เนื้อหาวันที่ : 2011-04-05 10:43:07 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 4007 views

เลือก Bandwidth ของ Oscilloscope อย่างไรให้เหมาะสมกับการใช้งาน

วิธีเลือกย่านการวัดของสโคปแบบไหน ที่สามารถใช้งานได้ครอบคลุมและเหมาะสมกับงานของเรามากที่สุด วิธีการพิจารณาแบบใด จึงช่วยให้ไม่ต้องซื้อสโคปหลาย ๆ ย่านการวัด

Marketing & Business Development
IRC Technologies Limited


    
วิธีเลือกย่านการวัดของสโคปแบบไหน ที่สามารถใช้งานได้ครอบคลุมและเหมาะสมกับงานของเรามากที่สุด วิธีการพิจารณาแบบใด จึงช่วยให้ไม่ต้องซื้อสโคปหลาย ๆ ย่านการวัด

Oscilloscope คือเครื่องมือวัด ที่มีความสามารถแสดงรูปคลื่นสัญญาณไฟฟ้า เทียบกับเวลา และ Bandwidth ของ Oscilloscope ก็เป็นหนึ่งในตัวบ่งชี้ความสามารถของ Oscilloscope ตัวนั้น ๆ และเป็นสิ่งแรกที่ผู้ใช้งาน Oscilloscope ควรต้องคำนึงถึง ทั้งนี้ในบทความนี้ IRC Technologies จะกล่าวถึง เคล็ดไม่ลับในการเลือกใช้ Oscilloscope สำหรับงานด้าน Digital และ Analog Applications

ทำความรู้จัก Bandwidth ของ Oscilloscope
Oscilloscope ทุกยี่ห้อ ทุกรุ่น จะเปรียบเหมือนกับอุปกรณ์ตอบสนองความถี่แบบ Low-pass (ให้ความถี่ต่ำผ่านได้ แต่จะไม่ให้ความถี่สูงผ่านได้) ดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 Oscilloscope Gaussian Frequency Response

ซึ่งสำหรับ Oscilloscope ที่มี Bandwidth ตั้งแต่ 1 GHz ลงมา ส่วนใหญ่จะมีลักษณะรูปแบบการตอบสนอง ความถี่ที่ เรียกว่า “Gaussian Response” ซึ่ง คุณสมบัติการ Roll-off (ความชันในการตอบสนองต่อความถี่) จะเป็นแบบช้าค่อย ๆ เปลี่ยนแปลงโดยจะเริ่มจากความถี่หนึ่งในสามของความถี่ Roll-off ที่ -3 dB (เช่น Oscilloscope Bandwidth 1 GHz นั่นหมายถึงจุด Roll-off -3 dB จะอยู่ที่ 1 GHz

ทั้งนี้ หนึ่งในสามของ 1 GHz จะอยู่ที่ ประมาณ 333 MHz ก็จะเริ่มมีการเปลี่ยนแปลงความชันของการตอบสนองความถี่แล้ว) สำหรับ Oscilloscope ที่มี Bandwidth สูงกว่า 1 GHz หรือสูงกว่ามักจะมีการตอบสนองสัญญาณแบบ “Maximally Flat frequency Response” ดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 Oscilloscope Maximally Flat frequency Response

ซึ่งในแบบ Maximally Flat Frequency Response นี้ จะมีการตอบสนองความถี่ตลอดย่านที่ เรียบ และมีจุด Roll-off ใกล้จุดตอบสนองความถี่ที่ -3 dB

ตอนนี้เราได้รู้จัก Oscilloscope Bandwidth กันแล้ว ต่อไปเรามาดูที่ข้อดีและข้อเสียของการตอบสนองความถี่ของ Oscilloscope ทั้งสองแบบกันบ้าง

Oscilloscope ที่มีการตอบสนองความถี่แบบ Maximally Flat Frequency Response จะให้ การลดทอน ของสัญญาณ ในย่านการใช้งาน ต่ำกว่าแบบ Gaussian Response (แม่นกว่า) แต่ Oscilloscope แบบ Gaussian Response สามารถตอบสนองความถี่ในช่วงนอกย่านการใช้งานได้ดีกว่า

