Osciloskopická měření

Transkript

1 Lubomír Slavík TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/ ), který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR

2 Obsah přednášky základní rozdělení osciloskopů analogové s číslicovou pamětí (digitální) příslušenství osciloskopů pasivní sondy aktivní sondy proudové sondy přehled trhu

3 režimy OSCILOSKOPY Základní vlastnosti osciloskopů y t pozorování časových průběhů, měření v časové oblasti x y napětí přivedené k vertikálnímu vstupu je funkcí napětí přivedeného k horizontálnímu vstupu účely použití osciloskopů analýza časového průběhu měření napětí, napěťových rozdílů, ss složky, špičkové hodnoty měření časových rozdílů, periody, frekvence, doby náběhu a poklesu, doby překmitů, šířky pulzu měření fázového rozdílu dvou průběhů napětí (Lissajousovy obrazce) měření V A charakteristik elektronických prvků měření dynamické hysterezní křivky feromagnetických materiálů

4 Režim y t parametry sledovaného signálu

5 Režim x y měření fáze a poměru frekvencí dvou harmonických signálů Lissajousovy obrazce t A t t A t x 1 sin 1 příklady pro 1 = 2 y 2 sin 2 příklady pro =π/2, 1 ǂ Liss. obrazce na stínítku osciloskopu

6 Základní rozdělení osciloskopů analogové + reagují bezprostředně na změny nezachytí jednorázové děje obtížně zobrazují pomalé děje neumožňují zkoumat signál před příchodem spouštěcího impulzu není možný záznam signálu s číslicovou pamětí (digitální) + umožňují mnohakanálový záznam + umožňují zachytit jednorázový děj + umožňují záznam signálu a jeho další zpracování + možnost sledování signálu před příchodem spouštěcí podmínky + umožňují řadu nových způsobů spouštění + možnost odečítání dat pomocí kurzorů, automatická měření chyba aliasing při nesplnění vzorkovací věty menší rychlost obnovování průběhů na displeji (wfms/s)

7 zpracovávají analogový signál základním prvkem je obrazovka Analogové osciloskopy = elektronka, generující paprsek elektronů, který je vychylován ve vertikálním i horizontálním směru paprsek je urychlen a zaostřen soustavou pomocných elektrod a dopadá na stínítko s luminoforem (nejčastěji zelený) používá se elektrostatické vychylování (do poměrně vysokých frekvencí nezávislé na kmitočtu, ale malý úhel rozmítání) na vnější straně stínítka je mřížka usnadňuje odečítání hodnot Wehneltův válec

8 Princip analogového osciloskopu PR spouštěcí pulzy čas. základna PZ vstupní dělič a předzesilovač VZ vertikální zesilovač zesiluje průběh měřeného napětí vert. destičky GSP generátor spouštěcích impulzů spouští časovou základnu horizontální vychylování zpětný běh modulace jasu paprsku ČZ časová základna generuje signál o pilovitém průběhu PR přepínač režimů y t a x y HZ horizontální zesilovač ovládá horizontální destičky ZL zpožďovací linka zajišťuje synchronizaci měřeného signálu s časovou základnou

9 Spouštění časové základny Nastavení spouštěcího bodu 5 nastavovacích prvků: úroveň (amplitudová podmínka) hrana (časová podmínka) vzestupná sestupná zdroj spouštění interní externí vazba spouštění stejnosměrná (DC) střídavá (AC) síťová frekvence 50Hz způsob spouštění automatické spouštění s frekvencí 20Hz auto fast spouštění s frekvencí 20kHz Osciloskopická měření LF reject (potlačení nízkých frekvencí) HF reject (potlačení vysokých frekvencí) normal spouštění synchronizačními pulzy (obraz se na stínítku neobjeví, dokud není splněna spouštěcí podmínka)

10 Režim HOLD OFF spojitá volba doby čekání mezi spouštěcími pulzy ignorování spouštěcí podmínky po nastavenou dobu vhodné pro sledování stejných skupin pulzů v měřeném signálu Časová lupa (sweep maginifier) při stisknutí této volby se zvýší zesílení 10x (5x) horizontálního zesilovače horizontálním posuvem je možno rolovat po signálu Dvě časové základny dva průběhy jeden originální, druhý je výsekem z originálního výsek je zvýrazněn silnější čarou a lze rolovat po původním signálu

