Yüksek çözünürlüklü osiloskop

[BetülCan]

milivolt ve altı düzeyinde sinyal veren sensörlerle çalışıyoruz ve gürültünün yarattığı etikleri gözlemlemek için yüksek çözünürlüklü osiloskop araştırıyoruz. Laboratuvarda profesyonel tektronik osiloskop var ama 8 bit olduğu için milivoltlarda ölçüm yapılamıyor.
O kadar çok seçenek var ki kafam iyice karıştı.
Bazı markalarda 8 bit çözünürlük var ama 12 bit gibi çalıştığı ifade ediliyor.
Bazılarında çözünürlük 10 bit veya 12 bit görünüyor.
Picoscope 16 bit çözünürlük olan modelleri var. Fakat en düşük gerilim kademesi 10 mV, o nedenle güven vermiyor.
Milivolt altı düzeylerde hassas güvenilir ölçüm yapmak için nasıl bir osiloskop almamız gerekir?

 

[ckocagil]

8 bit olduğu için milivoltlarda ölçüm yapamıyor demişsiniz. Tam olarak nasıl yapamıyor açar mısınız? Mesela DC offseti iptal edip sadece gürültüye bakmayı denediniz mi?

 

[BetülCan]

Osiloskobun prob uçlarını kısa devre etsel dahi birkaç milivoltluk gürültü gözlemliyoruz. İki türlü gürültü bileşeni var, rastgele (gaus) gürültü ve yakında bulunan elektrik makinalarından gelen parazitler. Gaus gürültüsü için işe yarayacağını düşündüğüm bir çözüm var (daha denemedim) ama parazitlere karşı birşey yapabilmemiz için kaynağını frekans içeriğini öğrenmemiz gerekiyor.

 

[taydin]

Evet o dijital sinyal işleme tekniklerini kullanarak effektif bit sayısını artırma yaygın birşey. Picoscope da yapıyor onu, saygın, bilinen en iyi markalar da yapıyor. Rohde/Schwarz da yapıyor bunu, benim Keysight DSO9104A da da var (8 bit olmasına rağmen 12 bite kadar olan "high res mode" var). O yüzden tamamen pazarlama hilesi olduğunu düşünmüyorum, sağlam bir mantık vardır arkasında.

Ama her şey bit sayısı da değil. Osiloskobun "analog front end" devresinin de çok düşük gürültülü olması lazım, doğru problama/ölçüm tekniği de kullanılmalı. Bunlar ADC bit sayısından daha önemli.

Bu high res ile ilgili baya doküman var ben de biraz araştıracağım. Aklında belli bir bant genişliği var mı bu osiloskop için?

 

[BetülCan]

Yüksek band genişliği geremiyor. 10 kiloherz titreşimleri algılayıp ölçmemiz gerekiyor ve kullandığımız ADC 1 MSPS.
1 mehaherz kesim frekanslı low pass filtre kullanacağız o yüzden en düşük bant genişliği bile yeterli.

 

[taydin]

Benim skop ile bazı denemeler yaptım. Çok temiz 1 mVrms sinyal elde etmek için audio analizör kullandım. Üretilen sinyali de önce kendisine ölçtürdüm

Bu seviyeler için ÇOK İYİ denilebilecek sadece %0.22 distorsiyon var.

 

[taydin]

Şimdi bu sinyali DSO9104A ya verelim

Osiloskobun ölçtüğü sinyal berbat ötesi 10 mVpp gibi gürültü görüyoruz. Hatta bunu trigger etmek bile mümkün değil o yüzden single shot ile ölçüp öyle aldım görüntüyü.

 

[taydin]

Yani tertemiz giren sinüsü osiloskop ne hale getirmiş. Şimdi bu neden oluyor? Bir kere osiloskobun bant genişliği 1 GHz. Dolayısıyla çevrede gürültü anlamında ne var ne yok hepsini geçiriyor ve örnekliyor. Şimdi bant genişliğini 20 MHz ile sınırlandıralım bakalım ne olacak.

Sinyaldeki bütün yüksek frekanslı bileşenleri gidiyor ve çok daha temiz bir sinyal alıyoruz. Ama bu haliyle bile gene kabul edilebilir seviyenin çok üzerinde gürültü var.

 

[taydin]

Şimdi high res modunu açalım bakalım birşey farkediyor mu.

 

[ckocagil]

Düşük gürültülü ölçümler için X1 modunu kullanın. Bant genişliğini limitleyin diyecektim onu @taydin söylemiş. Bunlar yetmezse sinyali kaynakta veya bir Low Noise Amplifier ile yükseltmek gibi daha radikal çözümler veya spektrum analizörü ile bir şekilde çıkarım yapmak denenebilir.

