Utilizzo dei filtri dell’oscilloscopio per misurazioni migliori

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La maggior parte degli oscilloscopi è dotata di filtri per contribuire a migliorare la misurazione riducendo il rumore complessivo in un’acquisizione per migliorare il rapporto segnale-rumore (SNR). Anche gli oscilloscopi più basilari includono un filtro passa basso analogico da 20 MHz nel percorso del segnale del canale di ingresso. Gli oscilloscopi di fascia alta con una larghezza di banda di GHz o migliore generalmente offrono filtri passa-basso con ingressi multipli, alcuni analogici e altri digitali. I filtri digitali di rumore o risoluzione migliorata (ERES) sono filtri digitali passa-basso utilizzati per aumentare la risoluzione di ampiezza della larghezza di banda scambiata dell’oscilloscopio per un migliore SNR. Oltre a questi filtri di limitazione della banda di ingresso, gli oscilloscopi spesso includono un software di filtro digitale opzionale che fornisce tipi di filtro più generali per esigenze di filtraggio più complesse.

Questo articolo tratterà di come utilizzare tutti questi strumenti di filtro.

Limite della banda di ingresso e filtri antirumore

Gli oscilloscopi con larghezze di banda superiori a 100 MHz generalmente includono un filtro limite di banda da 20 MHz destinato a ridurre la larghezza di banda dell’oscilloscopio per ridurre il rumore a banda larga nelle misurazioni a bassa frequenza. Questo filtro è solitamente abilitato nella configurazione del canale di ingresso simile a quello mostrato in Figura 1.

Figura 1 L’impostazione del canale di ingresso per un oscilloscopio con la selezione del filtro del limite di larghezza di banda evidenziata in giallo e il filtro del rumore evidenziato in arancione. Fonte: Arturo Pini

L’oscilloscopio in questo esempio ha una larghezza di banda completa di 4 GHz e filtri limite della banda di ingresso di 20 e 200 MHz. Gli oscilloscopi con larghezze di banda più elevate offrono solitamente più selezioni di filtri del limite di banda. Ha anche la predisposizione per un filtro antirumore con larghezze di banda selezionate dall’utente.

Questi filtri migliorano l’SNR riducendo la larghezza di banda di misurazione. L’entità del miglioramento dipende dalla distribuzione della frequenza dei segnali di rumore. Se la sorgente del rumore fosse un rumore bianco gaussiano spettralmente piatto, il miglioramento dell’SNR sarebbe proporzionale alla radice quadrata della riduzione della larghezza di banda. Pertanto, riducendo la larghezza di banda di un fattore quattro si dimezzerebbe il livello di rumore per un segnale di rumore spettralmente piatto.

Utilizzando il filtro limite di banda

Come esempio di come possono essere applicati i filtri dell’oscilloscopio, osserviamo la tensione di ondulazione sul bus a 5 volt di una scheda di circuito per misurare l’ondulazione dovuta agli effetti di carico del circuito e vediamo l’effetto dei filtri passa basso del limite di banda sulla misurazione . Valuteremo un filtro limite di banda a 20 MHz (figura 2).

figura 2 La misurazione effettuata a piena larghezza di banda è mostrata in alto. La traccia inferiore è stata acquisita utilizzando il filtro limite della banda da 20 MHz con una riduzione del rumore ad alta frequenza. Fonte: Arturo Pini

La traccia superiore è stata acquisita a larghezza di banda completa utilizzando l’accoppiamento CA e una sonda ad alta impedenza con una molla di terra per ridurre la captazione vagante sui conduttori di terra. La forma d’onda a bassa frequenza simile a un impulso è l’ondulazione causata dal carico del circuito quando vari dispositivi sulla scheda PC si accendono e si spengono. Questo segnale desiderato è oscurato dal rumore a frequenza più elevata. La forma d’onda acquisita utilizzando il filtro da 20 MHz mostra una significativa riduzione del rumore ad alta frequenza, ma non lo ha eliminato. Il filtro da 20 MHz ha avuto scarso effetto sui componenti di ripple a bassa frequenza, che hanno una frequenza molto bassa inferiore a 20 MHz. Confrontando le ampiezze picco-picco nei segmenti compresi tra 2 e 4 ms, dove il rumore ad alta frequenza è la componente principale, il filtro ha ridotto il rumore picco-picco da 50,4 a 13,1 mV. Il rumore che rimane ha componenti di frequenza inferiori a 20 MHz.

Osservando più da vicino l’acquisizione dell’intera larghezza di banda utilizzando lo zoom e la trasformata veloce di Fourier (FFT) per osservare più da vicino il segnale acquisito e valutare la distribuzione di frequenza del rumore. Il segnale acquisito a piena larghezza di banda mostra perché il filtro da 20 MHz ha lasciato una discreta quantità di rumore sul segnale (Figura 3).