เนื่องจาก อัตราการลดทอนสัญญาณน้อยกว่าในช่วงนอก Bandwidth เช่น Oscilloscope แบบ Gaussian Response ที่มี Bandwidth 1 GHz สามารถตอบสนองความถี่ที่มากกว่า 1 GHz ในที่นี้ขอยกตัวอย่างที่ความถี่ 1.5 GHz ได้ดีกว่าแบบ Maximally Flat Frequency Response

 และเนื่องจากมีอัตราการลดทอนสัญญาณความถี่สูงที่น้อยกว่า ก็ทำให้ Oscilloscope แบบ Gaussian Response สามารถตอบสนองต่อ สัญญาณที่มีความเร็วของขอบสัญญาณสูง เช่น Rise Time หรือ Fall Time ที่มีการเปลี่ยนแปลงเร็วมาก ๆ ได้ดีกว่า แต่สำหรับ Maximally Flat Frequency Response ก็จะมีการป้องกันความถี่สูงรบกวนจากภายนอกย่านการวัดที่ดีกว่า (Lower Noise Floor) เช่น สัญญาณ Harmonic ที่ 2 หรือ 3 ที่อาจจะเข้ามารบกวนได้

ทั้งนี้ไม่ว่า Oscilloscope ที่คุณมีจะเป็นแบบ Gaussian Response หรือ Maximally Flat Frequency Response หรือ อาจจะเป็นแบบที่ถูกปรับปรุงให้อยู่ระหว่างทั้งสองแบบก็ตาม หากเราป้อนความถี่ที่ต้องการวัดเข้าไปที่ Oscilloscope แล้วทำให้เกิดการลดทอนของสัญญาณ ที่ -3 dB เราจะถือว่าความถี่ที่น้อยที่สุด ที่เราป้อนไปนั้นเป็น ค่า Bandwidth ของ Oscilloscope

ทั้งนี้เราอาจทำการทดสอบง่าย ๆ โดยการป้อนสัญญาณ Sine Wave โดย Swept เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งพบการลดทอนของสัญญาณ ที่ -3 dB หรือ ประมาณ -30 % ของ Amplitude (ความสูงของสัญญาณ) ที่จุดนั้นเอง จะใกล้เคียงกับ Bandwidth ของ Oscilloscope ซึ่งปกติแล้ว เรามักจะไม่คาดหวังความแม่นยำในการวัดที่จุดนี้นัก และเมื่อกล่าวถึง Bandwidth ของ Oscilloscope แล้ว ก็คงจะต้องกล่าวถึงค่าของ Rise Time Specification

ซึ่งโดยปกติ Oscilloscope แบบ Gaussian Response จะมีค่า Rise Time โดยประมาณ 0.35/fBW โดยอ้างอิงจาก ระดับ 10% ถึง 90% ของสัญญาณขาขึ้น (Rise Time) ส่วน Oscilloscope แบบ Maximally Flat Frequency Response โดยทั่วไปจะมี ค่า Rise Time ที่ 0.4/fBW ซึ่งจะขึ้นอยู่กับคุณลักษณะการ Roll-off ของ Oscilloscope 


    
เมื่อกล่าวถึง Rise Time ของ Oscilloscope บางท่านอาจจะเข้าใจว่า ค่านี้คือความเร็วของขอบสัญญาณสูงสุดที่ Oscilloscope ยังสามารถวัดได้อย่างแม่นยำ ซึ่งในความเป็นจริงแล้ว ไม่ใช่เช่นนั้น ที่ถูกต้องคือ ค่า Rise Time สูงสุดที่ Oscilloscope สามารถให้ได้ ถ้ามีการให้ Rise Time ในอุดมคติ แก่ Oscilloscope ในที่นี้คือที่ 0 ps หรืออธิบายให้เข้าใจได้ง่าย ๆ ก็คือ

