אפשר גם בלי נתח: ביצוע מדידות FFT באמצעות אוסילוסקופ
12 אוגוסט, 2012
למרות שמקובל לבצע בדיקות FFT באמצעות נתח ספקטרום - במקרים רבים כדאי למהנדסים לבצע אותן באמצעות האוסילוסקופ המצוי במעבדה, ולנתח את התוצאות במחשב האישי באמצעות תוכנות ייעודיות
למרות שמקובל לבצע בדיקות FFT באמצעות נתח ספקטרום – לעתים עדיף לבצע אותן באמצעות אוסילוסקופ, ולנתח את התוצאות במחשב האישי
מאת: Joel Woodward, Agilent Technologies
כל האוסילוסקופים זמן-אמת המבוססים על אחסון דיגיטלי מספקים פונקציה מתימטית אחת או יותר. האוסילוסקופ מממש אלגוריתמים מתימטיים על הנתונים שנלכדו והתוצאות מוצגות לצד צורות גל. הדבר מאפשר לבצע המרה מ-time domain ל-frequency domain באמצעות אלגוריתמים מתמטיים, שונים, שאחד מהם הוא בדרך-כלל ה-FFT.
ניתן לגשת ל-FFTs על-ידי מעבר לתפריט המתימטי של האוסילוסקופ ולהגדיר את ה-FFT באמצעות שימוש בתדרי start/stop, או באמצעות הגדרת תדרי ה-center screen וה-span. הסמנים מאפשרים מדידות הספק מיידיות של שיאים. ניתן גם להגדירם להצגת תדרים של שיאים ספציפיים.
עומק הזיכרון ואיתור "חשודים"
כיוון שה-FFTs מבוצעים אלגוריתמית, זיכרון עמוק מניב תוצאות טובות יותר, לרבות רזולוציה גבוהה יותר של רוחב פס והיכולת להציג תוכן ספקטרלי נמוך יותר בעת ביצוע ההתמרות. לכן בהערכת אוסילוסקופים מעדיפים רבים לבחון את מהירות פונקציות ה-FFT כאשר הזיכרון העמוק (בדרך-כלל 1Mpts ומעלה) מופעל. לרוב, FFTs פועלים רק על הנתונים המופיעים על המסך. במהלך הלכידה האוסילוסקופ צובר משך זמן מוגדר בכל טריגר, על סמך קצב הדגימה וכמות הזיכרון המנוצלת. ה-FFT אינו יכול "לראות" תדרים נמוכים מן ה-inverse של חלון לכידת הזמן של האוסילוסקופ. על-מנת לראות מקור חשוד ב-FFT, על המשתמש להגדיר את עומק הזיכרון לרמה המאפשרת לכידת כמות מספקת של דגימות.
לדוגמה, אם ספק כוח ממותג פועל בתדר של 20KHz, המשתמש צריך ללכוד 1/20KHz, כלומר 50μs של פעילות אותות. לקצב דגימה של 10GSa/s יש צורך בזיכרון לכידה של 500kpts. בקרת ה-FFT של האוסילוסקופ כוללת resolution bandwidth, המסייעת להגדרת קשרי הגומלין בין עומק הזיכרון לבין היכולת להבחין בגרעיניות ספקטרלית. במקרה של האוסילוסקופים, המשתמשים מגדירים את עומק הזיכרון והסקופ מדווח מצדו מהי תוצאת ה-resolution bandwidth. הצפייה בתוצאת ה-resolution bandwidth מסייעת לקבוע מהו עומק הזיכרון שיש ללכוד כדי להבחין בתוכן ספקטרלי ברוחב הפס הרצוי.
אם כבר בר יש אוסילוסקופ…
צוותי הפיתוח מסתמכים האוסילוסקופים להשגת תובנות בנוגע לבאגים. אצל משתמשים שעבורם האוסילוסקופ הוא הכרחי, מדידות מבוססות FFT מספקות יכולות נוספות ללא צורך במכשיר מדידה נוסף. ההגדרה והתצוגה של ה-FFT הן תהליכים פשוטים (איור 1). בדרך-כלל, FFTs של אוסילוסקופים מספקים מגוון סוגים של חלונות FFT, כגון מלבני, Hanning, flattop, Blackman-Harris ו-Hamming. ניתן לבצע מדידות FFT על עקבה עמוקה בודדת, או כאשר הסקופ פועל באופן חזרתי. הפעלת ה-infinite persistence כאשר פונקציית ה-FFT מופעלת, מאפשרת לחפש spurs בציר התדר, אשר עשויים להיות מוצגים בצורה לא סדירה.
