انجام اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر با اسیلوسکوپ

یکی از مهم‌ترین بخش‌های عملکردی در یک اسیلوسکوپ دیجیتال، مبدل آنالوگ به دیجیتال یا Analog-to-Digital Converter (ADC) است. رزولوشن ADC که با تعداد بیت‌های آن مشخص می‌شود، به‌ویژه هنگام اندازه‌گیری جزئیات کوچک سیگنال، اهمیت زیادی دارد.

بسیاری از تجهیزات اندازه‌گیری دقیق از ADCهایی با تعداد بیت بالا استفاده می‌کنند. برای مثال، برخی مولتی‌مترهای دیجیتال دقیق می‌توانند اندازه‌گیری‌هایی با رزولوشن تا 28 بیت انجام دهند.

پس چرا رزولوشن اسیلوسکوپ‌ها به‌طور سنتی پایین‌تر بوده است؟

اسیلوسکوپ‌ها به‌طور سنتی از ADCهای 8 بیتی استفاده کرده‌اند، زیرا در فناوری ADC اسیلوسکوپ، دستیابی به Sample Rate (نرخ نمونه‌برداری) بالا در اولویت قرار داشته است. ADCهای 8 بیتی می‌توانند نرخ نمونه‌برداری بالایی فراهم کنند و در نتیجه رزولوشن زمانی بسیار خوبی داشته باشند.

امروزه حتی اسیلوسکوپ‌های نسبتاً ارزان‌قیمت نیز می‌توانند با نرخ‌هایی در محدوده GS/s نمونه‌برداری کنند. در مقابل، نرخ نمونه‌برداری مولتی‌مترهای دیجیتال بسیار پایین‌تر است و معمولاً در محدوده ده‌ها تا صدها نمونه در ثانیه قرار دارد.

ADC هشت‌بیتی در یک اسیلوسکوپ، برای سیگنال‌هایی با فرکانس در محدوده صدها و سطوح ولتاژ TTL در حدود 0 تا 5 ولت، تعادل مناسبی میان سرعت دریافت داده و دقت دامنه ایجاد می‌کند. برای این نوع سیگنال‌ها، رزولوشن 8 بیت معمولاً کافی است.

با این حال، با حرکت به سمت فناوری‌های جدیدی مانند دستگاه‌های IoT، تجهیزات موبایل و خودروهای خودران که به شبکه‌های پرسرعت، تداخل پایین و مصرف توان کم متکی هستند، مهندسان با چالش‌های جدیدی در اندازه‌گیری دقیق سیگنال‌هایی با دامنه بسیار کوچک روبه‌رو شده‌اند.

نیاز به بررسی جزئیات کوچک‌تر سیگنال باعث شده است افزایش تعداد بیت‌های ADC اهمیت بیشتری پیدا کند؛ البته در کنار افزایش رزولوشن، پایین نگه داشتن نویز اسیلوسکوپ نیز اهمیت دارد.

ADCهای سنتی 8 بیتی، اگر Oversampling (بیش‌نمونه‌برداری) و پردازش‌های بعدی را در نظر نگیریم، دارای 2⁸ = 256 سطح دیجیتال‌سازی عمودی هستند.

این تعداد سطح ممکن است برای کاربردهایی مانند طراحی منابع تغذیه، که به رزولوشن عمودی بالاتر در محدوده‌های ولتاژی نسبتاً زیاد نیاز دارند، بیش از حد محدود باشد.

در مقابل، یک ADC دوازده‌بیتی می‌تواند تا 2¹² = 4096 سطح دیجیتال‌سازی عمودی فراهم کند.

بنابراین اضافه شدن تنها چند بیت به ADC می‌تواند تعداد سطوح ولتاژی قابل تفکیک را به میزان قابل‌توجهی افزایش دهد.

مطالعه موردی اندازه‌گیری | اندازه‌گیری سوئیچینگ منبع تغذیه

در این مثال، بخش سوئیچینگ یک منبع تغذیه بررسی می‌شود.

این اندازه‌گیری چالش‌برانگیز است، زیرا هدف بررسی تناوب Ringing یا نوسانات زنگ‌مانند روی یک سیگنال سوئیچینگ نسبتاً بزرگ است. دامنه این نوسانات در مقایسه با دامنه سیگنال سوئیچینگ کوچک است.

مدار سوئیچینگ پس از هر سیکل دچار Ringing می‌شود و هدف، بررسی همین نوسانات است.

برای مشاهده کل سیکل سوئیچینگ، مقیاس عمودی باید تقریباً روی 1 V/div تنظیم شود تا سیگنال در 10 تقسیم‌بندی نمایشگر جای بگیرد.

در این آزمایش، یک سیگنال یکسان با دو اسیلوسکوپ دارای رزولوشن عمودی متفاوت بررسی شده است؛ یکی با رزولوشن 8 بیت و دیگری با رزولوشن 12 بیت.

نتایج اندازه‌گیری

هر دو اسیلوسکوپ تحت شرایط یکسان مورد استفاده قرار گرفتند:

پارامتر	مقدار
نرخ نمونه‌برداری	250 MSa/s
تعداد نمونه‌ها	10k Samples
مقیاس عمودی	1 V/div

همچنین برای هر دو دستگاه از یک پروب ولتاژ با ایزولاسیون نوری یکسان استفاده شد تا اثر نویز پروب عملاً به حداقل برسد.

در اسیلوسکوپ 8 بیتی، هنگام استفاده از ضریب بزرگ‌نمایی زیاد، پله‌های قابل‌توجه Quantization (کوانتیزه‌سازی) ظاهر می‌شوند. این مسئله تحلیل نوسانات را دشوار می‌کند.

در مقابل، اسیلوسکوپ 12 بیتی در بزرگ‌نمایی مشابه، نوسانات را به‌وضوح نمایش می‌دهد.

رزولوشن عمودی 12 بیتی امکان مشاهده جزئیات بیشتری از سیگنال را فراهم می‌کند و به انجام اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر کمک می‌کند.