หากเรามีสัญญาณ ที่มีค่า Rise Time = 0 ps ป้อนให้กับเครื่อง แล้วอ่านค่าที่หน้าเครื่องได้เท่าไหร่ ค่านั้นคือค่า Rise Time ของ Oscilloscope นั่นเอง ซึ่งในความเป็นจริงแล้วไม่มีเครื่องกำเนิดรูปเครื่องใด สามารถสร้าง Rise Time ที่ 0 ps ได้ ในทางปฏิบัติ อย่างไรก็ตามในการทดสอบค่า Rise Time ก็สามารถจะทำโดยการป้อนสัญญาณที่มีค่า Rise Time ที่เร็วกว่า Oscilloscope 3-5 เท่าของค่า Rise Time ของ Oscilloscope มาใช้ทดสอบ

ค่า Bandwidth ที่ต้องการสำหรับงาน ด้าน Digital Application
โดยหลักการแล้ว Bandwidth ของ Oscilloscope จะต้องมีค่าเป็น 5 เท่าของสัญญาณ นาฬิกาในระบบเป็นอย่างน้อยนั้นหมายความว่า Oscilloscope จะสามารถวัด Harmonic ที่ 5 ของสัญญาณได้ ซึ่ง Harmonic ที่ 5 นี้จะเป็นส่วนสำคัญอย่างยิ่งในการสร้างรูปคลื่นของสัญญาณ Digital แต่หลักการนี้จะใช้ไม่ได้กับสัญญาณ Digital แบบความเร็วสูงที่มี การเปลี่ยนแปลงของสัญญาณขอบขาขึ้นและขอบขาลงสูงมาก ๆ

วิธีที่แม่นยำที่สุดในการหาค่า Bandwidth ที่ต้องการคือ การหาความถี่สูงสุดของสัญญาณ Digital ที่ต้องการวัด ซึ่งไม่ใช่สัญญาณนาฬิกาสูงสุดของระบบ แต่จะหมายถึงความเร็วขอบสูงสุดของสัญญาณที่ต้องการ นั่นคือ ค่า Rise Time หรือ Fall Time ที่มีค่าน้อยที่สุด (เร็วที่สุด) ที่ต้องการวัด หลังจากได้ค่า Rise Time หรือ Fall Time แล้วก็นำไปคำนวณโดยใช้สูตรอย่างง่าย ๆ ที่คิดโดย Dr.Haward W.Johnson ในหนังสือชื่อ “High Speed Design- A Handbook of Black Magic”

Dr.Haward W.Johnson จะเรียกค่าความถี่ที่คำนวณได้นี้ว่า “ความถี่ Knee Frequency (fknee) ซึ่งคำอธิบายมีอยู่ว่า ทุก ๆ ขอบหรือมุมของความถี่สูง (การเปลี่ยนแปลงที่รวดเร็ว) จะมีแถบ Spectrum ของความถี่ที่ยาวแบบไม่มีที่สิ้นสุด แต่ที่จุดที่เรียกว่า knee นี้จะมีการหักงอ หรือการเปลี่ยนแปลงโดยที่องค์ประกอบของความถี่หลังจุดดังกล่าวจะไม่มีผลต่อรูปร่างของคลื่น (ปกติแล้วรูปคลื่นแบบ สี่เหลี่ยมจะเกิดจากการรวมเอารูปคลื่นไซน์หลาย ๆ ความถี่รวมเข้าด้วยกัน)

ซึ่งสำหรับ Rise Time ที่คิดมาจาก ระดับสัญญาณ 10 % ถึง 90 % ค่า fknee จะเท่ากับ 0.5 หารด้วยค่า Rise Time ของสัญญาณ ส่วน Rise time ที่คิดมาจากระดับสัญญาณ 20 % ถึง 80 % ค่า fknee จะเท่ากับ 0.4 หารด้วย ค่า Rise Time ของสัญญาณ หลังจากได้ค่า fknee อันดับต่อไปคือ การระบุค่าความแม่นยำของการวัด จากการวัด Rise Time หรือ Fall Time โดยเทียบจากตารางที่ 1 ซึ่งจะขึ้นอยู่กับว่า Oscilloscope ของคุณเป็นแบบ Gaussian Response หรือ Maximally Flat Frequency Response ตามที่ได้กล่าวมาแล้วในตอนต้น

