Annons

High resolution betyder inte alltid hög upplösning

I sin egen blogg, eBlogger, beskriver Joel Avruin betydelsen av effektiva bitars upplösning i oscilloskop. Han startade sin karriär som field application engineer vid Tektronix, blev sedan account manager och är idag regional försäljningschef i Baltimore.

Som många inom elektronikindustrin, älskar jag teknik. Jag arbetar för Tektronix och blir riktigt entusiastisk när vi är först ut med att introducera ny teknik, som exempelvis Tektronix MDO4000, Mixed Domain Oscilloskop. Men jag är lika intresserad av innovationer från andra test- och mätföretag.
Förra året, introducerade Teledyne LeCroy ett nytt oscilloskop,  WaveRunner HRO, eller som man kallar det: High-Resolution Oscilloscope. I år döpte man om det till HDO ( High-Definition Oscilloscope). Tanken var att använda en 12-bitars a/d-omvandlare I stället för en 8-bitars för att samla in en kurva. En 8-bitars a/d-omvandlare definierar en kurva i 256 spänningsnivåer, rent teoretiskt skulle då en 12-bitars a/d kunna definiera en kurva i 4096 spänningsnivåer – en stor förbättring i upplösning.
Nyligen har Agilent introducerat  DSO9000H, ett motsvarande oscilloskop som även det utlovar 12-bitars upplösning genom att utnyttja översampling och signalbehandling. Tanken med ett sådant oscilloskop är att kunna se små signaler tillsammans med stora signaler. Man skulle på detta sätt erhålla en högre DC-noggrannhet och lägre brus på uppmätta signaler.
Så varför har inte Tektronix kommit med ett 12-bitars oscilloskop? Är inte fler bitar alltid bättre? Låt oss ta en titt på detta.

Fler bitar
Ni som har kommit I kontakt med mätinstrument genom åren vet att oscilloskop med fler bitar inte är något nytt. Här nedan ser ni ett par exempel från Nicolet, som tidigt hade ett oscilloskop med 12-bitar, och från LeCroy som har ett med 10-bitar, men dessa oscilloskop blev inga storsäljare.

Vad berodde det på? Till att börja med skall jag ge ett enkelt exempel. Fotot här nedan tog jag 2006 när jag började jobba för Tektronix och besökte fabriken första gången. Det är en bild av en fontän I företagsparken framför Tektronix huvudbyggnad. Bilden, som är en högupplöst RAW-fil, är tagen med min digitalkamera och nerskalad för att visas på detta sätt. Den har tillräckligt hög upplösning så att man tydligt kan läsa texten på skylten där det står “Howard Vollum Plaza Dedicated 2005” (Howard Vollum var mannen som startade Tektronix).

Klicka här för att få en större bild.

Bilden nedan är samma utgångsbild men mycket mer komprimerad. Det är mycket färre pixlar och färre detaljer i bilden. Det går inte att läsa vad som står på skylten.

Med ett bildediteringsprogram kunde jag förstora denna lågupplösta bild till full upplösning igen.

Klicka här för att få en större bild
ägg märke till att, trots att bilden har full upplösning, kan man inte läsa texten på skylen. Skillnaden mellan den översta och denna bild är utgångsbilden. När jag i det senare fallet återskapade bilden till full upplösning saknades detaljer som gjorde skylten läsbar. Alltså, enbart högre upplösning innebär inte mer detaljer i bilden eftersom jag har introducerat en felkälla.

Högre upplösning innebär inte alltså inte mer information

Låt oss nu se hur detta kan överföras till 12-bitars oscilloskop.
Påståendet att med en 12-bitars a/d-omvandlare blir varje amplitudsteg mindre, så att kurvan återges med högre noggrannhet Figuren nedan visar den trappstegsformade digitalisering där varje steg är en nivå i a/d-omvandlaren. Antag att signalen är 100 mV topp-till-topp och fyller hela skärmen på oscilloskopet. Teoretiskt skulle då ett 8-bitars oscilloskop kunna återge detaljer i kurvan med en upplösning ner till 390 µV (100 mV/256), medan en 12-bitars a/d kan återge detaljer ner till 24 µV (100 mV/4096). Men hur fungerar denna teori i verkligheten?

