אוסילוסקופים ו- ENOB

מאת: ג’ואל וודוורד ובריג אסיי – Agilent Technologies

בעת בחירת האוסילוסקופ המתאים למדידות קריטיות, נודעת חשיבות עליונה להבנת האיכות של מערכת המדידה של הסקופ. מפרטים כגון רוחב פס, קצב דגימה ועומק זיכרון מהווים אמנם בסיס להשוואה, אולם הם לבדם אינם מתארים בצורה מספקת את איכות המדידה של האוסילוסקופ. משתמשי אוסילוסקופים מנוסים יבצעו בנוסף השוואה של קצב העדכון, הרעש הפנימי ורצפת הרעש של הסקופ – נתונים המאפשרים מדידות טובות יותר. במקרה של סקופים שרוחב הפס שלהם מצוי בטווח הג’יגה-הרץ, מדד איכות נוסף כולל גם את אפיון הממיר האנלוגי לדיגיטלי של הסקופ (ADC) באמצעות מספר אפקטיבי של ביטים (ENOB). בעת בחירת האוסילוסקופ המיועד לשימוש, עד כמה משמעותיים נתוני ה-ENOB לחיזוי דיוק המדידה של הסקופ?
תהליך התכנון של ארכיטקטורות המאפשרות דיוק מדידה כרוך בשימוש בבלוקי front-end ובבלוקים של טכנולוגיית ADC. ה-front end של האוסילוסקופ מווסת את האות הנדגם, על מנת לאפשר ל-ADC לבצע דיגיטציה נאותה של האות. ה-front end כולל מנחת, קדם-מגבר וניתוב מסלולי (path routing).
מהנדסים אשר מתכננים סקופים מקדישים מאמצים ניכרים לפיתוח front-ends אשר מתאפיינים בהיענות תדר שטוחה, רעש נמוך ו-frequency roll-offs. לאור הדרישות הייחודיות המאפיינות את טכנולוגיית ה-ADC, כל יצרן סקופים מתכנן התקני ADC משלו. פיתוחו של front end או ADC חדש מצריך השקעה משמעותית. לפיכך, בלוקי הטכנולוגיה המתקבלים יהיו בשימוש לרוחב מספר משפחות ודורות של סקופים. צוותי התכנון של הסקופים ממקסמים את מידת הדיוק של הסקופ כאשר בלוקי הטכנולוגיה גורמים לשינוי המזערי ביותר במדידת האותות הנדגמים.
בעוד שהמשתמשים יכולים לאפיין את שילוב ה-ADC וה-front-end, הם אינם יכולים לאפיין בקלות את בלוקי הטכנולוגיה הנפרדים. ניתן לאמוד את איכות המדידה של ה-front end של האוסילוסקופ בשלל דרכים. לרוב, יצרני האוסילוסקופים משתמשים במדידות רעש ובנתוני ENOB כמאפיינים יעילים להגדרת איכות התכנון של ה-front end וה-ADC. לעתים קרובות, מומלץ לבחון את ביצועיו הכוללים של האוסילוסקופ ולא להסתפק בהערכה נפרדת של ה-ENOB או של רצפת הרעש בלבד.
אפיון רצפת הרעש של האוסילוסקופ בהתאם להגדרות אנכיות שונות ולערכי היסט שונים מהווה קריטריון מעולה לזיהוי איכות המדידה של הסקופ. מדידות אלה מבהירות למשתמש עד כמה הצליח צוות התכנון של האוסילוסקופ בהפקת front-end וממיר ADC שקטים. רעש האוסילוסקופ מוסיף ריצוד בלתי רצוי ופוגם במרווח התכנוני. בדרך כלל, ככל שרוחב הפס של האוסילוסקופ גדול יותר, כך רב יותר הרעש הפנימי שמפיק האוסילוסקופ בעת שהוא מקבל רעש צבור מתדרים גבוהים, אשר נדחים באמצעות יכולת סינון התדרים הנמוכים המאפיינת סקופים בעלי רוחב פס קטן יותר. אחת השיטות הפשוטות ביותר לאפיון רעש הסקופ כוללת את ניתוק כל מקורות הכניסה ומדידת נתוני מתח ה-RMS, תוך שינוי ההיסט והרגישות האנכית כאחד.
תקני ה-IEEE הגדירו שיטה המאפשרת לקבוע את איכותם של ה-ADCs באמצעות ENOB. האוסילוסקופים הקיימים כיום בשוק משתמשים לרוב בשתי ארכיטקטורות ADC – ממירים “מצונררים” (Pipelined ADCs) או ממירי הבזק (Flash ADCs). ממירים מצונררים משתמשים בשני שלבי subranging או יותר לצורך השגת קצב דגימה גבוה יותר: לדוגמה, האוסילוסקופ 90000A Series כולל ADC של 20GSa/s, אשר משלב 80 תת-נושאים של 256MSa/s במטרה להשיג קצב דגימה גבוה. למרבה העניין, ובניגוד לסברה הרווחת, סקופים מסוימים מספקים מדידה מדויקת יותר דווקא כאשר אינם פועלים בקצב הדגימה המהיר ביותר שלהם, וזאת בגין עיוות interleaving אשר עלול להופיע בעת שימוש בקצבי הדגימה הגבוהה ביותר והוספה של רעש בתדרים גבוהים. ממירי הבזק מצוידים במאגר של קומפרטורים (משווים) אשר דוגמים את אות הכניסה במקביל, כאשר כל אחד מהם מבצע ייחוס לטווח המתחים המקודד שלו. מאגר הקומפרטורים מזין בתורו מעגל לוגי, אשר מייצר קוד עבור כל טווח מתחים*. כל טכנולוגיית התמרה מתאפיינת במגבלות מובנות משלה; לדוגמה, ממירי ההבזק מועדים יותר לשגיאות ליניאריות, בעוד שהממירים המצונררים נוטים יותר להתאפיין בשגיאות interleaving. במסגרת ה-IEEE פותח תקן ה-ENOB, במטרה לסייע למשתמשים בהגדרת איכותם של הממירים השונים.
יצרני הסקופים מבצעים אפיון פנימי של התקני ADC עצמאיים. הם אף מאפיינים את נתוני ה-ENOB הכוללים של מערכות סקופים. שיעור ה-ENOB של המערכת יהיה נמוך מן ה-ENOB של ADC נפרד. כיוון שה-ADC של הסקופ מהווה חלק ממערכת כוללת ואינו ניתן לשימוש באופן נפרד, רק תוצאות ENOB שמתקבלות מן המערכת הכוללת הן שימושיות.

בדרך כלל, המשתמשים מנצלים פחות מ-8 הביטים המלאים המאפיינים את ממיר ה-ADC של הסקופ. לדוגמה, כדי לנצל את הטווח האנכי המלא של 8 ביט, המשתמשים יידרשו להגדיל את קנה המידה של צורות הגל עד לכיסוי הטווח האנכי כולו. הדבר יקשה על קריאת האות והמשתמש יסתכן במצב רוויה של ה-ADC – מצב שעלול לגרום להשפעות בלתי רצויות. עבור אותות אשר קנה המידה שלהם מוגדל עד לכדי כיסוי של 90% מן הטווח האנכי, המשתמש מצמצם את מתמר ה-8 ביט של הסקופ ל-7.2 ביט (90%*8 ביט). רעשי front-end, עיוות הרמוני ועיוות interleaving יפגמו אף הם באפקטיביות של ה-ADC.

מהו ה- ENOB
וכיצד הוא נמדד?
ה-ENOB נמדד בעת סריקת תדרים של גל סינוס בעל אמפליטודה קבועה. מדידות המתח המתקבלות נלכדות ועוברות הערכה. ה-ENOB  מחושב באמצעות שיטות time-domain (תחום זמן), על-ידי הפחתת ה-voltage versus time בעל ההתאמה התיאורטית הטובה ביותר מן השיעור הנמדד. ההפרש הוא הרעש. מקור הרעש יכול להיות במאפיינים כגון אי-ליניאריות פאזית ותנודות אמפליטודה המתקיימות בעת סריקת תדרים ב-front-end של הסקופ. הרעש אף יכול להיגרם על-ידי עיוות interleaving שמקורו ב-ADCs. בעת הערכה של אותו אות ב-frequency domain, ה- ENOB מחושב על-ידי הפחתת העוצמה המשויכת לטון הראשוני מעוצמת הפס הרחב במלואו. שתי הטכניקות מספקות תוצאות זהות.
כאשר אתה מבצע מדידות ENOB או מנתח מדידות ENOB שבוצעו לא מכבר על-ידי יצרן הסקופ שלך, קח בחשבון את הנקודות הבאות. תוצאות ה-ENOB מושפעות מן הטוהר הספקטראלי של המקור שבו נעשה שימוש. ראשית כל, על המקור והמסננים הנלווים להבטיח כי ENOB המקור יהיה גדול יותר מ-ENOB הסקופ. שנית, ערכי ה-ENOB יהיו כפופים ליחס האמפליטודה שבין אות המקור לבין אמפליטודת המסך המלא של הסקופ. ערכי ה-ENOB יהיו שונים כאשר המקור מייצג 75% מן המסך המלא או 90% מן המסך המלא. תקן JDEC משתמש ב-90% מן המסך המלא כאמפליטודה המומלצת לחישוב ה-ENOB. כל השוואה של בדיקות או מפרטים של ביטים אפקטיביים נדרשת להתייחס אל אמפליטודת אות הבדיקה ואל התדרים.

מה היתרון של ENOB?
ה-ENOB יכול לשמש כמדד טוב לצורך זיהוי איכות הסקופ. כאשר לסקופ ENOB טוב, הוא יתאפיין בשגיאות תזמון מינמליות וב-spurs מינימליים של תדרים (נגרמים לרוב על-ידי עיוות interleaving), כמו גם ברעש נמוך בפס רחב. אם היישום שלך מסתמך בעיקר על גלי סינוס, ה-ENOB יהווה קריטריון יעיל לבחירת סקופים.

מה לא נכלל ב- ENOB?
ה-ENOB מהווה אמנם מדד ל”איכות” ה-ADC וה-front-end, אולם קיימים מאפיינים מסוימים שהוא אינו מכסה. ה-ENOB אינו מתייחס להיסט, חריגות פאזה או עיוות בהיענות הדר. איור 2 מראה אות כניסה ואת הצגתו של אות זה בשני סקופים שונים. אף על פי ששני הסקופים מתאפיינים ב-ENOB זהה, תצוגת אות הכניסה המופיעה  באיור 2 מדויקת יותר באופן דרמטי באחד משני הסקופים.
ENOB אינו מתייחס לשגיאות ההיסט שעלולות להיגרם על-ידי הסקופ. שני סקופים שלהם ENOB זהה עשויים להציג צורות גל זהות, אשר כפופות להיסט שנגרם בגין הבדלים במתח האבסולוטי. כוונון ההיסט ומדידת הרעש או הערכה של מפרטי שבח DC עשויים להוות מדד הערכה טוב יותר.
באופן אידיאלי וכדי להקל על בחירת הסקופ המתאים, כל הסקופים צריכים היו להתאפיין בהיענות תדר ופאזה שטוחה וכן במאפייני roll off זהים. עם זאת, לא כך הם פני הדברים בפועל ותרשימי היענות תדר אינם כלולים לרוב בגיליונות הנתונים של היצרנים. בנוסף, ENOB אינו מתייחס לשטיחות של היענות התדר או לחריגות פאזיות. בפועל, לכל דגם של אוסילוסקופ היענות תדר וחריגות פאזיות משלו. לדוגמה, שני דגמי סקופים הפועלים בתדר של 6 גה”צ יפיקו צורות גל שונות בעת בדיקת סינוס של 2.1 גה”צ. אחד הסקופים עשוי להתאפיין ב-roll off איטי יותר של רוחב הפס ובאלגוריתמים מינימליים של תיקון פאזה, בעוד שהסקופ האחר עשוי להציג היענות תדר אשר חורגת אל מעבר ל-6 גה”צ לפני ביצוע ה-roll off, כמו גם אלגוריתמים משמעותיים של תיקון פאזה. הסקופ המתאפיין ב-ENOB הגבוה יותר אינו בהכרח הסקופ אשר מספק את התצוגה המדויקת יותר של אות הכניסה.

כיצד אוכל להגדיל  את ה-ENOB של הסקופ שלי?
התשובה המתבקשת מאליה היא לרכוש אוסילוסקופ בעל ENOB גבוה יותר מלכתחילה. אם יתבקשו, יצרני הסקופים יספקו את ערכי ה-ENOB הכולל עבור כל דגמי הסקופים. רוב האוסילוסקופים מן הקצה העליון מצוידים במסנני הגבלת רוחב פס, שניתנים לבחירה על-ידי המשתמש. הפעלת המסנן מגבילה את רוחב הפס של האוסילוסקופ. הדבר מגביל את תכולת התדרים הגבוהים, כולל שגיאות ה-interleaving והרעש, ומסייע להגדלת ה-ENOB. לסיום, אוסילוסקופים יכולים להשתמש במצב averaging או high res עבור אותות חוזרים, לצורך הפחתת רעשי הפס הרחב. השימוש במצבים אלה יכול להוות כלי יעיל ביותר להשגת דיוק מדידה משופר.

עד כמה חשוב ה-ENOB לבחירת הסקופ המתאים?
הדבר תלוי במידה רבה בנתון אותו אתה מנסה למדוד, ובמידה שבה ה-ENOB ישפיע על תוצאת המדידה שלך. ללא ספק, יש לעיין בתרשימי ה-ENOB בשילוב מדידות רצפת הרעש. נתונים טוריים מהירים במיוחד מתאפיינים בהרמוניות המופיעות בתדרים ספציפיים מאוד ואשר עשויות לעבור דרך מערכת המדידה מבלי שיושפעו כמעט על-ידי הירידה במספר הביטים האפקטיביים. במקרה של אלה, רצפת הרעש של הסקופ עשויה להוות אינדיקטור טוב יותר לדיוק המדידה. אם האותות שלך הם בעיקרם גלי סינוס בסיסיים – כמו במקרה של יישומים מסוימים של המגזר הביטחוני – ה-ENOB עשוי להוות קריטריון מצוין. בקש מן היצרן את תרשים ה-ENOB של דגם הסקופ הספציפי, שבו אתה שוקל להשתמש. חשוב שתדע מהם ביצועי הביטים האפקטיביים של המכשיר שבאמצעותו תבחר לבצע מדידות על פני רוחב הפס המלא של המכשיר – שכן ה-ENOB משתנה בכפוף לתדר.