 

[taydin]

Evet, normal mod ile 12 bit high res mod arasında hiçbir fark görülmüyor. Zaten görülmesini niye bekliyoruz ki? Sinüsün üzerine binmiş olan bir gürültü var ve bunu 8 bit ADC de ölçecek 16 bit ADC de ölçecek. Sinüsün üzerine binen iğne palslerine bakarsak frekansin aşağı yukarı 200 kHz olduğunu görüyoruz.

Bu da muhtemelen bir yerde çalışan bir SMPS'den gelen common mode gürültü.

 

[taydin]

Osiloskobun kendi öz gürültüsüne baktığımız zaman da 500 µVpp civarında olduğunu görüyoruz (yatay kademesi 1 ms, 20 MHz bant limitleme aktif, giriş empedansı 50 Ω ve girişe 50 Ω luk sonlandırıcı takılı).

 

[taydin]

Şimdi buradan hangi sonucu çıkarabiliriz? Bendeki osiloskobun gürültü seviyesi zaten 500 µV. Yüksek çözünürlüklü osiloskoplarda bu gürültü seviyesi daha düşük olacaktır. Diyelim 100 µV olsun. Gene de bununla 1 mV altı voltajları ölçerken sinyalin %10 u gürültü olacak.

Üstelik de ölçüm yaparken uygun problama kullanmazsan, bundan dolayı da common mode noise işin içine girecek ve ölçümü daha da bozacak. Bu durumda da ADC 8 bit de olsa 16 bit de olsa bu gürültülerin hepsini gösterecek.

 

[taydin]

Bunlar yetmezse sinyali kaynakta veya bir Low Noise Amplifier ile yükseltmek gibi daha radikal çözümler veya spektrum analizörü ile bir şekilde çıkarım yapmak denenebilir.

Aynen bence de en mantıklı çözüm bu. Böylece sensör çıkışına hiçbir gürültü nüfuz edemeden seviyeyi osiloskop ile rahatlıkla ölçülebilecek şekilde artırabilirsin.

Osiloskop preamplifier cihazları da var piyasada. Ama bunun mantıklı olması için ölçümde hatasız bir şekilde prob bağlantısı kurman lazım. Yoksa gene common mode gürültü ölçümü anlamsız hale getirir.

Oscilloscope Preamplifier LNA10

The LNA 10 oscilloscope preamp will significantly improve the small-signal performance of oscilloscopes at frequencies below 1MHz.

www.alphalabinc.com

 

[BetülCan]

Cevaplar için çok teşekkür ederim. Bana da şimdi mantıklı geliyor bir yükseltici kullanmak.

Bir soru sorabilir miyim? 1 mV sinyal üretecinde bahsettiğiniz 200 kiloherz gürültü yok. Osiloskobun kendi gürültüsünü ölçünce de 200 kiloherz gürültü yok.
Üreteç osiloskoba bağlantınca gürültü ortaya çıkıyor. Bu nasıl oluyor? O gürültü ortamda varsa hem sinyal üretecini hem de osiloskobu tek başına da etkilemesi gerekmiyor muydu?

 

[taydin]

O gürültünün sadece bağlantıda ortaya çıkması, sanki iki cihaz arasında kullanmış olduğum 1m lik koaksiyel kablonun etkisi olduğunu çağrıştırıyor. Bunun böyle olduğunu kanıtlamak için de şöyle bir deney yapıyorum:

audio analizör ile osiloskop arasına, çok düşük dirençli bir şaseleme kablosu bağlıyorum ve böylece iki cihazın şasesinin birbirine bağlanma kalitesini artırıyorum. Bu durumda gürültü azalıyor. Demekki gürültüye sebep olan faktörlerden birisi de kablonun kendi öz direnci.

Başka faktörler de olabilir. Mesela hem audio analizör hem de osiloskopun şaseleri dönüp dolaşıp şebeke toprağına bağlanıyor. Bir de koaksiyel kablo ile iki şaseyi birleştiriyoruz. Burada da bir ground loop oluşuyor ve bu da bir parazit kaynağıdır.

 

[tsahin]

Veya direkt audio analizör ile ölçüm yapılsa?

 

[taydin]

Veya direkt audio analizör ile ölçüm yapılsa?

İki sebepten dolayı bu kötü bir fikir

1) Prob ile cihaz arasında bağlantı yapılırken çok dikkatli davranıp olası gürültü yaratacak etkenler ortadan kaldırılmazsa, gene gürültü oluşacaktır. Tek yaptığın, aslında olmayan, senin yanlışlıkla eklediğin gürültüyü çok yüksek çözünürlük ile ölçmek.

