Details haarscherp in beeld

Oscilloscopen met bandbreedtes tot 6 GHz

Sneller, beter, uitgebreider, meer functies en nauwkeuriger, dat zijn de stappen die veelal gezet worden door de ontwikkelaars van meetapparatuur bij het uitbrengen van een nieuw apparaat. Dit geldt zeker voor de ontwikkelaars bij Rohde & Schwarz. Zij hebben onlangs de RTO6 oscilloscoop uitgebracht die op heel veel vlakken zijn voorganger ruim voorbij gaat. Niet alleen levert hij hogere prestaties dan zijn voorganger, maar is het zeker ook de bediening waar grote stappen gezet zijn. Al deze ontwikkelingen hebben er toe geleid dat de RTO6 een zeer interessant meetinstrument is voor de ontwikkeling van hoogwaardige elektronica.

Over de nieuwe serie oscilloscopen van Rohde & Schwarz valt heel veel te vertellen. Samengevat kunnen we zeggen dat de familie van RTO-oscilloscopen van R&S met de RTO6 een interessante uitbreiding heeft gekregen. De bijgewerkte gebruikersinterface en het groter 15,6-inch Full HD-touchscreen maken de dagelijkse meettaken met deze oscilloscoop alleen maar gemakkelijker, mede door de ultramoderne specificaties zoals een ENOB van 9,4 (Effective number of bits), een ongeëvenaarde updatesnelheid van één miljoen golfvormen per seconde en een uitgebreide toolset met analysefuncties. De serie bestaat uit zes verschillende modellen met bandbreedtes van 600 MHz tot 6 GHz en een samplefrequentie tot 20 Gsample/s. Het instrument biedt uitstekende signaalgetrouwheid, een uniek krachtige digitale triggering en beschikt over veel geheugen. Een speciale ASIC voor de signaalverwerking zorgt voor de acquisitiesnelheid van maximaal één miljoen golfvormen per seconde. Hierdoor kunnen gebruikers zelfs sporadische signaalgebeurtenissen betrouwbaar detecteren. Ruisarme ingangselektronica en single-core A/D-converters met extreem kleine lineariteitsfouten zorgen voor een signaalintegriteit met een spurious-vrij dynamisch bereik (SFDR) van 65 dBc en een ENOB van 9,4. Hierdoor kunnen gebruikers alle signaaldetails met maximale precisie vastleggen.
Met de high definition-mode kunnen nog meer signaaldetails zichtbaar worden gemaakt. Dit verhoogt de verticale resolutie tot maximaal 16 bit met digitale filtering. Dit gefilterde 16-bits signaal wordt ook gebruikt door het digitale triggersysteem. Hierdoor kan de RTO6 zelfs triggeren op de kleinste signaaldetails. Meer dan 90 meetfuncties zijn opgenomen in de RTO6 waaronder amplitude- en tijdmetingen, jitter-, oog-, histogram- en spectrale metingen. Bovendien zijn er meerdere toepassingsspecifieke software-opties voor complexe metingen beschikbaar. Dankzij zijn uitgebreide toolset is de RTO6 inzetbaar voor een groot aantal toepassingen, variërend van EMI-foutopsporing en spectrumanalyse tot automotive-applicaties, ethernet-testen en seriële busanalyse, evenals vermogenselektronica en analoge en digitale technieken.

Nauwkeurig
Voordat de signalen zichtbaar worden op het 15,6-inch touchscreen is er door de elektronica in de oscilloscoop het nodige afgehandeld. Dit begint bij de ingangen. Dit zijn gebalanceerde BNC-compatibele aansluitingen (50 Ω en 1 MΩ) waar per kanaal een extreem ruisarme versterker achter geplaatst is. Door de opbouw van dit ingangsdeel, alsmede door de toegepaste afscherming is de overspraak tussen de kanalen minimale (afbeelding 1). De kanaal-naar-kanaalisolatie is >60 dB tot 2 GHz waardoor meetsignalen van het ene kanaal zo min mogelijk invloed hebben op signalen in het aangrenzende kanaal. Tegelijkertijd de in en uitgangssignalen van een zware versterker weergeven is dus geen probleem. Daarbij zorgt de ingangstrap van de oscilloscoop er voor dat er nagenoeg geen ruis aan het signaal wordt toegevoegd waardoor er een reëler beeld van de werking van de versterker verkregen wordt.
Bedenk hierbij dat we afhankelijk van de gekozen oscilloscoop signalen kunnen bekijken tot 6 GHz. Deze hoge frequentie wordt mede gehaald door de toegepaste ingangselektronica die tot deze frequentie een vlakke frequentiecurve heeft binnen 1 dB. Daar komt bij dat de gekozen gebalanceerde BNC-connectoren geschikt zijn tot 18 GHz en dus geen rol spelen bij het verloop van de frequentiecurve van de ingang van de oscilloscoop.