Det första man skall komma ihåg är att en högupplösande a/d-omvandlare fungerar bra på signaler med låga frekvenser men har betydligt färre effektiva bitar vid full bandbredd. Antalet effektiva bitar (ENOB) är den sanna upplösningen av en a/d-omvandlare om man räknar in avvikelser som olinjäritet, amplitudfel, distorsion samt brus.
Precis som bilden ovan är en högupplöst representation av en lågupplöst bild. Samma sak gäller med ett oscilloskop som har en högupplösande a/d-omvandlare men andra felkällor. Om grundsignalen är brusig ger den extra upplösningen bara extra bitar av brus och signalen blir som bilden ovan, dvs oskarp.
Därför var det första jag letade efter, när jag fick ett nytt datablad, var en uppgift på antalet effektiva bitar. Detta är en vanlig uppgift man hittar i Tektronix Technical Reference. Tyvärr redovisar varken LeCroy eller Agilent en specification på antalet effektiva bitar. Den sanna siffran på antalet effektiva bitar är den verkliga kvantiseringen när man har tagit hänsyn till alla felkällor. Med ökad bandbredd kommer ökat brus och därmed färre effektiva bitar. Utan en siffra på detta är det svårt att utvärdera hur bra ett 12-bitars oscilloskop egentligen är.

Mäta på RF-Spectrum
Jag hittade ingen uppgift om antal effektiva bitar, däremot fann jag i databladet till LeCroy WaveRunner HDO en uppgift på signal/brusförhållandet (SNR) på 55 dB. SNR är ett annat sätt att beskriva antalet effektiva bitar. I detta fall indikerar SNR hur små signaler som kan detekteras i närvaro av stora signaler. Det skulle vara självklart att om kvantiseringsstegen är mindre, kan en liten signal ovanpå en stor signal bli synlig. Märkligt nog står denna specification inte att finna någonstans i Agilents datablad för DSO9000H eftersom högre upplösning (fler bitar) borde indikera att man kan se mindre detaljer (som på skylten I Howard Vollum-parken ovan). Ett “högupplösande” oscilloskop bör alltså ha ett bättre signal/brus-förhållande. I Tektronix MDO4104-6 används en speciellt optimerad 8-bitars a/d-omvandlare i RF-ingången, denna har en typisk siffra på 60 dB dynamiskt område (spuriousfritt). I smala SPAN-lägen kan signal-brus-förhållande (borträknat spurioser) närma sig 100 dB,. För den som vill veta mer om hur Tektronix klarar denna uppgift finns det ett utmärkt förklaring här: http://www.tek.com/document/whitepaper/secrets-behind-mdo4000-series-spectrum-analyzer-dynamic-range
Så sett ur SNR perspektiv, har Tektronix 8-bitars a/d i MDO-oscilloskopens RF-del avsevärt bättre pestanda än LeCroys 12-bitars HDO. För Agilent 9000H presenteras ingen siffra alls.

DC-noggrannhet
Om man tittar på andra specifikationer så borde såväl LeCroy som Agilent tala om att eftersom de har 16 gånger högre upplösning än ett 8-bitars oscilloskop ock då borde mätningarna alltså bli 16 gånger bättre. Men en specifikation som dom inte anger är den vertikala DC-noggrannheten. Borde inte ett oscilloskop med 16 gånger högre upplösning också ha 16 gånger högre noggrannhet? Agilents 12-bitars oscilloskop, DSO9000H, har en angiven vertikalnoggrannhet på 2 procent, jämfört med 1 procents noggrannhet för Tektronix 8-bitars oscilloskop i DPO7000-serien. LeCroy har i HDO-oscilloskopet förbättrat sin siffra till anmärkningsvärda 0,5 procent, men det är ändå inte 16 gånger bättre.
Nåväl, den vertikala noggrannheten säger inte allt, Antag att man ansluter en positiv signal till oscilloskopet och sätter avlänkningen till 10 mV/div. På oscilloskopet från LeCroy, visar skärmen från -40 mV till +40 mV eftersom skärmen har 8 skaldelar vertikalt. Man måste ge signalen en offset på -40 mV för att utnyttja a/d-omvandlaren fullt ut. I deras datablad specificeras noggrannheten på denna 40 mV offset upp till 8,5 procent. Med samma insignal och inställning anger Tektronix på sitt DPO7000 en noggrannhet på 5,9 procent. Då kan en skillnad I amplitudnoggrannhet på 0,5 procent försvinna om man måste använda offsetfunktionen för att centrera en signal på skärmen.
Hur är det med dessa skärmbilder?
Borde inte datablad och broschyrer från dessa två företag visa skillnaden mellan 8-bitars jämfört med 12-bitars upplösning av samma kurvform där 12-bitarsversionen bör visa mindre brus och mer detaljer? Det stämmer, men ofta är skärmbilderna beskurna så de inte visar tidbasinställningen. Denna uppgift är kritisk, därför att ett 12-bitars oscilloskop kommer att utklassa ett 8-bitars oscilloskop i normalläget, då brus inte har så stor betydelse på lågfrekventa signaler man oftast hittar i kraftaggregat.
Betyder detta att ett 12-bitars oscilloskop är det bästa verktyget för att testa kraftaggregat?  Inte alltid. Vad man ofta glömmer i denna diskussion är att många 8-bitars oscilloskop har en speciell funktion för att studera lågfrekventa signaler med 12-bitars upplösning, den kallas “hi-res mode.” Nedan visas en imponerande skärmbild man brukar kunna se på ett 12-bitars oscilloskop, men den kommer från ett 8-bitars oscilloskop (Tektronix DPO7000) genom att används på optimalt sätt.  I detta fall visar den stora bilden att toppen på att kantvågssignalen är otydlig beroende på att den är samplad med en 8-bitars oscilloskop i läge ”Normal sampling mode”. Den infällda bilden visar samma signal samplad med samma 8-bitars oscilloskop men i ”Hi-Res sampling mode”. På detta sätt kan den ökade upplösningen visa det lilla rippel som finns på signalen.