จากการทดลองวัดเปรียบเทียบ สัญญาณนาฬิกา จากรูปที่ 3 เราวัดสัญญาณ 100 MHz Digital โดยมีความเร็วที่ขอบของสัญญาณ ที่ 500 ps โดยวัดที่ระดับ 10 % ถึง 90 % โดยใช้ Agilent 6014A Bandwidth ที่ 100 MHz ซึ่งจากรูปที่สามจะพบว่า Oscilloscopoe จะผ่านความถี่หลัก ที่ 100 MHz เท่านั้นซึ่งจะเห็นว่ารูปคลื่นที่วัดได้จะเป็น Sinewave เนื่องจาก ส่วนประกอบอื่น ๆ หายไป ซึ่งด้วย Oscilloscope ที่ 100 MHz จะเหมาะกับงาน Microprocessor แบบ 8 bit ที่มี ความเร็วของสัญญาณนาฬิกา ประมาณ 10 MHz ถึง 20 MHz แต่ที่สัญญาณ 100MHz Oscilloscope ที่มี Bandwidth 100 MHz อาจไม่เพียงพอ

รูปที่ 3 100 MHz Clock Captured on the Agilent MSO6014A 100 MHz Bandwidth Scope

จากนั้นทดลองใช้ Oscilloscope Agilent 7054 A ที่มี Bandwidth 500 MHz ซึ่งจะได้รูปสัญญาณดังรูปที่ 4 ซึ่งสามารถจับ Harmonic ที่ 5 ได้ และจากผลการวัด จะเห็นว่าค่า Rise Time ประมาณ 750ps ซึ่งยังไม่ใช่ค่า Rise Time ที่ถูกต้องเนื่องจากจริง ๆ แล้ว Oscilloscope เพียงแค่พยายามวัดค่า Rise Time ที่ใกล้เคียงกับ Rise Time ของตัว Oscilloscope เอง ในที่นี้คือที่ 700 ps แต่สัญญาณที่ให้มา มี Rise Time อยู่ที่ 500 ps ซึ่งจากสัญญาณที่วัดในรูปที่ 4 แสดงให้เราเห็นว่าเราต้องการ Oscilloscope ที่มี Bandwidth สูงกว่านี้

 รูปที่ 4 100 MHz Clock Captured on the Agilent MSO7054A 500 MHz Bandwidth Scope

เราลองเปลี่ยน Oscilloscope มาใช้ Agilent MSO7104A ที่มี Bandwidth 1 GHz จากรูปที่ 5 เราจะพบว่า รูปสัญญาณที่ได้มีความแม่นยำมากยิ่งขึ้นและจากการวัด Rise Time จะได้ค่าที่ 550 ps ซึ่งค่าผิดพลาดประมาณ 10 % แต่หากเราต้องการความแม่นยำมากกว่านี้ เรายังคงต้องการ Oscilloscope ที่มี Bandwidth มากกว่านี้

รูปที่ 5 100 MHz Clock Captured on the Agilent MSO7104A 1 GHz Bandwidth Scope

เราลองเปลี่ยนมาใช้ Oscilloscope ที่มี Bandwidth 2 GHz จะพบว่า ค่า Rise Time และรูปคลื่นที่ได้ มีความแม่นยำสูงขึ้น โดย ค่า Rise Time ที่ได้ จะอยู่ที่ 495 ps ดังแสดงในรูปที่ 6

รูปที่ 6 100 MHz Clock Captured on the Agilent MSO80204B 2 GHz Bandwidth Scope

จะเห็นได้ว่า Oscilloscope ที่มี Bandwidth สูงจะให้ความแม่นยำที่มากกว่า และด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีจาก Agilent Technologies เครื่อง Oscilloscope สามารถทำ Bandwidth Upgrade ได้โดยไม่ต้องซื้อเครื่องใหม่ซึ่งปัจจุบัน Bandwidth สามารถ Upgrade สูงได้ถึง 32 GHz

ค่า Bandwidth ที่ต้องการสำหรับงาน Analog Applications
เมื่อหลายปีก่อน ผู้ผลิต Oscilloscope มักจะให้คำแนะนำว่า คุณควรเลือก Oscilloscope ที่มี Bandwidth มากกว่าสัญญาณสูงสุดที่ต้องการวัด สามเท่า หรือ 3X ซึ่งใช้ได้เฉพาะกับสัญญาณ Analog เท่านั้น ซึ่งเราจะมาดูลักษณะการตอบสนองของ Oscilloscope กัน ว่าเหตุใดจึงต้องพิจารณา 3X

