mt1 09 osciloskopynoel.feld.cvut.cz/~horcik/soscl/3em/soubory/mt1_09... · 2014. 9. 15. ·...

Osciloskopická měření

Lubomír Slavík

Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření,

který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIFakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Obsah přednášky

základní rozdělení osciloskopůanalogové

s číslicovou pamětí (digitální)

příslušenství osciloskopůpasivní sondy

aktivní sondy

proudové sondy

přehled trhu

Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření


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

Základní vlastnosti osciloskopů

OSCILOSKOPY



parametry sledovaného signálu

Režim y‐t



měření fáze a poměru frekvencí dvou harmonických signálů – Lissajousovy obrazce

Režim x‐y

tAtx 11 sin tAty 22 sin

22

1

23

2

1

34

2

1

45

2

1

příklady pro =π/2, 1ǂ2

Liss. obrazce na stínítku osciloskopu

příklady pro 1=2



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)

Základní rozdělení osciloskopů



Analogové osciloskopyzpracovávají analogový signál

základním prvkem je obrazovka –

= 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



Princip analogového osciloskopu

PZ – vstupní dělič a předzesilovač

VZ – vertikální zesilovač ‐ zesiluje průběh měřeného napětí –vert. destičky

GSP – generátor spouštěcích impulzů – spouští časovou základnu

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

PR

zpětný běhhorizontální vychylování

modulace jasu paprsku

čas. základna

spouštěcí pulzy



Spouštění časové základnyNastavení 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

normal – spouštění synchronizačními pulzy (obraz se na stínítku neobjeví, dokud není splněna spouštěcí podmínka)

LF reject (potlačení nízkých frekvencí)

HF reject (potlačení vysokých frekvencí)



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



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

Současné zobrazení několika průběhůDvoupaprskový osciloskop

Dvoukanálový osciloskopdva kompletní systémy elektrod ‐ drahé

využívá elektronický přepínač – střídavé přepínání dvou kanálů k vertikálnímu vstupu obrazovky



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



Dvoukanálový osciloskop – režimy zobrazení

kanál A nebo kanál B

dvoukanál

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



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 fh je 1GHz

doba náběhu (doběhu) vertikální kanálu tno (0,1Umax – 0,9Umax), ke zkreslení dochází už při f=fh/2má obvykle hodnotu:

hno ft 35,0

vstupní napěťové rozsahy (1mV až 5V/d)

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



Příklad analogového osciloskopu



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 vzorekzobrazen na displeji (nejčastěji LCD)

vše je řízeno mikropočítačem

VZ – vstupní dělič

VZP – vzorkovač s pamětí

AČP – analogově číslicový převodník

ČP ‐ Číslicová paměť (FIFO)



Způsob ukládání vzorků do paměti z časového hlediska

„pre‐triger“ zobrazení (záporné zpoždění)

SB – spouštěcí (zastavovací) bodFIFO – 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+dvzorků po SB)



Způsoby vzorkování signáluv reálném čase (RTS – real time sampling)

vzorkování v ekvidistantních časových intervalech (vzorkovací interval = 1/vzorkovací frekvence)4‐10 vzorků na periodu nejvyšší frekvenční složkyumožňuje pre‐triger modeumožňuje záznam přechodných jevůpři 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 ∆tjen periodické průběhyekvivalentní vzorkovací frekvence

tf EKVVZ

1

..

náhodné v ekvivalentním čase (RRS – randomrepetetive sampling)

po spuštění se vzorkuje max. vzorkovací frekvencí (několik vzorků na periodu)každá sada vzorků zpožděna o náhodnou, ale známou dobujen periodické průběhy



Druhy spouštěníspouštění z jednoho zdroje signálu

základní spouštěcí režim

zdroj je jeden z kanálů nebo vnější

spouštěcí úroveň + spouštěcí hrana

způsob spouštěnínormální – čeká na spouštěcí podmínku (SP), po zpracování signálu čeká na další SPautomatické – vzorkuje stálejednorázové – 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‐off podmínek

spouštění s využitím zvolené délky pulzu ( zvolený Dt)

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



Základní charakteristiky osciloskopů s číslicovou pamětípočet kanálů (obvykle 2 nebo 4)vzorkovací frekvence – dnes (2010) max. 40GS/sšířka pásma v reálném čase – až 100GHz – umožněno paralelním zpracováním jednotlivých úseků signálu několika AČ převodníkyhloubka paměti

4kB – jednotky GB, dnes standard cca 1MBs 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 100kmožnost sběru dat – sběrnice GPIB, RS232, USB, LANměření a zobrazení parametrů měřeného signálu (max, min, střední, efektivní (RMS), průměrná (AVG), doba náběhu (tr), doba doběhu (tf), matematické operace (FFT, statistická analýza)) možnost uložení nastavenímožnost automatického zjištění základních parametrů signálu – autosetmožnost filtrace signálu

režim AVERAGE (zobrazení signálu až po získání a zprůměrování definovaného množství průběhů)režim digitální filtrace signálu (odstranění šumu)



Příklady osciloskopu s číslicovou pamětí

Rigol – DS1000

Agilent – DSO7000

Agilent – DSO7000zadní panel

přední panel



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):

aktivní napěťová sonda

obsahuje aktivní prvky (FET, zesilovač) zapojené jako napěťový sledovač

nutnost napájecího zdroje

iKi CCRCR 11 iKi CCRCR 11 iKi CCRCR 11

kalibrace sondy (nastavení kapacity C1) pomocí obdélníkového signálu

ekvivalentní obvodekv. obvod, překreslený jako frekvenčně kompenzovaný

dělič napětí



Světoví výrobci osciloskopůAGILENT (bývalý HP)

řada 1000 – 100MHz / 1200$

řada 5000 – 500MHz / 6000$

řada 7000 – 1GHz / 15000$

řada 9000 – Infineon13GHz / 100000$

řada 8600 – Infineon80GHz (vzorkovací)

20000$



Světoví výrobci osciloskopůTektronix

řada TPS 2000 – 200MHz

řada DSO 2000 ‐ 200MHz

řada DPO 3000 ‐ 500MHz

řada DPO 7000 – 20GHz

řada DSA 8200 ‐ 80GHz



Světoví výrobci osciloskopůLeCroy

řada Wave Ace – 200MHz řada Wave Surfer/Runner(6GHz)

řada Wave Expert (40GHz)

Yokogawa

DL1740 – 500MHz

DL6000/9000 – 1,5GHz



Výrobci osciloskopů levnější kategorieRigol (Čína)

GW Instek (Taiwan) EZ Digital (východ)

BK Precision (USA)

Metrix

Hameg (Německo)



Dodavatelé osciloskopů na českém trhu

HTEST – Agilent (www.htest.cz)

TM Direct – Tektronix (www.tmdirect.cz)

Blue Panther – LeCroy (www.bluepanther.cz)

Yokogawa – T&R Instruments – Yokogawa (www.yokogawa‐nbn.cz)

Micronix – Rigol (www.micronix.cz)

Empos – GW Instek (www.empos.cz)

AMT – EZ Digital (www.amt.cz)

TR Instruments – BK Precision (www.trinstruments.cz)



mt1 09 osciloskopynoel.feld.cvut.cz/~horcik/soscl/3em/soubory/mt1_09... · 2014. 9. 15. ·...

Documents