תמיד הייתה השאיפה להתבונן בנתונים לאחר אגירתם להגיע לרמת פירוט גבוהה.

הצורות המסורתיות לעקוף את הבעיה ולהביא לשיפור הרזולוציה האנכית עירבו ביצוע מיצוע של הנתונים שנאגרו פעמים מרובות או שימוש במסנן מתמטי בעל רזולוציה גבוהה המופעל על הנתונים שנאגרו.

ריבוי מיצועים על נתונים שנאגרו

ביצוע מיצוע מספר רב של פעמים על נתונים שנאגרו מערב אגירה של צורות גל רבות ומיצוע כל נקודה לאורך באגירה, עם אותה נקודה באגירה הקודמת. הרעיון שעומד מאחורי זה, הוא שרעש שאינו מתואם, יפיק מיצוע שיניב מדידות מתח אנכיות מדויקות יותר עם "חלקים" אנכיים יעילים יותר.

התרשים הממוצע למעלה מציג בבירור תוצאות משופרות , כפי שניתן לראות , שכמשווים את תמונת האות היחיד (הצהוב) עם אות המורכב (האדום) ממוצע של 16 פעמים . ניתן לראות את השיפור בבירור בחלון הזום התחתון.

למרבה הצער, דברים לא תמיד כה פשוטים. למשל, מספר אוסצילוסקופים לא יבצעו זום על אות שעבר מיצוע , כך שכאשר מתבצע זום על אות הממוצע, למעשה מוצגת האגירה האחרונה שאינה ממוצעת.

חיסרון נוסף עם שיטת המיצוע היא שלא ניתן להפיק ממוצע של צורות גל שאינן חוזרות על עצמן, כמו למשל צורות גל של אתחול מעגל או של כיבוי כללי או צורת גל של PRBS (רצף בינארי פסיאודו אקראי) או אף צורת גל של נתונים טוריים. על כל צורת גל שאינה חוזרת על עצמה מטבעה, לא ניתן לבצע מיצוע מבלי לקבל תצוגה חסרת משמעות.

בתרשים לעיל אנו רואים בבירור את מצבי הנתונים של הערוץ הטורי באות הצהוב, אולם המיצוע של 16המופעים של ערוץ הנתונים הטורי שבאות האדום חסר כל משמעות מכיוון שלמעשה המיצוע חסר כל מידע שמיש או משמעותי. לכן ברור שאין להשתמש במיצוע לניתוח ערוץ טורי או לכל צורת גל אחרת שאינה חוזרת על עצמה. אות הצהוב "עבה" יחסית בשל הרעש שמצוי בערוץ הטורי הדיגיטלי.

רזולוציה מוגברת של אוסצילוסקופ דיגיטלי או מצב רזולוציה גבוהה

מצב זה הוא פילטר מתמטי שלאחר התהליך המשתמש בדגימות אגירת צורות גל שכנות זו לזו על מנת להפיק בצורה מתמטית תצוגת צורות גל ברזולוציה אנכית משופרת. היתרון בכך הוא שלמעשה אוסצילוסקופ בן 8 סיביות יכול להפוך לאוסצילוסקופ בן 11 ואף 12 סיביות ולהציג רמת דיוק בהתאם. 11 סיביות שוות ערך ל-2048 רמות מתח נבדלות ו-12 סיביות ל-4096, מרחק שמיים וארץ מ-256 רמות המתח הנבדלות שמפיק ממיר D/A בן 8 סיביות.

למרבה הצער, אוסצילוסקופים בעלי מצבים שלוקים בחסר בכך שהשיפור ברזולוציה אנכית בא על חשבון רוחב הפס.

כמו כן, הויתור על רוחב הפס של מצבי הרזולוציה המוגברת או הגבוהה אינו כה פשוט מכיוון שהוא תלוי בקצב דגימת צורות הגל שנאגרו למעשה. קצב הדגימה עשוי להיות תלוי בגורמים אחרים כגון עומק הזיכרון הזמין לאגירה והגדרות בסיס הזמן של האגירה. כאשר בסיס הזמן משתנה, כך גם עשוי להשתנות קצב הדגימה, אם אין זיכרון מספיק לממיר ה-D/A לפעול במהירותו הגבוהה ביותר. למטה תוכלו לראות טבלאות המשוות את רוחב הפס של שני אוסצילוסקופים בקצבי דגימה מרביים שונים.

אוסצילוסקופ מוגדר לקצב דגימה של 10 GS/s

אוסצילוסקופ מוגדר לקצב דגימה של 2.5 GS/s

סיביות נוספות

- 3dB point

סיביות נוספות

- 3dB point

0 (ללא)

רוחב פס מלא

0 (ללא)

רוחב פס מלא

סיבית 1 נוספת

301.2 MHz

סיבית 1 נוספת

1.205 GHz

2 סיביות נוספות

72.5 MHz

2 סיביות נוספות

290 MHz

3 סיביות נוספות

20 MHz

3 סיביות נוספות

80 MHz

נראה שלשני האוסצילוסקופים‎ ‎המתוארים לעיל ביצועים נכבדים "על הנייר", אולם כאשר אנו בוחנים את ביצועי רוחב ‏הפס שלהם כשהרזולוציה המוגברת או הגבוהה מופעלת, אנו יכולים לראות בבירור את הויתור של רוחב הפס ‏ברזולוציה האנכית בקצבי הדגימה האפשריים.‏

אוסצילוסקופ אנלוגי ברוחב פס של 4GHz עם ממיר D / A 40GS/s המציג נקודת תדירות רוחב פס -3dB במגוון הגדרות רזולוציה מוגברת או גבוהה במגוון קצבי דגימה.

