Продолжение истории по модернизации 2d42.
Установил на оба канала операционники EL5166. На входе АЦП установил RC фильтр для снижения помех и ограничения полосы пропускания до 70 МГц. АЧХ, осциллограмы и схемы прилагаются. При замене HEF4052 на 74HC4052D установка RC фильтра обязательна (мультиплексор 74HC4052D имеет низкое сопротивление канала).
Проведён ряд мероприятий по калибровке каналов АЦП и снижению шумности. Проблему шумов на наносекудных диапазонах развёртки удалось решить процентов на 70. Скажу сразу, что АЦП я заменил AD9288BST-100, но простая замена АЦП практически ничего не дала. Ниже описаны выявленные проблемы и их решение.
1. Основным источником шумов является сам АЦП. При 500нс/дел он работает на 100 МГц, при 200нс/дел и меньше - на 125 МГц. Шумы разогнанного АЦП резко возрастают. Проявляется значительным повышением шума при определённых положениях луча на экране. Повышением напряжения питания АЦП до 3.11 В удалось добиться заметного снижения шума.
1.2. Помехи также возникают при изменении кода на выходах АЦП. Чем больше разрядов меняется тем сильнее помеха. Для уменьшения этого вида помех поменял резисторныи сборки 270 Ом на 470 Ом. Ёмкость входов ПЛИС с емкостью монтажа 7.5 пФ, времени 4нс достаточно для установления кода с АЦП. Влияние на уровень шума незначительное.
В общем, с шумом АЦП кому как повезёт, сильно зависит от конкретного экземпляра. Но основной "шум" возникает от не вполне корретной программной калибровки.
2. В одноканальном режиме работы осциллографа при развёртке 500 нс и меньше используются оба канала АЦП. Согласно даташиту разница коэффициентов передачи каналов А и B составляет типично 1,5%, напряжение смещения до 35 мВ (смотри рисунок). При калибровке, напряжение смещения компенсируется пограммно с точностью до 2 мВ (1/2 кванта АЦП). Разница коэффициентов передачи не компенсируется. В результате имеем разницу данных с двух каналов АЦП. Проявляется это в виде шума и уширения лучей в верхней и нижней части экрана.
Для устанения проблемы нужно аппаратно выровнять коэффициенты передачи каналов А и B. Сделать это можно установкой корректирующих резисторов R1 , R2 или R3, R4. Цель: при подаче одинакового напряжения на входы мультиплексора каналы АЦП должны выдавать одинаковый код. Методика следующая.
2.01. Включаем осцилограф, даём ему немного "прогреться", проводим калибровку.
2.1. Определяем коэффициенты передачи каналов АЦП. Включаем оба канала осиллографа, 5 В/дел, 500нс/дел. Совмещаем с точностью до пикселя лучи вблизи верхней границы экрана. Нужно выбрать такое положение лучей, где шум по обоим каналам будет минимальным. Измеряем напряжение с точностью не хуже милливольта на выводе 12 анагового мультиплексора U33, записываем U1а. Измеряем напряжение на выводе 15 мультиплексора U33, записываем U1b. Перемещаем лучи к нижней границе экрана, проводим аналогичные измерения, записываем для канала A - U2a, для B - U2b. Измеренния повторить несколько раз для других положений совмещённых лучей. Результаты заносим в таблицу. Если мультиметр имеет недостаточную разрешающую способнось в диапазоне выше 400 мВ, измерять, для повышения точности, можно относительно выхода (вывод 6) референсного напряжения АЦП (нижнии подстроки таблицы). Значения напряжений приведены в милливольтах.
Расчитываем соотношение коэффициентов передачи:
Ka/Kb=(U1b-U2b)/(U1a-U2a).
Напряжение смещения (разница) между каналами A, B (величина со знаком + или -) :
Uсм=(U1a-U1b+U2a-U2b)/2.
U1a U1b U2a U2b Ka/Kb Kb/Ka Uсм
1 1620 1637 912 917 1.01695 -11 5V/del 500ns/del
369.5 385.9 -338.5 -333.0 1.01540 -10,95
2 1589 1604 936 941 1.01531 -10
338.2 353.7 -314.7 -309.0 1.01501 -10,6
3 1545 1564 983 990 1.02135 -13
295.0 313.6 -266.9 -260.8 1.02225 -12,35
После осреднения всех значений получилось Ka/Kb= 1.0177 , Uсм= -11.3 мВ.
