poslední úprava těchto stránek
6.květen 2018


Převzorkování digitálních osciloskopů



Většina digitálních PC osciloskopů může shromáždit nanejvýše několik málo tisíc vzorků. Existují však některé PC osciloskopy, které mohou shromáždit až 1 milion vzorků. Na této stránce se dočtete jak využít výhod velké paměti.

Zoom

Velká paměť umožňuje aby komplexní signály byly zachyceny do nejmenších detailů i během dlouhé časové periody. Potom je možno použít funkce zoom pro pozorování detailů signálu v libovolném okamžiku.

Následující obrázek ukazuje 50 ms video signálu (přibližně 2.5 snímku) se zachycením plného 1 milionu vzorků do vyrovnávací paměti.

buffer s 1 milionem vzorků

Obr.1

Následující obrázek ukazuje tentýž signál ve zvětšení x100 (zoom 100x) bez nutnosti opakovaně shromažďovat data. Je dobře vidět detail videosignálu pro každou indiviuální řádku obrazu.

zoom x100

Obr.2

Zvětšíme-li nyní opět zoom 2000-násobně můžeme vidět detail burst signálu:

zoom x2000

Obr.3

Vzorkovací rychlost vs. velikost paměti

Všechny digitální osciloskopy ukládají data do vyrovnávací paměti. Při vysokých vzorkovacích rychlostech je tato paměť velmi rychle naplněna. Jedinou možností jak shromažďovat data po delší dobu je snížit vzorkovací rychlost. Výsledkem je, že osciloskop s vysokou vzorkovací rychlostí a malou vyrovnávací pamětí (například 1 GS/sec a 2500 vzorky) může naplnit specifikovanou vyrovnávací paměť pouze v některých režimech časové základny.

Například při časové základně 500µs/div vyrovnávací paměť pro 2500 vzorků u ociloskopu 1 GS/sec bude vzorkována s 500KS/sec zatímco u osciloskopu s vyrovnávací pamětí pro 1 milion vzorků bude vzorkována 200 MS/sec. To znamená že "1GS/sec" osciloskop je vzorkován 400-krát pomaleji než "200 MS/sec" osciloskop.

Následující obrázek ukazuje vztah velikosti paměti a vzorkovací rychlosti. V příkladu je digitální osciloskop trošku rychlejší než "1 GS/sec" osciloskop na všech časových základnách delších než 1µs/div. Nad těmito čas. základnami je omezen 200 MS/sec pro jednorázové signály. Avšak pro opakující se signály je možné použít ETS režim (Equivalent Time Sampling) a dosáhnout tak vzorkovací rychlosti až 10 GS/sec.

Při úvahách o nákupu osciloskopu je tedy nutno vzít v potaz vztahy mezi vzorkovací rychlostí a velikostí paměti.

vzorkování vs.paměť

Obr.4

Převzorkování a omezení šumu

Při pozorování zašuměných signálů je možno použít kombinaci vysoké vzorkovací rychlosti a velké vyrovnávací paměti k tzv. "převzorkování" a to vzorkování vyšší rychlostí a záznamem většího počtu dat než by bylo normálně potřeba pro zobrazení průběhu. Software k digitálním PC osciloskopům dovoluje použít filtraci pro zvětšení rozlišení signálu a odstranění náhodného šumu vysokých frekvencí.

Převzorkování je možno použít také při spektrálním analyzátoru, efektivním zvýšením rozlišení naměřených dat, čímž se zvýší dynamický rozsah spektrálního analyzátoru.

bez filtrace

Obr.5

Následující obrázek vlevo ukazuje vliv převzorkování. V okně osciloskopu je vidět 500 tisíc bodů a tyto jsou zobrazovány pomocí jednoho z režimu zobrazení s filtrací. Výsledkem je odstranění vysokofrekvenčního šumu a zvýšení efektivního rozlišení signálu z 8 na 12 bitů.

Spektrální analyzátor ukazuje tentýž signál bez převzorkování a podruhé s 16ti násobným převzorkováním.

s filtrací

Obr.6

Sběr dat vysokou rychlostí

Digitální PC osciloskopy nemusí být použity vždy pouze jako osciloskopy anebo analyzátory. K přístrojům je často dodáván též software dovolující shromažďování dat. Takovýto software umožňuje úplnou kontrolu nad pamětí a rychlostí vzorkování a z přístroje se tak rázem stane univerzální vysokorychlostní záznamník dat.

Shrnutí

Hlavní nevýhodou převzorkování je, že může zpomalit obnovování dat na obrazovce protože je potřeba přenést více dat do PC počítače. Avšak s rychlým USB 2.0 rozhraním bývá tento efekt zanedbatelný.

Další potenciální nevýhodou je, že vlastní převzorkování působí jako dolní propust a omezuje nebo úplně odstraňuje vf signály. Toto není záležitost spektrálního analyzátoru, kde volíte frekvenční rozsah, avšak při osciloskopu může dojít k potlačení špiček a jiných signálů, které chcete pozorovat.

U některých digitálních PC osciloskopů je možné nastavit různá převzorkování pro osciloskop a analyzátor. Použijete-li převzorkování osciloskopu 1x (tedy žádné převzorkování), pak máte zaručeno, že uvidíte i vysokofrekvenční špičky. Přejete-li si v osciloskopu filtrovat průběh signálu a odstranit náhodný šum, použijte zobrazovací režim Current | Filtered.

Nastavením spektrálního analyzátoru na 64 dosáhnete zhruba 3 další bity v rozlišení a zvýšíte tak dynamický rozsah analyzátoru. Maximální převzorkování může být obvykle nastaveno v rozsahu 1 až 256, ale mějte na paměti že to není vždy možné. Například, nastavíte-li frekvenci spektrálního analyzátoru na 100 MHz, pak hardware je sám vzorkován 200 MS/sec a převzorkování není možné.