11 Současné zobrazení několika průběhů Dvoupaprskový osciloskop dva kompletní systémy elektrod drahé Dvoukanálový osciloskop využívá elektronický přepínač střídavé přepínání dvou kanálů k vertikálnímu vstupu obrazovky VD vstupní dělič PZ (A, B) předzesilovače KVZ koncový vertikální zesilovač ZL zpožďovací linka AM astabilní multivibrátor (zdroj obdélníkových impulzů 500kHz až 1MHz) ČZ časová základna SO spouštěcí obvody HZ horizontální zesilovač

12 Dvoukanálový osciloskop chopped x alternate mode ALTERNATE mode ukazuje signál každého kanálu po dobu celého cyklu časové základny CHOPPED mode zobrazení je přepínáno mezi oběma kanály pevnou frekvencí používá se pro pomalejší časové základny

13 kanál A nebo kanál B dvoukanál Dvoukanálový osciloskop režimy zobrazení přepínání časovou základnou (alternate mode) přepínání pevnou frekvencí (chopped mode) součet kanálů A+B rozdíl kanálů A B (součet kanálů s jedním kanálem s obrácenou polaritou) Speciální analogové osciloskopy paměťový analogový osciloskop používají paměťovou obrazovku dlouhý dosvit až 1 minuta (fosforový efekt) vzorkovací analogový osciloskop předchůdci číslicových osciloskopů vzorkování vysokou rychlostí měřeného průběhu zachytávání vzorků do paměťových kondenzátorů (nikoliv převedení na číslo!) a zobrazení na stínítku s pomocí speciální časové základny jen pro periodické děje až 15GHz

14 Základní charakteristiky analogových osciloskopů počet zobrazitelných průběhů (obvykle 2, max. 8) frekvenční pásmo pracují obvykle od 0Hz do horní mezní frekvence (pokles zobrazované amplitudy o 3dB, tedy na 0,707 násobek měřené amplitudy) max f h je 1GHz doba náběhu (doběhu) vertikální kanálu t no (0,1U max 0,9U max ), ke zkreslení dochází už při f=f h /2 má obvykle hodnotu: vstupní napěťové rozsahy (1mV až 5V/d) t no 0,35 f vstupní impedance obvykle 1M / 7 50pF (nad 200MHz 50) počet časových základen přesnost zesílení vertikálního kanálu 3 5% přesnost časové základny 3 5% doplňkové funkce alfanumerické informace kurzory h

15 Příklad analogového osciloskopu

16 Osciloskopy s číslicovou pamětí (digitální osciloskopy) měřicí signál je digitalizován pomocí vzorkovače a AČ převodníku ukládán do rychlé paměti typu FIFO (first in first out) po úplném zaplnění se přepisuje nejdříve přijatý vzorek zobrazen na displeji (nejčastěji LCD) vše je řízeno mikropočítačem VZ vstupní dělič VZP vzorkovač s pamětí AČP analogově číslicový převodník ČP Číslicová paměť (FIFO)

17 Způsob ukládání vzorků do paměti z časového hlediska pre triger zobrazení (záporné zpoždění) zobrazeno l vzorků před SB a k-l vzorků po SB Osciloskopická měření SB spouštěcí (zastavovací) bod FIFO šířka n bitů (obvykle 8), délka k vzorků normální = post triger zobrazení zobrazeny vzorky následující po SB (zapsání k vzorků po SB) obdoba analogového osciloskopu delay zobrazení zobrazeny vzorky následující d vzorků po SB (zápis se zastaví po zapsání k+d vzorků po SB)

18 v reálném čase (RTS real time sampling) Způsoby vzorkování signálu vzorkování v ekvidistantních časových intervalech (vzorkovací interval = 1/vzorkovací frekvence) 4 10 vzorků na periodu nejvyšší frekvenční složky umožňuje pre triger mode umožňuje záznam přechodných jevů při nesplnění Nyquistovy podmínky může nastat chyba aliasing (zobrazení průběhu o podstatně nižší frekvenci) některé osciloskopy mají zabudovaný antialiasingový filtr sekvenční v ekvivalentním čase (stroboskopické) v každé periodě jen jeden vzorek posunutý o t fvz. EKV. jen periodické průběhy ekvivalentní vzorkovací frekvence náhodné v ekvivalentním čase (RRS random repetetive sampling) po spuštění se vzorkuje max. vzorkovací frekvencí (několik vzorků na periodu) každá sada vzorků zpožděna o náhodnou, ale známou dobu jen periodické průběhy 1 t