2.2. Рассчитываем значение Rкор (эквивалент параллельного соединения R1 и R2 или R3 и R4).
Если коэффициент передачи канала A больше чем B, необходимо установить резисторы R1 и R2, если наоборот - R3 и R4.
Rкор=R1||R2=Rкан/(Ka/Kb-1) ; Rкор=153/(1.0177-1)=8639 [Ом]
Rкор=R3||R4=Rкан/(Kb/Ka-1) ,
где Rкан = сопротивление канала мультиплесора U33 + резистор 100 Ом (если установлен) и паралельно входному сопротивлению АЦП.
Для HEF4052 сопротивление канала мультиплексора примерно 110 ом, для 74HC4052D - 55 Ом. Можно померить омметром прямо при включенном осциллографе, с изменением полярности измеренния, результаты осреднить (лучи должны находится в центре экрана).
Rкан=(Rмул+100)*Rацп/(Rмул+100+Rацп) = (55+100)*10500/(55+100+10500)= 153 Ом.
2.3. Дополнительно определяем напряжение смещения в центре экрана.
Совмещаем лучи чуть выше, затем чуть ниже центра экрана. Измеряем Ua, Ub. Считываем код АЦП на выходах каналов А и B : Xa , Xb , заносим в таблицу (можно использовать мультиметр измеряя напряжение после резисторных сборок). Код при совмещённых лучах должен быть одинаковый.
Напряжение смещения (разница) между каналами A, B (величина со знаком + или -) :
Uсм=Ua-Ub-(Xa-Xb)*4 [мВ].
Ua Ub Xa Xb Uсм
1 1275 1287 10000111 10000111 -12
24,27 36,98 -12,71
2 1207 1215 01110101 01110101 -8
-43,40 -35,47 -8,03
Сред. -10,37
Здесь видно, что в канале A наблюдается проблема потери кода или сильная нелинейность. (Потом сообразил, что мерил на 200нс/дел , на 125МГц АЦП часто даёт ошибки )
Среднее напряжение смещения полученное двумя способами: Uсм =(-10,37-11,3)/2= -10,84 [мВ].
2.4. Рассчитываем значение R2 или R4:
R2=Rкор*U5пит/(Uинв+Uсм*(Rкор/Rкан+1)) ; R2=8639*4,92/(1.25-0.01084*(8639/153+1))=67780 [Ом].
R4=Rкор*U3пит/(Uинв-Uсм*(Rкор/Rкан+1)) ,
где U5пит - напряжение питания +4,92 В,
U3пит - напряжение питания +2,92..3,11 В,
Uинв - напряжение +1,25В на инвертирующих входах АЦП.
2.5. Рассчмтываем значение R1 или R3:
R1=R2*Rкор/(R2-Rкор) ; R1=67780 * 8639/(67780 - 8639)= 9901 [Ом].
R3=R4*Rкор/(R4-Rкор) .
Принимаем R1=10кОм, R2=68кОм.
Если значение R2 или R4 получается отрицательным, устанавливать его не нужно, резистор R1 или R3 принять равным Rкор. Напряжение смещения можно также менять резисторами R241, R242 (изменение сопротивления на 32 Ом приводит к изменению напряжения на инвертирующих входах примерно на 1 мВ).
2.6. После установки резисторов проводим калибровку и проверяем согласование каналов.
Ua Xa Ub Xb Uсм
1 280 11000011 281.2 11000011 -1,2 5V/del 500ns/del
2 360.9 360 0,9
3 231.9 231.2 0,7
4 54,63 54,08 0.6
5 -34.57 01110101 -34.50 01110101 -0,1
6 -116.1 -114.8 -1,3
7 -242.6 01000001 -243.4 01000001 0,8
В результате, ширина луча на экране (кроме отдельных мест обусловленных шумом микросхемы АЦП) не должна превышать 1-2 пикселей при работе осциллографа в одноканальном режиме на наносекундных развёртках.
Позднее выложу фотографии и дополнительные пояснения.
