SpectrumView ile Standart FFT Fonksiyonuna Oranla Daha Geniş Frekans Aralıklarında Daha Yüksek Çözünürlük ile Spektrum Analizi:

Gömülü sistemlerde hata ayıklama, genellikle bir seferde yalnızca bir düzleme bakarak keşfedilmesi zor olan ipuçlarının aranmasını içerir. Zaman ve frekans düzlemlerini aynı anda görüntüleme yeteneği, kablosuz iletimler sırasında bir güç rayının voltajını ölçmenizi veya yük değişimleri sırasında yakın alan EMI'lerini gözlemlemenizi sağlayabilir. Bu karma düzlem analizi, zaman düzlemi dalga formlarının ve frekans düzlemi spektrumlarının senkronize görünümlerini sağlar. Kapsamlı yüksek frekanslı dalgalanma analizi için, yüksek frekans çözünürlüğüyle geniş frekans aralıklarında ölçümler yapmak önemlidir. Bu yazı  4, 5 ve 6 Serisi MSO'ların hem karma düzlem analizini hem de mükemmel frekans çözünürlüğüyle geniş yakalamaları mümkün kıldığını anlatmaktadır.

Geleneksel yöntem olarak osiloskoplarda frekans spektrumu analizi için standart FFT  (Hızlı Fourier Dönüşümleri) fonksiyonu kullanılmaktadır. Güç hatlarındaki gürültünün özelliklerini frekans düzleminde anlamak daha kolaydır. Gürültü zaman düzleminde sadece karmaşık bir dalga formu olarak görünebilir, ancak frekans düzleminde bunun geniş bantlı rastgele gürültü mü, yoksa başka bir sinyalden gelen crosstalk mu olduğunu belirleyebilirsiniz. Ancak, FFT'lerin kullanımı iki nedenden dolayı zordur.

İlk olarak, standart FFT fonksiyonlarındaki ayarlar osiloskobun örnekleme hızı, kayıt uzunluğu ve time/div ayarı ile kontrol edilir. Bu kontrollere yeteri kadar hakim olunarak iyi sonuçlar almak mümkün olsa da sezgisel değillerdir. Çoğu kullanıcı merkez frekansı, frekans aralığı (span) ve çözünürlük bant genişliği (RBW) gibi spektrum analizör kontrollerini kullanarak frekans analizi yapmayı tercih eder.

İkinci olarak, osiloskop spektrum analizörü tarzı kontroller sunsa bile FFT zaman düzleminde elde edilen sinyal verisinden hesaplanır. Dolayısıyla frekans düzlemindeki çözünürlük zaman düzlemindeki sinyalin süresine,  maksimum frekans ise anlık örnekleme hızına bağlıdır ve çoğunlukla her iki düzlemi de istenilen ayarlarda görüntülemek mümkün olmayabilir.

Bu zorlukların üstesinden gelmek için Tektronix, 4, 5 ve 6 Serisi MSO'larda SpectrumView adlı benzersiz bir spektrum analiz aracı sunmaktadır. Bu seriler spektrum analizi için zaman düzleminden bağımsız bir sinyal yolu ve dijital down converter (DDC) içerir. Bu, tanıdık spektrum analizi kontrollerinin (Merkez Frekansı, Aralık ve RBW) kullanılmasını sağlarken, hem zaman hem de frekans düzlemi görüntülerini birbirinden bağımsız olarak optimize etmenizi sağlar. Spectrum View'e ek olarak, 4, 5 ve 6 Serisi MSO osiloskoplar matematik fonksiyonları içerisinde geleneksel osiloskop FFT fonksiyonlarını da bulundurmaktadır. Bu, özellikle güç hattı gürültü analizi için, Spectrum View ile geleneksel FFT'yi karşılaştırmayı kolaylaştıracaktır.

Geleneksel FFT ile Spectrum View arasındaki farkları bir referans tasarım kartı kullanarak ve bu kart üzerindeki DC sinyalleri inceleyelim. Bu deney için bir ASUS Tinker S modeli kullanıyoruz ve 3.3V DC pinlerinde problama yapıyoruz. Bu kart, birden çok DC hatta sahip küçük bir güç dağıtım ağı (PDN) içerir. Kurulum şeması Şekil 1'de gösterilmiştir.