Figura 3 L’espansione dello zoom e la FFT della forma d’onda rumorosa mostrano ulteriori dettagli delle componenti del rumore.

Espandendo il segnale orario orizzontalmente (seconda traccia dall’alto), il rumore ad alta frequenza appare come stretti impulsi accoppiati capacitivamente. I fronti veloci su questi componenti di rumore hanno componenti ad alta frequenza che verranno diffusi spettralmente. Osservando la FFT (terza traccia dall’alto), vediamo un ampio spettro causato da questi elementi di rumore. Inoltre, i picchi spettrali che rappresentano le componenti periodiche del segnale hanno la densità più elevata al di sotto di 15 MHz. Le variazioni di tensione dovute al carico del circuito sono variazioni a bassa frequenza simili a impulsi rettangolari. Nello spettro FFT, questi appaiono all’estrema sinistra, sotto i 50 kHz. La traccia inferiore è la FFT delle componenti a bassa frequenza da 0 a circa 1 MHz. Il filtro limite della banda di ingresso da 20 MHz attenua le componenti di rumore superiori a 20 MHz ma lascia inalterate le altre componenti spettrali.

Per ridurre ulteriormente il rumore è necessario ridurre ulteriormente la larghezza di banda di misurazione. Ciò può essere ottenuto utilizzando il filtro del rumore, consentendo all’utente di selezionare una delle sei possibili larghezze di banda ridotte.

Migliora la risoluzione dei filtri antirumore

I filtri antirumore sono conosciuti anche come filtri ERES perché aumentano il numero effettivo di bit di risoluzione dell’oscilloscopio. Questi filtri sono disponibili anche tramite l’impostazione del canale di ingresso, come mostrato nella Figura 1, e anche come funzione matematica nell’oscilloscopio utilizzato in questo esempio. Il filtro ERES elabora “n” campioni alla volta dall’input acquisito e li pesa per produrre un filtro a risposta impulsiva finita (FIR) con una risposta in frequenza passa-basso gaussiana. Il filtro passa basso gaussiano non ha lobi laterali nel dominio della frequenza e non provoca mai sovraelongazioni, sottoelongazioni o squilli nel dominio del tempo, mantenendo l’integrità del segnale. Il filtro ERES utilizza una qualsiasi delle sei lunghezze campione: 2, 5, 11, 25, 52 e 106 tap per ottenere un miglioramento della risoluzione da 0,5 a 3,0 bit con incrementi di mezzo bit ciascuno. Le frequenze di taglio del filtro passa basso dipendono dalla frequenza di campionamento dell’acquisizione. Tabella 1 mostra le caratteristiche del filtro del rumore di tutti e sei i passaggi per la frequenza di campionamento di 100 mega-campioni al secondo (MS/s) utilizzata durante l’acquisizione.

Tabella 1 Il numero di prese e la larghezza di banda risultante del filtro del rumore per le sei possibili impostazioni del limite di larghezza di banda del filtro e una frequenza di campionamento di 100 MS/s.

Il filtro antirumore ERES fornisce una gamma di frequenze di taglio passa basso che diminuiscono proporzionalmente al numero di prese nel filtro. La modifica della frequenza di campionamento dell’acquisizione ridimensionerà proporzionalmente le frequenze di taglio, fornendo una scelta ancora maggiore nelle frequenze di taglio. Selezionando il miglioramento a 3 bit vengono utilizzati 106 campioni per ottenere una larghezza di banda di 800 kHz. È mostrato il risultato dell’applicazione del filtro passa basso da 800kHz al segnale acquisito Figura 4.

Figura 4 Il filtro del rumore passa basso da 800kHz elimina la maggior parte del rumore ad alta frequenza, consentendo uno studio dettagliato dei componenti di ondulazione a frequenza più bassa dovuti al carico del circuito. Fonte: Arturo Pini

La selezione di 800 kHz del filtro antirumore ha rimosso gran parte del rumore ad alta frequenza e le variazioni di tensione dovute al carico del circuito sono più chiaramente visibili.

I filtri passa basso possono attenuare o eliminare il rumore ad alta frequenza. In alcuni casi, potresti voler essere in grado di separare i componenti a bassa e alta frequenza e studiarli in modo indipendente. Ciò richiede l’uso sia di un filtro passa alto che di uno passa basso. Questo oscilloscopio include un pacchetto di filtri digitali opzionale che offre vari tipi di filtri e una gamma più ampia di frequenze di taglio rispetto al filtro antirumore standard.

Filtri digitali per uso generale

L’opzione del pacchetto di filtri digitali amplia l’offerta di filtri. Può creare quattro tipi di filtri: passa basso, passa alto, passa banda e blocca banda, come mostrato in Figura 5.