40GS/s - 3dB

20GS/s - 3dB

10GS/s - 3dB

5GS/s - 3dB

2.5GS/s - 3dB

1GS/s - 3dB

סיבית 1 נוספת

4.82 GHz

2.41 GHz

1.205 GHz

602.5 MHz

301.2 MHz

120.5 MHz

2 סיביות נוספות

1.16 GHz

580 MHz

290 MHz

145 MHz

72.5 MHz

29 MHz

3 סיביות נוספות

320 MHz

160 MHz

80 MHz

40 MHz

20 MHz

8 MHz

רעיון זה הוצג בהרחבה בטבלה לעיל על מנת להציג כיצד רוחב הפס משתנה ביחס לקצב הדיגיטציה ומספר הסיביות האנכיות הנוספות.

כמו כן, עלינו לזכור שקצב הדיגיטציה של אוסצילוסקופ ישתנה בכפוף לעומק הזיכרון הזמין לאגירה והגדרות בסיס הזמן. ככל שבסיס הזמן נקבע לערך האיטי יותר, כך יש צורך בזיכרון רב יותר על מנת לתמוך בקצב הדגימה הגבוה. ישנה נקודה בה לא נותר זיכרון, דבר המוביל לשינוי קצב הדגימה בצורה אוטומטית על ידי האוסצילוסקופ, כלומר לשינוי "דינמי" של רוחב הפס ה--3dB של האוסצילוסקופ.

ישנם אוסצילוסקופים שיפיקו קריאה של רוחב הפס כאשר מסנני הרזולוציה המוגדלת או הגבוהה בשימוש, כפי שמודגם למטה, בעוד שאחרים לא יעשו כן.

[דוגמה לקריאות רוחב פס ‏‎-3dB‎‏ שונות בהגדרות רזולוציה מוגדלת או גבוהה של אוסצילוסקופ ]

טכנולוגיית אוסצילוסקופים בני 12 סיביות אמתיות

אוסצילוסקופים בני 8 סיביות היו בשימוש במשך 30 השנים האחרונות ולאורך הזמן, נתנו תצוגה יכולת מצוינת, אולם ‏ברור מהצורך למיצוע או לרזולוציה מוגדלת או גבוהה שיש צורך ברזולוציה גבוהה עוד יותר. בימינו, מרבית יצרני ‏אוסצילוסקופים מנסים להפוך הבדלה בת 256 רמות ל-4096 רמות דיסקרטיות בצורה מתמטית. זו משימה קשה ‏הכרוכה במגבלות שמציבים בפניהם היישומים שונים כפי שראינו.‏ לחברת ‏Teledyne LeCroy‏ המיוצגת בארץ על ידי חברת RDT, מגוון של אוסצילוסקופים בני 12 סיביות אמיתיים (קרי שלא בצורה מתמטית) המאפשרים ‏למשתמשים להגיע למדידות מדויקות יותר בלי להזדקק למגבלות של מיצוע או של מצבי רזולוציה מוגדלת או גבוהה.‏ בהמשך תוכלו לראות לכידה של אירוע של ניתוק מעגל ממקור מתח. האגירה העליונה נעשתה באוסצילוסקופ בן 8 ‏סיביות בעוד שהתחתונה נעשתה באוסצילוסקופ בן 12 סיביות אמיתי.‏ יתרונה של טכנולוגית 12 הסיביות ברורה לעין. צורות הגל נקיות יותר וברורות ללא הצורך לביצוע מיצוע או ליצור ‏מצב של רזולוציה גבוהה באמצעים מתמטיים.‏

לסיכום, ברור לעין שהשיפור פי-16 בתוצאות המתקבלות ברזולוציה האנכית שמציגה הטכנולוגיה בת 12 הסיביות ‏האמיתית על פני הטכנולוגיה בת 8 הסיביות תורם בצורה משמעותית לדיוק המדידות שמבצעים באמצעות ‏האוסצילוסקופים של ימינו ולבהירותן. יצרני אוסצילוסקופים בני 8 סיביות רבים ימליצו לבצע מיצוע או להשתמש ‏במצבי רזולוציה גבוהה על מנת להגיע לאותה מטרה, אולם התוצאה לא תהיה זהה לזו שהצגנו לעיל. יתרה על כך, ‏אם מיצוע ושימוש במצבי רזולוציה גבוהה זמינה ל"ניקוי" האות, אלה יהיו אף זמינים באוסצילוסקופים של ‏Teledyne ‎LeCroy‏ המתבססים על טכנולוגית 12 סיביות, מכיוון שהם נכללים בהם.‏

לא ניתן להפריז בחשיבות אגירת צורת הגל הטובה ביותר לפני ביצוע המדידה או ביצוע מניפולציות מתמטיות נוספות. ‏דבר זה מושג על ידי שיפורים פי-16 בדיוק האנכי שמביאה טכנולוגיה ההאגי בת 12 הסיביות על פני הטכנולוגיה ‏המבוססת על 8 סיביות.‏

טוני מינצ'ל הוא מהנדס יישומים בחברת ‏Teledyne LeCroy‏.

 

 

אולי יעניין אותך גם

הפגנה במינסק, בירת בלארוס, בחודש נובמבר האחרון. צילום: REUTERS/Stringer

ארה״ב משיתה סנקציות נוספות על בלארוס

זאת בשל הפרת זכויות האדם המתרחשת במדינה מאז הבחירות לנשיאות בקיץ האחרון, המוקעות כמזויפות, בהן ניצח שוב הרודן לוקשנקו. בלינקן: ״דיכוי אלים של העם הבלארוסי״