A/D-converter met ultrabrede SFDR
De nieuwe RTO6-oscilloscopen zijn uitgerust met voor elk kanaal een aparte, aangepaste A/D-converter. Dit zijn omzetters met extreem kleine lineariteitsfouten, wat resulteert in een ultrabreed spurious-vrij dynamisch bereik (SFDR) van 65 dBc. Dit vormt zowel de basis voor uitstekende signaalintegriteit, terwijl het ook verdere ruisonderdrukking mogelijk maakt met filtering. De toegepaste ADC’s hebben een ENOB (effectief aantal bits) van 9,4 bij een ingangssignaal van 10 MHz op de 50-Ω-ingang met een grootte van 90 % full-scale bij 50 mV/div. In de high-definition (HD) mode weet men de resolutie van de ADC’s op een slimme manier te verhogen tot 16 bits voor ingangssignalen tot 50 MHz. De techniek die hier achter zit, wordt mogelijk gemaakt door de hoge samplingfrequentie waarmee in alle standen van de tijdbasis het ingangssignaal bemonsterd wordt. In elke stand van de tijdbasis wordt met dezelfde frequentie bemonsterd. Voor een signaal van 50 MHz is deze frequentie absoluut niet nodig. Sterker nog, om een aantal perioden van het ingangssignaal te laten zien, is de samplingsnelheid zo hoog dat het interne displaygeheugen vol zou raken als alle samples verwerkt zouden worden. Bij een hele lange tijdbasis worden dan ook de meeste samples niet gebruikt en worden simpelweg weggegooid. In de HD-mode van de RTO6 worden deze samples echter niet weggegooid. Ze worden gebruikt voor het uitrekenen van een gemiddelde samplewaarde over al deze niet gebruikte samples. Dit gemiddelde benadert de werkelijke waarde met een veel hogere resolutie dan de resolutie van de ADC. Bij ingangssignalen tot 50 MHz kan men zo door het verrekenen van de gigantische hoeveelheid anders niet gebruikte samples een resolutie van 16 bits halen. Het spreekt voor zich dat bij deze techniek de ingestelde tijdbasis een belangrijke rol speelt. Hoe langer de tijdbasis is, hoe meer samples er immers ongebruikt worden en dus toegepast kunnen worden voor het bepalen van het gemiddelde. Dit vertaalt zich naar de resoluties als functie van de bandbreedte zoals in tabel 1 te zien zijn. Hier is ook te zien dat het signaal gefilterd moet worden om te voorkomen dat hogere harmonischen de berekening van het gemiddelde verstoren. De waarden van de samples die tot het gemiddelde moeten leiden, moeten immers wel van dezelfde basis golfvorm afkomstig zijn.

Afbeelding 2 toont welke voordelen het verhogen van de resolutie heeft. Aan de linkerkant is een sinus te zien met daar onder een uitvergroting van een deel hiervan. Rechts is hetzelfde te zien, maar dan bij ingeschakelde HD-mode. De resolutie hier is nu 16 bits waardoor nu wel goed te zien is dat er op de bovenste sinus een tweede sinusvormig signaal gesuperponeerd is.

Triggeren
Uniek zijn de vele triggermogelijkheden. Complexe signaaldetails zijn hierdoor veel gemakkelijker zichtbaar te maken. Als eerste moeten we noemen dat er getriggerd kan worden op signalen die in de HD-mode zichtbaar zijn. Afbeelding 3 laat hiervan een fraai voorbeeld zien. Zonder de HD-mode gaat het triggerpunt letterlijk ten onder in het ‘gras’.
Uniek is ook dat u zelfs kunt specificeren ‘waar’ in het tijd- of frequentiedomein moet worden getriggerd door simpelweg een speciale zone direct op het golfvormscherm te tekenen (afbeelding 4). Gebeurtenissen in zowel het tijd- als het frequentiedomein kunnen zo voor een trigger zorgen. Maximaal acht zones zijn te combineren over meerdere kanalen, signaalbeweringen zoals FFT’s of wiskundige functies om tot een uiteindelijk triggerpunt te komen. Deze krachtige, gebruiksvriendelijke functie maakt het bijvoorbeeld mogelijk om lees-/schrijfsequenties van een geheugensysteem van elkaar te scheiden.

En nog heel veel meer
Met al dat we tot nu toe over de nieuwe RTO6 verteld hebben, zijn we nog lang niet bij het einde. Uitgebreid zouden we nog moeten stil staan bij de manier waarop de oscilloscoop bediend wordt, de mogelijkheden om de weer te geven signaalvormen op elk willekeurig plekje op het scherm te kunnen plaatsen, over de standaard aanwezige functies en alle uitbreidingsmogelijkheden en al dat nog meer maakt dat deze oscilloscoop uniek is. Helaas hebben we daarvoor geen plek in deze e-totaal. U zult dan ook zelf op internet op jacht moeten gaan als u echt alles wilt weten. Gelukkig heeft R&S een uitgebreide brochure gemaakt van bijna 50 pagina’s waarin in grote lijnen alles behandeld wordt. Een link hier naar toe treft u hieronder aan.