Figura 5 Esempi delle risposte in frequenza dei tipi di filtro passa basso (traccia gialla), passa alto (traccia rossa), passa banda (traccia blu) e elimina banda (traccia verde). Fonte: Arturo Pini

Questi filtri possono essere creati utilizzando topologie FIR o risposta all’impulso infinito (IIR). I filtri IIR consentono agli utenti di selezionare tipi di filtri digitali identici in risposta a filtri analogici ben noti, tra cui Butterworth, Bessel, Chebyshev o Inverse Chebyshev, gli esempi sono mostrati in Figura 6.

Figura 6 Confronto delle risposte in frequenza di ampiezza dei filtri passa basso IIR di Bessel (traccia rossa), Butterworth (traccia gialla), Chebyshev (traccia blu) e Chebyshev inverso (traccia verde). Fonte: Arturo Pini

Questi sono i tipi di filtri analogici più comunemente usati. Il filtro Butterworth o “massimamente piatto” ha la risposta in ampiezza più piatta tra tutti i filtri disponibili. Il filtro Bessel è noto per la sua risposta di fase uniforme

una funzione della frequenza. Se hai bisogno del roll-off più veloce, i filtri Chebyshev e Chebyshev inverso hanno la regione di transizione più stretta per un dato numero di stadi. Sul lato negativo, il filtro di Chebyshev presenta un’ondulazione di ampiezza nella banda passante, mentre il filtro di Chebyshev inverso mostra una risposta piatta della banda passante ma presenta un’ondulazione nella banda di arresto. Il pacchetto filtri fornisce il controllo delle frequenze di taglio, dell’ordine dei filtri, dell’ampiezza di transizione e dell’attenuazione della banda di arresto di ciascun filtro. Il pacchetto di opzioni di filtro consente inoltre agli utenti di utilizzare un filtro progettato su misura.

Due diverse istanze di un filtro Butterworth vengono applicate separatamente al segnale acquisito per separare le componenti a bassa e ad alta frequenza del ripple del power rail. Le componenti ad alta frequenza vengono rimosse utilizzando un filtro passa basso Butterworth del sesto ordine con una frequenza di taglio di 50 kHz. Le componenti a bassa frequenza vengono separate applicando un filtro passa alto Butterworth di sesto ordine con la stessa frequenza di taglio di 50 kHz. I risultati sono mostrati in Figura 7.

Figura 7 Utilizzando un filtro passa basso e un filtro passa alto per separare le componenti a bassa e alta frequenza dell’ondulazione. Fonte: Arturo Pini

La frequenza di taglio di 50 kHz è stata selezionata affinché fosse inferiore alla frequenza di commutazione nominale di 61,7 kHz della fonte di alimentazione in modo che il filtro attenuasse ragionevolmente i componenti del segnale a quella frequenza a causa della commutazione di alimentazione. Il segnale acquisito è mostrato nella griglia in alto a sinistra. I componenti a bassa frequenza estratti appaiono sotto di esso nella griglia centrale a sinistra. La griglia in basso a sinistra mostra la FFT del segnale filtrato passa basso. Il cursore contrassegna la frequenza di commutazione di 61,7 kHz, che viene attenuata di oltre 30 dB al di sotto della frequenza massima a bassa frequenza.

L’uscita del filtro passa alto appare nella griglia in alto a destra. Si noti che l’ondulazione a bassa frequenza dovuta al carico del circuito è scomparsa. Lo zoom di quella forma d’onda, mostrato nella griglia al centro a destra, mostra i picchi di rumore familiari ma senza l’ondulazione correlata al carico. La griglia in basso a destra mostra la FFT del segnale ripple filtrato passa alto con il cursore che segna 61,7 kHz. Si noti che le componenti spettrali al di sotto del taglio passa alto vengono attenuate.

Separando le componenti dell’ondulazione ad alta e bassa frequenza, è possibile misurarle in modo indipendente. Ad esempio, il parametro di misurazione P1 è impostato per misurare l’ampiezza dell’ondulazione correlata al carico. L’ampiezza dell’ondulazione è 16,33 mV. La forma d’onda filtrata passa alto può anche essere misurata o studiata per rivelare le sorgenti e gli effetti dei componenti di ondulazione ad alta frequenza.

Misurazioni più accurate con i filtri

I filtri dell’oscilloscopio offrono agli utenti diverse opzioni per migliorare l’SNR ed effettuare misurazioni più accurate. Possono ridurre le componenti del rumore ad alta frequenza o separare selettivamente i meccanismi del rumore ad alta e bassa frequenza, consentendo la misurazione degli elementi selezionati. Gli strumenti di analisi dello spettro, come la FFT, aiutano a determinare come impostare i parametri del filtro per ottenere i risultati più accurati.

Arthur Pini è uno specialista del supporto tecnico e un ingegnere elettrico con oltre 50 anni di esperienza nei test e nelle misurazioni elettroniche.

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