מכיוון שיכולת ה-FFT כלולה בתוכנת הבסיס של האוסילוסקופ, הצפייה באותות ב-frequency domain היא לרוב הרחבה חינמית. ניתן לבצע FFTs בערוץ יחיד או במספר ערוצים בו-זמנית. ניתן להיעזר ב-triggering ובהשהייה לצורך לכידת והצגת תכנים ספקטרליים של האירועים העומדים בתנאי הטריגר. אוסילוסקופים המיועדים לקצה הגבוה יותר מספקים בדרך-כלל מספר פונקציות הניתנות לשרשור. לדוגמה, פונקציה אחת יכולה לספק את המתח הדיפרנצילי הקיים בין שני אותות ואילו פונקציה אחרת יכולה לבצע FFT של תוצאות הפונקציה הראשונה.
תובנה אוסילוסקופית
המהנדסים נדרשים להפיק תובנות מתוך מגוון רחב של טווחים ואותות. לכן יצרני האוסילוסקופים מספקים מאות פרובים. כל אחד מהם נותן מענה לדרישה ספציפית לאותות single-ended או אותות דיפרנציאליים, מהירויות ומתחים שונים. הפרובים מיועדים להתחבר למגוון מערכות היעד שאותן רוצים למדוד.
הדבר מאפשר לבצע FFTs מבוססי סקופים בכל מקום שבו ניתן לחבר פרוב או כבל. החיבור לפרובים, אבזרים ואפילו כבלים ישפיע על מדידות האוסילוסקופים. פרובים דיפרנציאליים בעלי יכולת ביצוע גבוהה מתאימים לביצוע מדידות מדויקות, גם בעת מדידה של אותות single-ended (של יציאה בודדת).
אף על-פי שהאוסילוסקופים אינם מתאפיינים ברצפת הרעש הנמוכה המאפיינת נתחי ספקטרום איכותיים, הם יכולים לספק תובנה התחלתית טובה לגבי המתרחש ב-frequency domain. לאחר שהתגלה בעיה, הצוות יכול להיעזר בנתח הספקטרום לצורך צפייה מעמיקה ומדוייקת יותר ב-time-domain.
ניתוח איכותי בפס רחב
נתח ספקטרום בוחן שלל תדרים באמצעות התבוננות בחלק אחר של הספקטרום בכל רגע נתון. אוסילוסקופים, לעומת זאת, לוכדים ב"סבב" יחיד את כל התוכן הספקטרלי של האות, מרמת ה-DC ועד לרוחב הפס של הסקופ. לכן האוסצילוסקופ הוא הפתרון היחיד לביצוע ניתוח ספקטרלי בפס רחב. אוסילוסקופ זמן-אמת מספק ניתוח ספקטרלי ופועל בכל רוחב הפס של הסקופ ושל הפרוב.
לדוגמה, נניח תכנון הכולל ספק כוח ממותג בתדר 20KHz ושעון של 100MHz. ה-FFT מציג spurs ב-20KHz ובהרמוניות אי-זוגיות של 100MHz. האמפליטודה היחסית של spurs מספקת תצוגה ברמה ראשונה של עוצמת הרעש הבלתי רצוי שתורם כל אחד מהם. הצפייה ב-FFT מספקת תובנות בנוגע לבעיות צימוד פוטנציאליות של ספק הכוח, אשר קשה לזהות על-ידי התמקדות ב-time domain בלבד. העובדה שה-FFT מציג את התוכן הספקטרלי מרמת ה-DC ועד לרוחב הפס של האוסילוסקופ, מעניקה תובנות בנוגע למגוון רחב של תדרים.