Şekil 1. Referans tasarım kartında FFT'yi hesaplamak için kurulum şeması

Bu örnekte referans karttan gelen bir DC sinyal güç hatları için özel olarak üretilen TPR1000 / 4000 güç hattı probu kullanılarak 5 Serisi MSO osiloskobun birinci kanalına bağlanmıştır. Bu 3,3 V güç hattı, +/- 60V DC ofset aralığına sahip bu probun ölçüm aralığındadır. Prob 50 kΩ'luk bir DC giriş direnci ile ölçülen sinyali yükleme etkisini minimize eder, bu da onu güç rayı ölçümleri yapmak için ideal bir prob haline getirir.

MSO 5 serisi osilosoplarda isteğe bağlı olarak yerleşik keyfi sinyal üreteci (AFG) özelliği bulunmaktadır. Bu AFG kullanılarak 500 mVpp, 1 kHz'lik bir sinüs dalgası üretilip, osiloskobun ikinci kanalına bağlanmıştır. Bu, FFT'nin ideal sinüs dalgaları ve gerçek dünya DC sinyalleri üzerindeki etkisini anlamamıza yardımcı olacaktır.

Sinyaller bağlandıktan sonra, dalga formu matematiğini kullanarak hem geleneksel FFT analizini etkinleştirelim hem de aynı iki kanalda Spektrum View özelliğini etkinleştirelim. Bu bize Şekil 2'de gösterildiği gibi bir osiloskop ekranı sağlar. Kanal 1'deki 3,3V DC sinyal genliğinin 3,33V ile 3,38V arasında değiştiğini ve 3,871 kHz'lik bir dalgalanma frekansı sergilediğini görebilirsiniz. Bu frekans standart ölçüm fonksiyoları kullanılarak ölçülebilir. Alternatif olarak, isteğe bağlı 5-DPM analiz yazılımını kullanabilir, 8 kanallı 5 Serisi MSO osiloskoplarda yedi adede kadar DC hatta RMS, tepeden tepeye ve frekans değerlerini aynı anda otomatik olarak hesaplayabilirsiniz. Bu çalışmadaki DPM ölçümünü ekranın sağ tarafında görebilirsiniz.

Spectrum View'un temel bir özelliği zaman ve frekans düzlemi sinyallerini zaman ilintili olarak yakalama ve görüntüleme yeteneğidir.

Şekil 2. Dalga formu matematiğini kullanan FFT ile her iki kanalda 500 Hz RBW ile Spektrum View  Kanal 1 (sarı) gerçek bir güç rayına bağlı iken, Kanal 2 (mavi) AFG’den gelen gelen bir sinüs dalgasına bağlıdır.

İlk örnek için, Spektrum View ekranını RBW = 500 Hz olarak ayarlayalım. Bu ayar, frekansları ayırmak için daha geniş bir pencere kullanır ve FFT yöntemine benzer sonuçlar verir. Bu ayarlar ile, geleneksel FFT sonuçlarını Spectrum View sonuçlarıyla karşılaştıralım.

Birinci kanaldaki güç hattı için 3,8 kHz frekansında, FFT -26 dBm güç değeri verirken Spectrum View -26 dBm vermektedir. İkinci kanalda ise -2.303 dBm Spectrum View değerine karşı -2.002 dBm'lik bir FFT değeri görüyoruz. Bu ayarlarda iki yöntem arasında çok fazla fark görünmemektedir.

Şimdi, Spektrum View pencersinde RBW pencere ayarını 100 mHz'e düşürelim ve sonuçları Şekil 3'te gösterildiği üzere gözlemleyelim. Zaman düzlemindeki görünümü / ayarları değiştirmeden Spektrum View ayarlarını bağımsız olarak değiştirebileceğimize dikkat edin. Ancak, kayıt uzunluğunu veya örnek oranını etkilemeden geleneksel FFT'de frekans çözünürlüğünü bağımsız olarak değiştiremiyoruz.

