Современные осциллографы обладают важной особенностью — вертикальным шумом, обусловленным аналоговым и цифровым преобразованием измеряемого сигнала. Наличие вертикального шума снижает точность измерений, особенно сигналов с малой амплитудой и шумов. Любой осциллограф имеет определенную полосу пропускания измеряемого сигнала. Как правило, чем шире полоса пропускания осциллографа, тем больше вертикальный шум.
Следствиями наличия вертикального шума являются:
- ошибка амплитудных измерений сигнала;
- неопределенность при воссоздании сигнала с помощью функции sin(x)/x;
- ошибка по времени (джиттер), зависящая от скорости нарастания (крутизны фронта) измеряемого сигнала;
- видимое утолщение сигналов, отображаемых на экране осциллографа.
Случайный шум, иногда называемый белым шумом, теоретически не имеет ограничений по времени и подчиняется распределению Гаусса. Поскольку случайный шум не ограничен во времени, то чем больше выборка данных при измерении сигнала, тем больше размах шума. В связи с этим, такие случайные явления, как вертикальный шум и джиттер должны характеризоваться среднеквадратичным значением (стандартным отклонением).
У осциллографов уровень шума при наиболее чувствительной настройке коэффициента отклонения принято называть «базовым уровнем шума». Необходимо отметить, что ряд моделей осциллографов имеют аппаратное ограничение полосы пропускания при наиболее чувствительной настройке коэффициента отклонения.
Поскольку осциллограф измеряет сигнал в широкой полосе частот, то, как правило, чем шире полоса пропускания, тем выше базовый уровень шума. Таким образом, для корректного сравнения по базовому уровню шума осциллографы должны иметь одинаковую полосу пропускания. Имея осциллографы с одинаковым предельным значением полосы пропускания, сравнение необходимо выполнять при наиболее чувствительной настройке коэффициента отклонения, обеспечивающей всю полосу пропускания.
Собственный шум осциллографа является комбинацией двух составляющих. Одна составляющая шума имеет фиксированное значение и обусловлена работой аттенюатора и усилителя во входном тракте осциллографа. Базовый уровень шума при наиболее чувствительной настройке коэффициента отклонения дает хорошую аппроксимацию этой составляющей шума. Данная составляющая является доминирующей на большинстве наиболее чувствительных настроек, но практически не оказывает влияния в случае наименее чувствительных настроек (наибольшие значения В/дел).
Второй составляющей является относительный уровень шума, который зависит от динамического диапазона осциллографа, определяемого конкретным значением настройки. В наиболее чувствительном режиме, данной составляющей можно пренебречь. Однако она является основной в наименее чувствительном режиме. Измерение среднеквадратичного уровня собственного шума осциллографа осуществляется достаточно просто. Многие из современных осциллографов на базе операционной системы Windows имеют функцию построения гистограммы измеряемого сигнала.
Несмотря на то, что для получения наилучших результатов следует проводить сравнение уровня шума осциллографов по их среднеквадратичному значению, достаточно часто возникает желание провести сравнение и по величине размаха шума. В конечном счете, именно максимальные выбросы шума наблюдаются пользователем на экране осциллографа и становятся причиной увеличенной погрешности амплитудных измерений в режиме реального времени без усреднения сигнала. По этой причине многие пользователи предпочитают измерять и сравнивать именно величину размаха шума.
На первый взгляд, может оказаться заманчивым выставить на каждом осциллографе одинаковые значения коэффициента развертки для проведения измерений в режиме бесконечного послесвечения в течение определенного периода времени, например, 10 секунд. Однако, несмотря на кажущуюся интуитивность этого подхода, не рекомендуется использовать его для измерения величины размаха шума. Дело в том, что при одинаковом коэффициенте развертки осциллографы могут не только иметь разную глубину памяти, но и значительно отличаться по частоте обновления экрана. В этом случае осциллографы с более высокой частотой обновления экрана и, возможно, более глубокой памятью смогут собрать значительно больше данных, чем осциллографы с медленной частотой обновления экрана и неглубокой памятью. Чем больше данных собирает осциллограф, тем больше становится величина размаха шума, вследствие случайной природы шума с гауссовым распределением.
В осциллографе может потребоваться откорректировать результаты автоматической настройки параметров и вручную установить такие значения максимальной частоты дискретизации и глубины памяти, которые были бы равны или больше величины критерия, установленного для измерения величины размаха шума. После того, как все настройки осциллографа (частота дискретизации, глубина памяти, коэффициент развертки) выполнены должным образом, возможны два варианта измерения величины размаха шума: с помощью гистограммы или с помощью автоматической функции измерения величины размаха сигнала для каждого коэффициента отклонения. Поскольку размах шума есть величина случайная, необходимо провести несколько измерений для получения среднего (типичного) значения размаха шума при заданной глубине памяти.