19 spouštění z jednoho zdroje signálu základní spouštěcí režim zdroj je jeden z kanálů nebo vnější spouštěcí úroveň + spouštěcí hrana Druhy spouštění způsob spouštění normální čeká na spouštěcí podmínku (SP), po zpracování signálu čeká na další SP automatické vzorkuje stále jednorázové čeká na SP a zobrazí pouze jeden průběh nastavení vazby DC, AC, LF reject, HF reject spouštění s nastavitelným zpožděním spouštěcího pulzu (hold off time) volba délky hold off intervalu volba počtu hold offpodmínek spouštění s využitím zvolené délky pulzu (<, =, >zvolený Dt) spouštění s využitím zvolené délky intervalu dvě po sobě náběžné nebo sestupné hrany spouštění pomocí definované obálky signálu spouštění z několika zdrojů logické spouštění množinou logických stavů (pattern) kombinace stavů na vybraných kanálech spouštění logickým analyzátorem kombinace stavů na logických kanálech u osciloskopů, které jsou vybaveny zároveň logickým analyzátorem jdoucí

20 Základní charakteristiky osciloskopů s číslicovou pamětí počet kanálů (obvykle 2 nebo 4) vzorkovací frekvence dnes (2010) max. 40GS/s šířka pásma v reálném čase až 100GHz umožněno paralelním zpracováním jednotlivých úseků signálu několika AČ převodníky hloubka paměti 4kB jednotky GB, dnes standard cca 1MB s maximální frekvencí lze zachytit delší časový interval moderní možnost využití paměti: uložení zvoleného počtu obrazovek, kdy je splněna spouštěcí podmínka (neukládají se nezajímavá data) možnost listování mezi jednotlivými obrazovkami rozlišovací schopnost AČ převodníku rozlišení vertikální osy obvykle 8bitů (až 11b) přesnost vertikálního kanálu 1 3% přesnost horizontálního kanálu 0,01 0,1% rychlost obnovování průběhu (display update rate nebo WaveForms/s = wfms/s) max 100k možnost sběru dat sběrnice GPIB, RS232, USB, LAN měření a zobrazení parametrů měřeného signálu (max, min, střední, efektivní (RMS), průměrná (AVG), doba náběhu (t r ), doba doběhu (t f ), matematické operace (FFT, statistická analýza)) možnost uložení nastavení možnost automatického zjištění základních parametrů signálu autoset možnost filtrace signálu režim AVERAGE (zobrazení signálu až po získání a zprůměrování definovaného množství průběhů) režim digitální filtrace signálu (odstranění šumu)

21 Příklady osciloskopu s číslicovou pamětí Agilent DSO7000 přední panel Rigol DS1000 Agilent DSO7000 zadní panel

22 závisí na impedanci zdroje signálu Přivedení signálu ke vstupu osciloskopu je třeba zohlednit vstupní impedanci osciloskopu (cca 1M / 20pF) pro zvýšení vstupní impedance je možno použít napěťovou sondu ekvivalentní obvod pasivní napěťová sonda obsahuje koax. kabel a kompenzovaný dělič zvýšení impedance na M, ale zeslabení signálu (10 100x) musí být správně vykompenzována (kapacitním trimrem): ekv. obvod, překreslený jako frekvenčně kompenzovaný dělič napětí Osciloskopická měření kalibrace sondy (nastavení kapacity C 1 ) pomocí obdélníkového signálu R 1C1 R i C K C i R1C1 R i C K C i R1C1 R i C K C i aktivní napěťová sonda obsahuje aktivní prvky (FET, zesilovač) zapojené jako napěťový sledovač nutnost napájecího zdroje

23 AGILENT (bývalý HP) Světoví výrobci osciloskopů řada MHz / 1200$ řada 9000 Infineon 13GHz / $ řada MHz / 6000$ řada 8600 Infineon 80GHz (vzorkovací) 20000$ řada GHz / 15000$

24 Tektronix Světoví výrobci osciloskopů řada TPS MHz řada DPO GHz řada DSO MHz řada DPO MHz řada DSA GHz

25 LeCroy Světoví výrobci osciloskopů řada Wave Ace 200MHz Yokogawa řada Wave Surfer/Runner (6GHz) řada Wave Expert (40GHz) DL6000/9000 1,5GHz DL MHz

26 Výrobci osciloskopů levnější kategorie Rigol (Čína) GW Instek (Taiwan) EZ Digital (východ) BK Precision (USA) Metrix Hameg (Německo)

27 Dodavatelé osciloskopů na českém trhu HTEST Agilent ( TM Direct Tektronix ( Blue Panther LeCroy ( Yokogawa T&R Instruments Yokogawa ( nbn.cz) Micronix Rigol ( Empos GW Instek ( AMT EZ Digital ( TR Instruments BK Precision (