“Hi-Res Mode” på ett 8-bitars oscilloskop
I “hi-res mode”, översamplas kurvformen avsevärt. Sedan används en “boxcar”-funktion som utför en medelvärdesbildning i realtid vilket kan ske även på engångsförlopp. Förenklat betyder det att ett 8-bitars oscilloskop kan ge upp till 12 bitars upplösning tack vare en hög översampling. Detta gör 8-bitars oscilloskop med hög samplingsfrekvens mycket mångsidiga. Man använder då den höga samplingsfrekvensen när man vill analysera höghastighetssignaler såsom USB 2.0 och “high-res”-funktionen då man behöver en mer detaljerade mätning som kräver upp till 12 bitars upplösning.

Utifrån detta resonemang är det inte helt säkert att 12-bitars oscilloskop i verklighet ger bättre resultat. Dessutom måste man beaktat att ett oscilloskop består av mer än bara en a/d-omvandlare. Det finns ingångssteg, samplingskretsar och dessutom, den kritiska delen i kedjan, probarna. Därför har Tektronix utvecklat en speciell ASIC i ingångsstegen för att, som enda tillverkare på marknaden, kunna erbjuda passiva probar med 1 GHz bandbredd (läs mer om detta här:http://www.tek.com/document/application-note/improve-measurement-accuracy-and-reduce-cost-tektronix-passive-probes ). Detta möjliggör mätningar på signaler upp till 300 V med enkla passiva probar. Med samma teknik kan 500 MHz-proben TPP0502 ha en dämpning av endast 2x. Normalt har probar med låg dämpning avsevärt mycket lägre bandbredd. Se mer om detta på min blog om probdämpning här: http://www.effectivebits.net/2011/09/probe-attenuation-overlooked.html. Om man dämpar signalen 10x redan innan oscilloskopets ingångssteg, tillför man brus till signalen och därmed reducerar antalet effektiva bitar. Medan 12-bitars a/d-omvandlare kan köpas över disk i dag, är den ASIC, som Tektronix har utvecklat för att öka den passiva probens dynamiska område, unik.