При использовании осциллографа на наиболее чувствительных настройках коэффициента отклонения, относительный уровень собственного шума осциллографа может быть достаточно высоким, тем самым снижая точность измерений сигналов с малой амплитудой.
Литература:
1. Андреев П. Г. Микропроцессорные системы в учебном процессе / П. Г. Андреев, И. Ю. Наумова, Н. К. Юрков, Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2009. Т. 1. С. 161–164.
2. Гарькина И. А. Системные методологии, идентификация систем и теория управления: промышленные и аэрокосмические приложения/И. А. Гарькина, А. М. Данилов, Э. В. Лапшин, Н. К. Юрков//Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2009. № 1. С. 3–11.
3. Бростилов С. А. Метрологический анализ измерительной подсистемы информационно-измерительной системы для исследования средств воздушного охлаждения / С.А Бростилов, Н. В. Горячев, Т. Ю. Бростилова // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 127–129.
4. Горячев Н. В. Исследование и разработка средств и методик анализа и автоматизированного выбора систем охлаждения радиоэлектронной аппаратуры / Горячев Н. В., Танатов М. К., Юрков Н. К. // Надежность и качество сложных систем . 2013. № 3. С. 70–75.
5. Белов А. Г. Обзор современных датчиков утечки воды / А. Г. Белов, Н. В. Горячев, В. А. Трусов, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 2. С. 34–36.
6. Горячев Н. В. Концептуальная схема разработки систем охлаждения радиоэлементов в интегрированной среде проектирования электроники / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Проектирование и технология электронных средств. 2009. № 2. С. 66–70.
7. Петрянин Д. Л. Анализ систем защиты информации в базах данных / Д. Л. Петрянин, Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. С. 115–122.
8. Горячев Н. В. Алгоритм функционирования стенда исследования теплоотводов и систем охлаждения радиоэлектронной аппаратуры/ Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2011. № 1. С. 385–391.
9. Шуваев П. В. Формирование структуры сложных многослойных печатных плат / П. В. Шуваев, В. А. Трусов, В. Я. Баннов, И. И. Кочегаров, В. Ф. Селиванов, Н. В. Горячев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. С. 364–373.
10. Горячев Н. В. Программные средства теплофизического проектирования печатных плат электронной аппаратуры / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Молодой ученый. 2013. № 10. С. 128–130.
11. Сивагина Ю. А. Обзор современных симплексных ретрансляторов радиосигналов/ Ю. А. Сивагина, И. Д. Граб, Н. В. Горячев, Н. К. Юрков //Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 74–76.
12. Горячев Н. В. Автоматизированный выбор системы охлаждения теплонагруженных элементов радиоэлектронных средств / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, К. С. Петелин, В. А. Трусов, И. И. Кочегаров, Н. К. Юрков // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2013. № 4. С. 136–143.
13. Трифоненко И. М. Обзор систем сквозного проектирования печатных плат радиоэлектронных средств / И. М. Трифоненко, Н. В. Горячев, И. И. Кочегаров, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 396–399.
14. Горячев Н. В. Проектирование топологии односторонних печатных плат, содержащих проволочные или интегральные перемычки / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 2. С. 122–124.
15. Лысенко А. В. Краткий обзор методов имитационного моделирования / А. В. Лысенко, Н. В. Горячев, И. Д. Граб, Б. К. Кемалов, Н. К. Юрков // Современные информационные технологии. 2011. № 14. С. 171–176.
16. Меркульев А. Ю. Системы охлаждения полупроводниковых электрорадиоизделий / А. Ю. Меркульев, Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Молодой ученый. — 2013. — № 11. — С. 143–145.
17. Граб И. Д. Алгоритм функционирования компьютерной программы стенда исследования теплоотводов/ И. Д. Граб, Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков //Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 1. С. 244–246.
18. Горячев Н. В. Индикатор обрыва предохранителя как элемент первичной диагностики отказов РЭА / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 78–79.
19. Подложенов К. А. Разработка энергосберегающих технологий для теплиц / К. А. Подложёнов, Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Современные информационные технологии. 2012. № 15. С. 193–194.
20. Горячев Н. В. Программа инженерного расчёта температуры перегрева кристалла электрорадиокомпонента и его теплоотвода / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, И. Д. Граб, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 242–243.
21. Горячев Н. В. Информационно-измерительная система для исследования средств воздушного охлаждения электрорадиоизделий. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.11.16 / Пензенский государственный университет. Пенза, 2014.
