5. 3. 2013
Čo je osciloskop?


Základný merací prístroj umožňujúci zviditeľniť časovo
premenné signály (primárne napätie) obyčajne vo forme
grafu signál (y) v čase (x)
Princíp

Osciloskopy,
príslušenstvo, použitie


Ján Šaliga
KEMT FEI TU Košice, 2013
Pripojenie osciloskopu k meranému objektu
– osciloskopické sondy



Osciloskopické sondy (probes)
sa používajú na snímanie signálu,
základnú úpravu jeho veľkosti a
prispôsobenie k nesymetrickému
napäťovému vstupu osciloskopu
(BNC)
Existuje veľké množstvo rôznych sond pre rôzne použitie,
napr. diferenciálne vf sondy, prúdové sondy, vn sondy, atď.
Najčastejšie sondy: pasívne napäťové sondy s útlmom
(deličom) 1:10 (budú použité aj na cvičeniach), prípadne
bez útlmu (1:1)
Staršia technológia: analógový osciloskop
(CRO = cathode ray oscilloscope)
Číslicový osciloskop (DSO = digital
storage oscilloscope, digitizing
scope, ...)
špeciálny prípad DSO sú MSO =
mixed signal oscilloscope, čo je
kombinácia DSO a jednoduchého logického analyzátora v jednom
prístroji
Pasívne sondy 10:1 – nf model



Najčastejšie sondy: pasívne napäťové sondy s útlmom (deličom) 1:10
(budú použité aj na cvičeniach)
Zmenšujú merané napätie (chránia vstup osciloskopu) a zväčšujú
jeho celkový vstupný odpor pri snímaní napätia
Deliaci pomer je potrebné zobrať do úvahy pri odčítaní napätia z
obrazovky osciloskopu, napr. 0,5 V z obrazovky pri sondách 1:10 je v
skutočnosti 5V (auto prepočet pri nastavení typu sondy u
niektorých osciloskopov)
1
5. 3. 2013
Pasívne sondy 10:1 – vf model

Vstupná kapacita osciloskopu a parazitná kapacita kábla
tvoria s odpormi deliča dolný priepust potláčajúci vf
zložky signálu
Kompenzácia sond
C1
BNC konektor
Hrot sondy
Osciloskop
R1
9MW
Rekv
Rvst
1MW
U1
Ux
Zsonda  R1  R2 
Ci 
Cvst
CvstC1
 Cvst
Cvst  C1
Vstupný odpor vzrastie
Vstupná kapacita klesne

Vplyv nežiaducich kapacít je možné kompenzovať
pridaním paralelnej kapacity k Rtip
Kompenzácia sond prakticky
Prenos meraného napätia do
osciloskopu cez sondu má byť
frekvenčne nezávislý
Uvst
U vst  j 

U 1  j 
C1C2
 Zosciloskop
C1  C2
Pasívne sondy 10:1
1
1 Rvst  jCvst
1
1

1 Rvst  jCvst 1 R1  jC1
RvstCvst  R1C1
U vst  j 
Rvst

U1  j  Rvst  R1
Praktická kompenzácia pomocou
kalibrátora v osciloskope pravouhlý
priebeh rôznej úrovne a frekvencie
2
5. 3. 2013
Kompenzácia sond prakticky
Nastavenie kompenzácie
sondy
Signál s frekvenciou 1KHz a konštantnou veľkosťou
pre všetky merania
Nízko a vysokofrekvenčná kompenzácia
Signál s frekvenciou 1MHz a konštanou
veľkosťou pre všetky merania.

Prekompenzované
Okrem klasickej, tzv. nízkofrekvenčnej kompenzácia môžu
mať širokopásmové sondy aj doplnkovú
vysokofrekvenčnú kompenzáciu
C1 15-20pF
Vykompenzované
Hrot
sondy
R1
9MW
Rekv
Ux
Podkompenzované
nízkofrekvenčná
kompenzácia,
alternatívne:
Ckábel
(90–110pF)
U1
Ckomp
5-30pF
C2
(cca. 40pF)
R2
cca. 100W
BNC
konektor
Osciloskop
Rvst
1MW
Cvst
10-30pF Uvst
vysokofrekvenčná
kompenzácia (C2, R2)
Ďalšie typy osciloskopických sond