2) Prob bağlantısını doğru bir şekilde, bilimsel usule uygun yapabilirsen, o zaman evet, audio analizör ile o sensörün çıkışındaki gürültüyü son derece yüksek çözünürlükle ölçersin. İyi audio analizörlerin arka plan gürültüsü çok düşüktür. Benim AP525 in girişine birşey bağlı değilken ölçülen arka plan gürültüsü -130 dBV. Buna karşılık osiloskobun arka plan gürültüsü 500 µV idi, bu da -66 dBV yapıyor. Doğru ölçüm tekniği ile audio analizör çok iyi iş görür, ama fiyat/performans oranı çok kötü olur. Audio analizörler çok pahalıdır. İyi bir yüksek çözünürlüklü skop ve preamp'a 5 bin - 10 bin dolara sahip olabiliyorken, audio analizöre bunun en az 3 mislini vermen gerekir.

 

[HexfeT]

Osiloskoplardaki yüksek çözünürlük modu, alınan örnek sayısının gruplara ayrılıp ortalama alınması mantığı ile çalışıyor. Üreticilerin açıkladığı bu mod açıkken elde edilen çözünürlük, yapılan ortalama alma işlemi sonucu yaklaşık bir değer ve genelde fazla iddialı oluyorlar.

Rigol'ün sitesinden aldığım resim olaya açıklık getiriyor. Alınan örneklemenin "decimation interval" denilen aralıklarının ortalaması alınarak tek bir örnek elde ediliyor. Bant genişliğinden feragat edilerek düşük frekanslı sinyallerde daha iyi sonuç elde edilmiş oluyor. Yani ADC 8 bit olduğu halde 10-12 bit "MİŞ" gibi oluyor.

Rigol bunu MSO5000 7000 8000 serisi yeni osiloskoplarını övmek için paylaşmış. Hatta kanalında Rohde Schwarz RTB2000 serisi ile karşılaştırma yaparak güya üstünlüğünü göstermiş fakat MSO5000 ler ilk çıktığında yüksek çözünürlük modu hiç yoktu. Sonradan eklediler fakat çalışmıyor. Cihaza sahip olan herkes yaklaşık bir yıldır yazılım güncellemesi ile sorunun çözülmesini bekliyor ama Rigol den tık yok. Güncellemeyi sürekli erteliyor. Ayrıca bir kısmını ilk güncelleme ile halletmiş olsa bile hala çözülmesi gereken yığınla başka yazılımsal bug ları da var.

Rigol yeni seri osiloskoplarında kendi tasarımı front end çiplerini kullanmış. İşi yüzüne gözüne bulaştırmış olma ihtimalleri akla geliyor. Uzun süredir çözüm üretememesi yazılımla giderilemeyecek donanımsal tasarım hatası mı var diye düşündürüyor. MSO5074 modelini almayı düşünüyorum ama sorunlarının ortadan kalktığını görene kadar erteledim. Bu arada doların alıp başını gitmemesini umuyorum.

 

[taydin]

Evet muhtemelen öyle. Örnekleme hızını artırıp sonra da örnekler arasında interpolasyon yapıyorlarsa, sanki bit sayısı artmış gibi etki yapıyor olabilir. Ama işte bu tip algoritmaların her zaman ya zayıf noktaları, kısıtlamaları veya iyi çalışmadığı bazı özel durumlar olabiliyor. Gerçek anlamda 12 bit bir ADC kullanılırsa bu tip kısıtlamalar tamamen ortadan kalkıyor.

Picoscope hakkaten ilginç ama. Adamlar "değişken bit sayılı ADC kullanıyoruz" gibi bir iddiaları var. Sanki FGPA ile kendi ADC mimarisini oluşturmuşlar ve ADC nin bit sayısını yapılandırabiliyorlar gibi. "Flexible resolution scope" imiş. Bilemiyorum ne kadar iyi bir sonuç veriyor.

Bir de picoscope'un özellikle çok düşük gürültülü, ama sadece 5 MHz bant genişliği olan 4262 modeli var. Ama aynen @BetülCan ın dediği gibi en düşük 10 mV kademesi var. Benim 8 bitlik gürültülü osiloskopta bile 1 mV kademesi var Bilemiyorum, bu picoscope bana sağladıklarına nazaran çok pahalı bir ürün gibi geliyor.

16 bit high resolution oscilloscope | Overview

The digital oscilloscope for the analog world! 16 bit resolution, low noise, high dynamic range 102 dB FFT spectrum analyzer. 24 bit AWG built in.

www.picotech.com