Signaal parameters

Bij complexe golfvormen is het vaak onafdoende alleen de effectieve of gemiddelde waarde op te geven. Ook aan parameters als ringing, overshoot en stijg- en daaltijden kunnen limieten worden gesteld en moeten dan gespecificeerd worden.

Definiëren parameters

In figuur 1 hieronder is een niet ideale blokgolf weergegeven met de definities in het tijd- en amplitudedomein.
Aan de rechter zijde is de histogram van de blokgolf weergegeven. Dit histogram geeft aan hoe vaak een bepaalde waarde voorkomt. Het histogram bestaat uit een hoeveelheid containers (bins) die de amplitude niveaus representeren. Van de te analyseren spanning worden op vaste tijdsintervallen samples genomen. De waarde van de sample wordt gemeten en de teller van de corresponderende bin wordt verhoogt. De twee "bins" die de grootste waarde hebben wordt gedefinieerd als de top en base.

Hieronder een aantal veel voorkomende definities voor een blokgolfvormige spanning. (Waar spanning staat kan ook stroom worden gelezen.)

• Base (line) Basis: De laagste van de twee meest voorkomende niveaus.
• Top (line) Top: De hoogste van de twee meest voorkomende niveaus.
• Base line offset Basislijn niveau: Het niveau van de basislijn in relatie tot de referentie (bijvoorbeeld 0 V).
• Amplitude Amplitude: Het verschil tussen het base- en topniveau.
• pkpk (peak to peak) piek-piek of top-top: Het verschil tussen het laagst en hoogst voorkomende niveau.
• Minimum Minimum: De waarde van de laagst voorkomende waarde in relatie tot de referentie (bijvoorbeeld 0 V).
• Maximum Maximum: De waarde van de hoogst voorkomende waarde in relatie tot de referentie (bijvoorbeeld 0 V).
• Rise time Stijgtijd: De tijd die de spanning nodig heeft om tussen twee gespecificeerde spanningen te stijgen. De gespecificeerde spanningen zijn de 10% en 90% waarden tussen base en top. De specificatie 20% en 80% wordt ook wel gebruikt.
• Fall time Daaltijd: De tijd die de spanning nodig heeft om tussen twee gespecificeerde spanningen te dalen. De gespecificeerde spanningen zijn de 90% en 10% waarden tussen base en top. De specificatie 80% en 20% wordt ook wel gebruikt.
• Width Impulsbreedte: De tijd tussen de 50% niveaus van de opgaande en neergaande flank.
• Period Periodetijd: De tijd van een enkele periode. Gedefinieerd als de tijd tussen het passeren van het 50% niveaus van de positieve flanken.
• Frequency Frequentie: Het aantal perioden in een seconde.
• (Sag of) droop Afhanging: Het dalen (of stijgen) van de horizontale delen van een blokgolf.
• Overshoot Overschieten: Het doorschieten van de spanning boven de topline na de opgaande flank. Gedefinieerd als het hoogste niveau van de opgaande flank in relatie tot de topline. Of het doorschieten onder het baseniveau na neergaande flank. Dan gedefinieerd als het laagste niveau van de neergaande flank onder de baseline.
• Preshoot Voorpiek: Spanningspiek voorafgaand aan de op- of neergaande flank. Dit is de topwaarde in relatie tot het base- of top niveau.
• Ringing Uitslingeren: Het uitslingeren (gedempte oscillatie) van de spanning na de op- of neergaande flank. Gedefinieerd als de top-top waarde van de oscillatie.
• Settling time Uitslingertijd: De tijd waarin de ringing uitgedempt is tot een vooraf gedefiniëerde amplitude van de beginwaarde.

De bovenstaande definities kunnen ook toegepast worden op andere golfvormen.

Amplitude

De term amplitude welke wordt toegepast bij meetinstrumenten en meetresultaten wijkt af van de officiële definitie zoals gebruikelijk in de wis- en natuurkunde: De amplitude is de maximum waarde van een harmonische trilling relatief tot zijn rusttoestand.

Fabrikanten van meetinstrumenten hanteren veelal als definitie van amplitude de top-top-waarde van een signaal; De grootte van het uitgangssignaal van functiegeneratoren wordt aangeduid als: "Amplitude ... Vtt". Ook komt het voor dat de term amplitude gebruikt wordt om in zijn algemeenheid om een gegeven in het grootheid domein aan te duiden: "Amplitude accuracy ... %".

In de praktijk is de officiële definitie van weinig betekenis omdat zuiver harmonische trillingen nauwelijks voorkomen. Zo wordt in dit artikel de omschrijving gevolgd zoals algemeen gebruikt wordt: De top-top waarde van een schoon signaal.

Histogram

Een aantal meetinstrumenten, waaronder digitale oscilloscopen, maken gebruik van het histogram om de base en top te bepalen. De amplitude is dus het verschil tussen het top en base niveau. Hierbij moet enige voorzichtigheid in acht worden genomen. Niet van alle signalen is de top en base eenduidig te bepalen, zoals hieronder getoond.

Ruis invloeden

Hiernaast is een sinus (rood) en een sinus met ruis (blauw) weergegeven met in corresponderende kleuren de definities en het bijbehorende histogram.
Bij de zuivere sinusvorm is te zien dat de meest voorkomende waarden bij de toppen voorkomen. Het histogram heeft een scherpe begrenzing aan de uiteinden. De twee pieken in het histogram komen overeen met de toppen van de sinus.
De sinus met ruis heeft een minder scherp begrenst histogram. Ook valt op dat de pieken van het histogram iets meer naar het centrum liggen.
Aan deze histogrammen is duidelijk te zien dat bij een signaal met ruis het meetinstrument een lagere amplitude zal aanwijzen dan bij en signaal zonder ruis.
Deze situatie is te voorkomen door ruis vooraf te verwijderen met een laagdoorlaatfilter. De werkelijke amplitude is voor beide signalen (zowel met als zonder ruis) gelijk.

Onvolledige referentie

In het volgende voorbeeld een dubbelzijdig gelijkgerichte sinus. Het histogram laat nu slechts één piek zien. Het topniveau is goed gedefinieerd, maar de base is niet herkenbaar door het ontbreken van een piek in het lage deel van het histogram. Een goed meetinstrument zal daarom ook een andere methode hanteren om de base en top te vinden.
In de figuur is ook te zien dat door het gelijkrichten van één sinusperiode een signaal ontstaat dat twee gelijke perioden telt. De gemeten frequentie verdubbeld.

Vlak histogram

Als laatste voorbeeld een zaag- of driehoekspanning. Bij deze vorm komen alle spanningswaarden even vaak voor. Het histogram is dan ook volkomen vlak. Ook hier zal een goed meetinstrument een andere methode kiezen om de top en base te vinden. Vaak zal de top en base gelijk worden gesteld aan de randen van het histogram. Dit heeft als nadeel dat de top en base niet goed gedefinieerd worden als het signaal ruis bevat. Ook hier zal eerst ruis verwijderd moeten worden voor een betrouwbare meting.

Nog een opmerking over de definities in het tijddomein. De stijg- en valtijden zijn hier exact gedefinieerd. Een meetinstrument verricht de meting tussen de 10...90% of 20...80% grenzen. De gemeten tijden zullen daardoor kleiner uitvallen.

Wat wordt gemeten?

Aan de bovenstaande voorbeelden is al te zien dat gemeten waarden afhankelijk zijn van de gehanteerde meetmethoden en de signaalcondities. Ga altijd goed na welke methode het meetinstrument hanteert en controleer dit.