Pasívna sonda s nízkoimpedančným vstupom (50Ω) určená najmä pre merania vo
vysokofrekvenčných obvodoch, kde sa požaduje impedančné prispôsobenie a vysoká
medzná frekvencia.
Aktívne sondy s nesymetrickým vstupom obsahujú predzosilňovač a sú určené pre
meranie veľmi malých signálov, pre ktoré citlivosť osciloskopov nepostačuje, alebo
pre vysokoimpedančné zdroje signálu. Vstupná kapacita býva okolo 1pF. Sú veľmi
citlivé na prepätie včítane statickej elektriny. Šírka pásma býva až do jednotiek GHz.
Aktívne diferenciálne sondy sú určené na meranie neuzemnených zdrojov signálu.
Obsahujú predzosilňovač a konverziu z diferenčného vstupu na nesymetrický výstup
vhodný pre pripojenie k osciloskopu. Bývajú vo forme širokopásmových
vysokofrekvenčných sond schopných spracovať signály až do približne 10GHz.
Vysokonapäťové diferenciálne sondy s galvanickým oddelením vstupu umožňujú
bezpečné, presné a širokopásmové meranie v oblasti vysokonapäťových zariadení
a systémov až do napätí v ráde jednotiek kV.
Prúdové sondy, ktoré umožňujú merať osciloskopom priebehy prúdu so šírkou
pásma približne do 100MHz. Zväčša využívajú princíp Halovej sondy na nízkych
frekvenciách a prúdový transformátor na vysokých, ktoré sú ale konštruované pre
širšie frekvenčné pásmo a menšie prúdy.
Ďalšie typy sond
Aktívna sonda s nesymetrickým
vstupom
Prúdové sondy
Diferenčná sonda
Vysokonapäťová aktívna
diferenčná sonda
3
5. 3. 2013
Príklady signálov
Signály
- viď príslušnú prednášku






Odčítanie parametrov
Horizontal = 1 µs/div
1 Div
Vertical = 1 V/div
1 Div
Volts
Princíp analógového osciloskopu
Periodické
Neperiodické – pamäťový osciloskop (každý DSO)
AC, DC, AC + DC
Synchrónne, asynchrónne
Komplexné signály (modulované = nosná + modulačný)
...
Time

Displej zobrazuje signál s mriežkou: vertikálne delenie sa vzťahuje na
nastavenie citlivosti (volt/dielik), vertikálne na nastavenie časovej základne
s/dielik
4
5. 3. 2013
Meranie priamym odčítaním = najbežnejší
postup
Meranie pomocou kurzorov
Y2 Cursor
X2 Cursor
X1 Cursor
Horizontal = 1 µs/div
V p-p
Indikátor
referenčnej
úrovne kanála
(zeme - 0.0 V)
V max
Vertical = 1 V/div
Cursor
Controls
Δ Readout
Y1 Cursor
Absolute V & T
Readout
Perióda
Perióda (T) = 4 divisions x 1 µs/div = 4 µs, Freq = 1/T = 250 kHz.

Manuálne umiestnite X & Y kurzory na merané body.

V p-p = 6 divisions x 1 V/div = 6 V p-p

V max = +4 divisions x 1 V/div = +4 V, V min = ?
Osciloskop automaticky určí absolútne polohy ako aj rozdiely medzi X,
resp.Y kurzormi


Automatické meranie parametrov signálu
Základné ovládacie prvky osciloskopu
Časová základňa(horizontálna
škála - s/div)
Spúšťacia úroveň
(Trigger Level)
Horizontálna
poloha
Vertikálna
citlivosť
(V/div)
Odmerané
hodnoty
Vertikálna
poloha


Z ponuky automatického merania je potrebné vybrať želané merané
parametre zobrazeného signálu
Osciloskop pomocou číslicového spracovania digitalizovaného signálu
odhadne zvolené automaticky merané parametre
BNC vstupy
5
5. 3. 2013
Osciloskop na cvičeniach (DSO1004)
Režimy meraj,
stoj, jednorázovo
Správne nastavenie citlivosti a časovej základne
Počiatočné – východzie nastavenie
Optimálne nastavenie
Časová základňa(horizontálna
škála - s/div) Horizontálna
Spúšťacia úroveň
poloha
Soft tlačidlá
(Trigger Level)
Doplnkové
rozširujúce
funkcie
Vertikálna
citlivosť
(V/div)
Vertikálna
poloha
Kalibrátor

Nastavujte V/div prepínač kým signál nepokryje vertikálne väčšinu obrazovky.

Nastavujte vertikálny ovládací prvok polohy kým nebude signál centrovaný vertikálne.

Nastavujte s/div kým nebude na obrazovke niekoľko dobre rozlíšiteľných periód
signálu horizontálne.

