Osciloskopická měření Přístrojová technika TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Projekt ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů.
Obsah lekce základní rozdělení osciloskopů analogové s číslicovou pamětí (digitální) příslušenství osciloskopů pasivní sondy aktivní sondy proudové sondy přehled trhu
OSCILOSKOPY Základní vlastnosti osciloskopů název: oscillum latinsky vychýlení ; skopein řecky dívat se na. režimy 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
parametry sledovaného signálu Režim y t
Režim x y měření fáze a poměru frekvencí dvou harmonických signálů Lissajousovy obrazce t A t t A t x 1 1 sin příklady pro 1 = 2 y 2 sin 2 příklady pro =π/2, 1 ǂ 2 1 2 2 1 2 3 2 1 2 4 3 1 2 5 4 Liss. obrazce na stínítku osciloskopu
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 záznam signálu a jeho další zpracování + umožňují zachytit jednorázový děj + 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)
zobrazují v reálném čase konvertované elektrické vstupní signály 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
Příklad analogového osciloskopu
měřicí signál je Osciloskopy s číslicovou pamětí (digitální osciloskopy) digitalizován pomocí vzorkovače a AČ převodníku ukládán do rychlé paměti typu FIFO (first in first out) po úplném zaplnění se přepisuje nejdříve přijatý vzorek (počet bodů průběhu = délka záznamu) zobrazen na displeji (nejčastěji LCD) vše je řízeno mikropočítačem VZ vstupní dělič VZP vzorkovač s pamětí AČP analogově číslicový převodník ČP Číslicová paměť (FIFO)
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
Základní charakteristiky osciloskopů s číslicovou pamětí počet kanálů (obvykle 2 nebo 4, případně 8) vzorkovací frekvence dnes (2014) max. 160 GS/s šířka pásma v reálném čase až 100 GHz umožněno paralelním zpracováním jednotlivých úseků signálu několika AČ převodníky velikost paměti 4kB jednotky GB, dnes standard cca 1 24 MB, při vyšších frekvencích lze zachytit delší časový interval rozlišovací schopnost na ose y 8 bitů, tedy 256 hodnot, LeCroy 12 bitů přesnost vertikálního kanálu 0,05 3% přesnost horizontálního kanálu 0,01 0,1% rychlost obnovování průběhu (display update rate nebo WaveForms/s = wfms/s) max1 M (Agilnet) možnosti sběru dat sběrnice USB, LAN, RS232, GPIB, 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)) možnosti uložení nastavení autoset - možnosti automatického zjištění základních parametrů signálu možnosti filtrace signálu režim AVERAGE (zobrazení signálu až po získání a zprůměrování definovaného množství průběhů) režim digitální filtrace signálu (odstranění šumu před spouštěcím signálem, po s.s.)
Druhy spouštění spouštění z jednoho zdroje signálu základní spouštěcí režim zdroj je jeden z kanálů nebo vnější spouštěcí úroveň + spouštěcí hrana způsob spouštění normální NORM čeká na spouštěcí podmínku (SP), automatické AUTO vzorkuje stále jednorázové SINGLE čeká na SP a zobrazí pouze jeden průběh ROLL roluje signál zprava doleva 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 off podmínek spouštění s využitím zvolené délky pulzu (<, =, >zvolený t) spouštění s využitím zvolené délky intervalu dvě po sobě jdoucí 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
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, libovolně) horizontálního zesilovače horizontálním posuvem je možno rolovat po signálu
Způsob ukládání vzorků do paměti z časového hlediska pre triger zobrazení (záporné zpoždění) SB spouštěcí (zastavovací) bod FIFO šířka n bitů (obvykle 8), délka k vzorků zobrazeno l vzorků před SB a k-l vzorků po SB 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)
Příklady osciloskopu s číslicovou pamětí Agilent DSO7000 přední panel Rigol DS1000 Agilent DSO7000 zadní panel
Přivedení signálu ke vstupu osciloskopu
Přivedení signálu ke vstupu osciloskopu závisí na impedanci zdroje signálu je třeba zohlednit vstupní impedanci osciloskopu (cca 1M / 20pF) pro zvýšení vstupní impedance je možno použít napěťovou sondu pasivní napěťová sonda obsahuje koax. kabel a kompenzovaný dělič zvýšení impedance na 10 100M, ale zeslabení signálu (10 100x) musí být správně vykompenzována (kapacitním trimrem): ekvivalentní obvod ekv. obvod, překreslený jako frekvenčně kompenzovaný dělič napětí kalibrace sondy (nastavení kapacity C 1 ) pomocí obdélníkového signálu R 1C1 R i C K C i R1C 1 R i C K C i R1C 1 R i C K C i aktivní napěťová sonda obsahuje aktivní prvky (FET, zesilovač) zapojené jako napěťový sledovač nutnost napájecího zdroje
AGILENT (bývalý HP) Světoví výrobci osciloskopů řada 1000 100MHz / 1200$ řada 9000 Infineon 13GHz / 100000$ řada 5000 500MHz / 6000$ řada 8600 Infineon 80GHz (vzorkovací) 200000$ řada 7000 1GHz / 15000$
Tektronix Světoví výrobci osciloskopů řada TPS 2000 200MHz řada DPO 7000 20GHz řada DSO 2000 200MHz řada DPO 3000 500MHz řada DSA 8200 90GHz
LeCroy Světoví výrobci osciloskopů řada Wave Ace 200 MHz Yokogawa řada Wave Surfer/Runner (6 GHz) LabMaster 10 Zi (65 GHz) Wave Expert 100 GHz DL6000/9000 1,5 GHz DL1740 500 MHz
Rigol (Čína) Výrobci osciloskopů levnější kategorie
Siglent (Čína) Výrobci osciloskopů levnější kategorie
Výrobci osciloskopů levnější kategorie GW Instek (Taiwan) BK Precision (USA) Hameg (Německo) EZ Digital Owon, Metrix
Dodavatelé osciloskopů na českém trhu HTEST Agilent (www.htest.cz) TM Direct Tektronix (www.tmdirect.cz) Blue Panther LeCroy (www.bluepanther.cz) Micronix Rigol (www.micronix.cz) Silcon electronics Rigol, Siglent/Atten, Owon (www.silcon.cz) Empos GW Instek (www.empos.cz) AMT EZ Digital (www.amt.cz) TR Instruments BKPrecision, Yokogawa (www.trinstruments.cz)