Şekil 3. RBW = 100 mHz için her iki kanalda Geleneksel FFT ve Spektrum View

Önemli ölçüde daha düşük RBW etkisi ile Spectrum View, 3.8 kHz'deki güç seviyesini artık -44.7 dBm olarak vermektedir. Elbette, FFT'nin okuması değişmedi ve -26 dBm değerini bildirmeye devam ediyor. İkinci kanalda ise -2.02 dBm bildiren Spectrum View'e karşı -2.025 dBm'lik bir FFT değeri görüyoruz. Dolayısıyla, ideal bir sinüs dalga formu için, ölçülen değerlerde çok fazla fark yoktur. Ancak, gerçek hayatta birden fazla frekansta dalgalanma ve gürültü içeren güç hatları için geçerli olmadığını gördük. Gerçek güç hattı sinyalleri için, Spectrum View, geleneksel FFT ile elde edilemeyen olmayan frekans çözünürlükleri sağlayarak çok daha doğru test sonuçları sağlar.

Tablo 1. 500 Hz ve 100 mHz çözünürlükler için Asus Tinker Board 3.3V DC hattı ölçümleri

Geleneksel bir FFT ile 100 mHz RBW ile benzer bir ölçüm yapmak isterseniz, 12,5 GigaSamples uzunluğunda kayıt uzunluğa ihtiyacınız olacaktır. Bu osiloskoplarda mümkün olmayan bir kayıt uzunluğudur. Bunun nedeni, geleneksel osiloskop FFT'lerinde spektrumun maksimum frekansının örnekleme hızı tarafından belirlenmesidir. Yüksek frekans yüksek örnekleme hızı gerektirir. Yüksek örnekleme hızları ise kayıt uzunluğunu hızla tüketir. Frekans çözünürlüğü (veya RBW), zaman düzlemindeki zaman aralığı tarafından belirlenir. Bu nedenle osiloskobun kayıt uzunluğu zaman düzleminde görüntülenecek zaman aralığını dolayısıyla beraberinde FFT ekranındaki frekans çözünürlüğünü sınırlamaktadır.

4, 5 ve 6 Serisi MSO'lardaki digital down converter desteği bu kısıtlamayı ortadan kaldırarak, Spectrum View'da merkez frekanstan bağımsız olarak küçük RBW'lerin kullanılmasını sağlar.

Şekil 4. Yaklaşık 1 kHz'lik dalgalanma ile birlikte 2,1 MHz'lik dalgalanma. Analiz, geniş aralıklar ve ince frekans çözünürlüğü gerektirir.

TPR1000 ve TPR4000 Serisi gibi güç hattı probları sırasıyla 1 GHz ve 4 GHz bant genişliği sunar. TPR1000 / 4000 Serisi problar ile Spectrum View teknolojisini birleştirerek çok yüksek frekans dalgalanma değerlerini mükemmel frekans çözünürlüğüyle ölçebilirsiniz. Geleneksel FFT ile bu mümkün değildir. Bu tür yüksek frekanslı dalgalanma, Şekil 4'te dalgalanma üzerindeki dalgalanma olarak gösterilmektedir.

Güç hatları gürültüyü analiz etmek için Spectrum View'un temel avantajları şunlardır:

Tanıdık spektrum analizi kontrolleri (Merkez Frekansı, Aralık ve RBW) sağlar.
Donanımsal Digital Down Converter yüksek güncelleme hızı frekans çözünürlüğü sağlar.
Hem zaman hem de frekans düzleminin birbirlerinden bağımsız olarak en iyi görünüm için optimizasyonuna izin verir.
Sinyali farklı girişlere bölmeden sinyalin hem dalga formu görünümünde hem de spektrum görünümünde görüntülenmesini sağlar.
Zaman düzlemi olayları ile frekans alanı ölçümlerinin doğru korelasyonunu sağlar.
Frekans alanında ulaşılabilir frekans çözünürlüğünü önemli ölçüde geliştirir.