รูปที่ 7 Swept Frequency Response Test on Agilent’s MSO7104A 1 GHz Bandwidth Scope

จากรูปที่ 7 เมื่อเราให้แหล่งจ่าย Sinewave โดยกวาดความถี่ตั้งแต่ 20 MHz ไปจนถึง 2 GHz ให้กับ Agilent 7104A 1 GHz Bandwidth Oscilloscope จากรูปที่ 7 เราจะพบว่าที่ 1 GHz จะมีการลดทอนของสัญญาณ ที่ 1.7 dB ซึ่งอยู่ในช่วง -3 dB ตามคำจำกัดความของ Oscilloscope Bandwidth อย่างไรก็ตามในการใช้งาน Oscilloscope เราต้องแน่ใจว่าช่วงความถี่ที่เราใช้งาน จะต้องมีการตอบสนองที่ราบเรียบ มีค่าการลดทอนน้อย โดยจากรูปที่ 7 เราจะพบว่าประมาณช่วงหนึ่งในสาม จากความถี่เริ่มต้น การตอบสนองของ Oscilloscope จะยังราบเรียบ และไม่มีการลดทอน ซึ่งเป็นช่วงที่เหมาะต่อการใช้งานในที่นี่ จะเห็นว่าที่ 300 MHz จะยังได้ค่าการลดทอนเป็น 0 dB

รูปที่ 8 Swept Frequency Response Test on a Non-Agilent 1.5 GHz Bandwidth Scope

เราลองเปรียบเทียบระหว่าง Oscilloscope ของ Agilent กับ ยี่ห้อที่ไม่ใช่ Agilent (Non-Agilent) ที่ Bandwidth 1.5 GHz ซึ่งจาก รูปที่ 8 จะพบว่าแม้จะอยู่ในช่วงหนึ่งในสาม จากความถี่เริ่มต้น การตอบสนองก็ยังไม่ราบเรียบ นั่นหมายถึง จะทำให้เกิดค่าความผิดพลาดของสัญญาณ ในการวัด ซึ่งจะเห็นว่าถึงแม้ Specification จะเขียนว่ามี Bandwidth ที่สูงกว่าแต่ก็ไม่ได้หมายความว่าจะให้ค่าความถูกต้องในการวัด ที่ดีกว่าเครื่อง Oscilloscope จาก Agilent Technologies

ซึ่งจากที่กล่าวข้างต้นเรื่อง ควรเลือก Oscilliscope Bandwidth ให้มากกว่าความถี่สูงสุดที่วัดต้องการวัด ยังคงเป็น หลักการที่ใช้ได้ผล แต่อาจจะต้องพิจารณาเรื่องผู้ผลิตด้วย

โดยสรุปแล้วหลักการในการเลือก Oscilloscope Bandwidth ให้เหมาะสมจะมีอยู่ว่า สำหรับงาน Digital Applications ควรจะเลือก Bandwidth ให้มากกว่าสัญญาณนาฬิกาสูงสุด อย่างน้อย 5 เท่า แต่หากต้องการความแม่นยำขึ้นควรพิจารณาถึงความเร็วสูงสุดของสัญญาณที่มีในระบบ (Rise Time)สำหรับงาน Analog Application ควรจะเลือก Bandwidth อย่างน้อย 3 เท่า ของความถี่สูงสุด ที่ต้องการวัด และควรพิจารณาถึงการตอบสนองความถี่ที่ราบเรียบ

ทั้งนี้เพื่อความเม่นยำของสัญญาณ และหากพิจารณา Bandwidth ของ Oscilloscope ในวันนี้ ควรคำนึงถึง ความต้องการในอนาคต ซึ่ง Agilent Technologies เป็นเพียงผู้ผลิตเจ้าเดียวที่สามารถ Upgrade Bandwidth ได้ด้วยลูกค้าไม่จำเป็นต้องซื้อเครื่องใหม่หรือเปลี่ยน Hardware ซึ่งในปัจจุบัน สามารถ Upgrade Bandwidth ได้ถึง 32 GHz (สำหรับ Series 9000 และ 90000 เท่านั้น)

 

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด