מהפכת רזולוציה וורטיקלית בתחום האוסצילוסקופים

טוני מינצ’ל
Teledyne LeCroy

סקירה כללית
מזה מספר שנים שהארכיטקטורה המסורתית של האוסצילוסקופים האנלוגיים פינתה את מקומה לארכיטקטורה דיגיטלית. נראה שהחידושים האחרונים בתחום האוסצילוסקופים הדיגיטליים, יכולת האבחון הגבוהה של ממיר ADCs12 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.

מהפת רזולוציה וורטיקלית בתחום האוסצילוסקופים
בפניכם מסמך לדיון בנוגע לחידושים האחרונים ברזולוציה האנכית של אוסצילוסקופים עם הצגת ממירי A/D בני 12 סיביות, מגברים בשיעורים גבוהים של יחס אות לרעש (signal-to-noise) ומערכת עם ארכיטקטורת רעש נמוך.

ההיסטוריה של האוסצילוסקופ
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.

יתרונות האוסצילוסקופ הדיגיטלי
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 שתי צורות הגל כקבצי נתונים
יכולת הדפסה או שמירת התמונות כקובץ jpeg
אפשרות 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
קיזוז למחברים Probes de-embedding
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 (או בצורות גל מוגדלות). לפני מהפכת האוסצילוסקופ הדיגיטלי, אלה היו ערכי דיוק מצוינים, אולם האוסצילוסקופ הדיגיטלי הצניח את רמת הדיוק ל- 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-26 או 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 אם 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 (תרשים 1) 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 2 אנו רואים בבירור את מצבי הנתונים של הערוץ הטורי באות הצהוב, אולם המיצוע של 16 המופעים 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. תוכלו לראות בקלות זאת על ידי השוואה של האות הצהוב זה עם המקביל שבעמוד 2. 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 מארץ מ-256 רמות המתח הנבדלות שמפיק ממיר D/A בן 8 סיביות. למרבה הצער, אוסצילוסקופים בעלי מצבים של רזולוציה מוגברת או גבוהה לוקים 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 על קצב 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.
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.
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.

טכנולוגיית אוסצילוסקופים בני 12 סיביות אמתיות
אוסצילוסקופים בני 8 סיביות היו בשימוש במשך 30 השנים האחרונות ולאורך הזמן, נתנו תצוגה של 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 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.
אם תסתכלו לעיל 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.
הדוגמה הנוספת מוצגת להלן מציגה שוב את יתרונות הארכיטקטורה בת 12 הסיביות על פני זו בת 8 הסיביות, כשהפירוט העדין של ראש הגל הרבוע ברור לאין ערוך עם הרזולוציה הנוספת שמניב ממיר D/A בן 12 סיביות אמיתי.
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.

המאמר נכתב על ידי טוני מינצ’ל, מהנדס יישומים, Teledyne LeCroy
הכתבה נמסרה באדיבות חברת רדט ציוד ומערכות