Att jämföra brusprestanda
Nyligen hade jag möjlighet att testa ett LeCroy HRO med tillhörande 10x passiva probar och kunde jämföra det med ett Tektronix DPO5000 med de nya 2x passiva  probarna och med  ”hi-res”-funktionen. Båda oscilloskopen hade samma bandbredd, 500 MHz.
Det första jag jämförde var brusprestanda, därför att en av de största felkällorna, som också påverkar antalet effektiva bitar, är vertikalbrus. Om ett 12-bitars oscilloskop har fler effektiva bitar än ett 8-bitars oscilloskop bör man kunna förvänta sig att vertikalbruset skulle vara mycket lägre. Vid en sida-vid-sida tes, upptäckte jag att LeCroy-oscilloskopet (utan prob) hade marginellt lägre brus . Förbättringen var mindre än 0,1 procent av full skala trots att oscilloskopet hade 16x fler kvantiseringssteg. När jag anslöt en 10x prob till LeCroy och en 2x probe till Tektronix, var bruset på LeCroy avsevärt högre vid vissa inställningar därför att det förstärkte en redan mer dämpad signal. Tektronix DPO5000-oscilloskop kunde urskilja mindre detaljer på signalen och med lägre brus därför att ett oscilloskop är mycket mer än bara en a/d-omvandlare. Det som betyder mest är summan av alla ingående komponenter i en signalväg.
Fortfarande hade jag kvar att testa ett Agilent DSO9000H. I deras datablad anges visserligen en specification på bruset men bara vid en vertikalinställning, 100 mV/div. Vid just denna inställning har det inte mer än 0,2 procent bättre än vad motsvarande 8-bitars Tektronix DPO7000C har. Alltså en nästan identisk brussiffra med Tektronix 8-bitars DPO70000C.
För att sammanfatta detta kan man säga, att utan insignal, verkar detta 12-bitars oscilloskop endast ha marginellt bättre brusprestanda och knappast så mycket att det påverkar verkliga mätningar. Ansluter man dessutom en prob till oscilloskopet så försvinner snabbt denna fördel med det något lägre bruset.

Gigantisk skillnad mellan probar
Många har behov av att mäta små strömmar och hoppas att ett 12-bitars oscilloskop kan mäta signaler noggrannare i exempelvis switchade nätaggregat. För en vanlig 100 MHz 30 A strömprob, som Tektronix TCP0030, är högsta känslighetsområdet 10 mA, mot 160 mA för motsvarande prob CP031 från LeCroy. Återigen gäller att ju lägre känslighet proben har desto högre brus på den totala mätningen.
För mätningar på extremt små spänningar har Agilent 9000H 8 vertikala skaldelar over skärmen. Högsta känsligheten är 5 mV/div i högimpedansläget. Allt känslighetslägen under 5 mV är endast en mjukvaruexpansion som inte tillför några extra bitars upplösning. Ansluts sedan en 10x prob och om man väljer den känsligaste inställningen blir då 8 skaldelar × 5 mV × 10x lika med 400 mV över hela skärmen. Om var och en av de 4096 bitarna skulle vara perfekt, skulle den minsta kvantiseringsnivån bli 400 mV/4096 eller 97 µV. Om man utför samma operation på Tektronix DPO5000 som har 10 vertikala skaldelar och en högsta känslighet på 1 mV och lägg till en 2x-prob. Då blir den högsta känsligheten över 10 skaldelar × 1 mV × 2x lika med 20 mV över skärmen. Dividera detta med 256 och den minsta kvantiseringsnivån blir 20 mV/256 eller 78 µV.
Alltså, även om man antar att 12-bitars a/d:n är perfekt och antalet ENOB inte var något man behövde bry sig om, så skulle ett 8-bitars oscilloskop, med ett mer anpassat ingångssteg och probar med högre känslighet kunna registrera mindre signaler med lägre brus än ett 12-bitars oscilloskop.
Ofta upptäcker man andra överraskningar, som man exempelvis hittar på LeCroy HDO-serie. De har ingen ingång för digitala signaler. Om till exempel en SPI buss används I ett kraftaggregat, har man bokstavligen inte tillräckligt med kanaler för att kunna trigga på SPI-bussen och samtidigt monitorera ström och spänning.

12 bit ger sällan mer
Sammanfattningsvis kan man säga att oscilloskop med 12-bitar låter bra I marknadsföringen, men har ännu inte visat sig kunna lösa mätproblem bättre än ett välkonstruerat och korrekt använt 8-bitars oscilloskop. Oscilloskopet kan ha en 12-bitars a/d-omvandlare, men ändå ha sina begränsningar. Det är möjligt att denna teknologi kommer att förbättras så att vi kommer att få se snabbare 12-bitars oscilloskop som ger vissa fördelar. När den dagen kommer skall ni hålla ögonen öppna efter datablad där man anger förbättrade signal-brus förhållande, större antal effektiva bitar vid full bandbredd, betydligt lägre brus och mycket högre DC-mätnoggrannhet.
Av Joel Avruin, regional försäljningschef Baltimore, MD, hos Tektronix.

Läs även kommentarer på Joel Avruins blog, på
http://www.effectivebits.net/2013/02/not-so-high-on-high-resolution.html#more

 

Comments are closed.