החיסרון הטמון ביכולת האוסילוסקופ לבצע ניתוח פס רחב הוא ברעש אקראי לרוחב הספקטרום. אחת מהטכניקות לשיפור ניראות ה-spurs היא חישוב הממוצע של ה-FFT. המיצוע מסייע להנמיך את רצפת הרעש של האוסילוסקופ. הרעש הרנדומלי מתפזר בממוצע לרוחב לכידות מרובות, וגורם לדיכוי יחסי של הרעש בהשוואה לתוכן הספקטרלי הממשי. טכניקה זו מאפשרת לבודד אותות קטנים יותר מתוך הרעש ולהבחין ביתר קלות ב-spurs קטנים. מספר גבוה יותר של ממוצעים מנמיך עוד יותר את רצפת הרעש, אולם גורם להאטת ביצועי העדכון של בקרת ה-FFT והאוסילוסקופ.
ייצוא צורות גל לכלי ניתוח מבוססי PC
יישומי ניתוח מבוססי מחשב מאפשרים לשמור את צורת הגל של האוסילוסקופ כדי לנתח אותן מאוחר יותר באמצעות מחשב אישי. דוגמה ליישום כזה הוא InfiniiView של Agilent, המוצג באיור 2. הוא מאפשר להציג ולנתח את מדידות ה-frequency domain הרחק מן האוסילוסקופ וממערכת היעד, ולמעשה בכל מקום שבו נמצא המחשב –באמצעות אותן בקרות FFT ויכולת צפייה הקיימות באוסילוסקופ. המשתמשים יכולים להעביר את סמני התדרים והמגניטודה לחלון הספקטרלי, לבחור רמת ייחוס ולאפשר לכלי ליצור באופן דינמי טבלה של ערכי שיא ושל התדרים המשוייכים, אשר חורגים מרמת הייחוס.
לדבר מספר יתרונות. כלי ניתוח מבוססי מחשב יכולים להסתייע בצגים בעלי רזולוציה גבוהה שלרוב אינם מצויים במעבדות. חלק מהכלים מסוימים מבוססי מחשב מאפשריםלהעביר את החלון הספקטרלי גם לצג נוסף, וליהנות מתצוגה מורחבת של מדידות ציר הזמן בצג הראשי.
תוכנת Spectrum Visualizer
במחשב האישי ניתן לצלם את המסך לצורך תיעוד או משלוח באימייל, לאחסן רשומות נתונים מלאות בתוספת התוכן הספקטרלי המשוייך אליהן, ולאחזר אותן במועד מאוחר יותר. יישומים מבוססי מחשב גם מספקים יכולות ניתוח של ציר התדר שהן עשירות יותר מאלה הזמינות באוסילוסקופ.
תוכנת ASV-Spectrum Visualizer של Agilent, המתוארת באיור 3., מספקת ניתוח ספקטרום וניתוח מבוסס ספקטרוגרמה, לרבות הגדרות פרמטרים ובקרה, ופונקציונליות סמנים המוכרת למהנדסי RF, ולכן נהנית מיתרונות בהשוואה לפתרונות FFT מבוססי אוסילוסקופ מסורתיים.
בשוק קיימים פתרונות מבוססי מחשב מתקדמים המספקים תצוגות RF ברמה גבוהה של האותות שנלכדו באמצעות האוסילוסקופ. לדוגמה, לאחר דיגיטציה של אותות ששודרו באופן אלחוטי, האות קיים כעת כ-I ו-Q וניתן ללכידה באמצעות האוסילוסקופ. את לכידת האוסילוסקופ ניתן להזין לכלים המאפשרים ויזואליזציה וניתוח RF מפורט, לצורך הצגת תרשימי קונסטלציה, ספקטרום EVM וניתוח אפנון כמתואר באיור 4.
למשתמשים שאין בבעלותם נתח ספקטרום, או כאלה הזקוקים לתצוגה מהירה של תוכן ספקטרלי, יש יתרונות בביצוע FFT באמצעות אוסילוסקופ. בדרך-כלל הסקופים קלים יותר להשגה, מדידות ה-FFT מתבצעות במהירות וניתוח הפס רחב אפשרי עד לרוחב הפס של האוסילוסקופ. למשתמשים הזקוקים לטווח דינמי משופר, עיוות מופחת, מאפייני SFDR טובים יותר או ניתוח ספקטרלי מתקדם, נתחי הספקטרום ממשיכים להוות בחירה מעולה.
פורסם בקטגוריות: חדשות , צב"ד , ציוד בדיקה
כתבות נוספות העשויות לעניין אותך