Nastavujte Trigger Level kým nebude približne v strede rozkmitu signálu.
Správne nastavenie je často iteračný proces.
Synchronizácia osciloskopu - triggering
Autosetup – ak ho osciloskop má
General instructions to set up the oscilloscope in standard positions are as
follows:











Set the oscilloscope to display channel 1
Set the vertical volts/division scale and position controls to mid–range positions
Turn off the variable volts/division
Turn off all magnification settings
Set the channel 1 input coupling to DC
Set the trigger mode to auto
Set the trigger source to channel 1
Turn trigger holdoff to minimum or off
Set the intensity control to a nominal viewing level, if available
Adjust the focus control for a sharp display, if available
Set the horizontal time/division and position controls to mid-range positions
Trigger Level

BNC vstupy
Príprava osciloskopu na meranie

- Priveľa periód.
- Malá vertikálna citlivosť.
Triggering je často najmenej poznaná funkcia
osciloskopu pritom ale jedna z najdôležitejších, ktorej je
potrebné dobre rozumieť najmä v DSO, kde sa často
ponúka veľmi široká paleta možností triggeringu.

Triggering je analógia synchronizovanej fotografii,
napr. v športe

Zachytený priebeh signálu pozostáva s množstva
digitalizovaných vzoriek (DSO).

Jeho zachytenie musí byť viazaný k vybranému
jedinečnému bodu v opakujúcom sa priebehu
signálu.

Väčšina osciloskopov používa základnú
synchronizáciu od dosiahnutia určitej napäťovej
úrovne (trigger level) na rastúcej alebo klesajúcej
časti signálu (rising or falling edge).
Cieľová fotografia z
dostihov je analógiou
trigeringu
6
5. 3. 2013
Príklady synchronizácie
Rozšírené možnosti synchronizácie DSO
Trigger level set above waveform
Trigger Point
Trigger Point
Nesynchronizované
Trigger = nárast signálu
(rising edge)@ 0.0 V
Negative
Time
Trigger = pokles signálu
(Falling edge) @ +2.0 V

Example: Triggering on an I2C serial
bus
Positive
Time
Predvolená poloha synchronizačnej udalosti je pre DSO v strede obrazovky
horizontálne, u analógových osciloskopov na ľavom okraji obrazovky
Základný princíp DSO

Väčšina bežných meraní vystačí zo základnou synchronizáciu na hranu (edge)

DSO umožňujú pomocou číslicového spracovania signálu v reálnom čase oveľa
zložitejšie spôsoby synchronizácie, z ktorých niektoré budú vysvetlené neskôr.
Spracovanie signálu

Sériové (DSO)

Paralelné (DPO) – sofistikované spracovanie (špeciálny DSP
obvod)
Žltá = bloky kanálu spracúvajúceho meraný signál
Modrá = Systémová časť osciloskopu – spoločná pre všetky kanály
7
5. 3. 2013
Zjednodušená principálna schéma
vstupných obvodov vertikálneho kanála
Vertikálny kanál


Prispôsobiť merané signály vnútorným obvodom osciloskopu
(obrazovke)
Vstupná impedancia, typ. 1M, paralelne 5-40pF (niekedy aj 50
ohmov)


Väzba: DC, AC, GND
Citlivosť: cca. 1mV/d – 100V/d


DC
GND
R1
C1
R2
C2
Rn
Cn
Prepínač
vstupnej
citlivosti
CAL
Plynulá
regulácia
citlivosti
U
Ofset
(vertikálny
posun stopy) -U
niekedy možnosť obmedzenia (BW limit)
Nastavenie polohy grafu na obrazovke – vertikálny posun –
pridanie DC napätia
Základné parametre osciloskopov
Výber správnej šírky pásma
Širka pásma - “Bandwidth”
Vstup= 100-MHz hodiny (Digital Clock)
Odozva 100-MHz BW
osciloskopu
Frekvenčná charakteristika osciloskopu

AC
POZOR: v analógových osciloskopoch plynulá regulácia citlivosti =>
nesprávne odčítanie => pri odčítavaní veľkosti vždy do CAL. polohy!!!
Šírka pásma: dôležité vyjadrenie v časovej a frekvenčnej oblasti
(analógové: do 20MHz – 500MHz, DSO až 10GHz)


C
BNC
vstup
G

POZOR: vstupná kapacita s vnútorným odporom v meranom bode
obmedzuje šírku pásma!!!)
Všetky osciloskopy majú charakteristiku „dolného priepustu“
Odozva 500-MHz BW
osciloskopu

Potrebná BW pre analógové aplikácies: ≥ 3X frekvencia najvyššej zložky spektra.
Potrebná BW pre digitálne aplikácie: ≥ 5X najvyšia frekvencia hodín.
Presnejšie určenie BW súvisí so strmosťou hrán meraného signálu

Frekvencia pri ktorej je pokles 3dB (vstupná sínusovka je utlmená o 3dB) definuješ írku pásma osciloskopu
(the scope’s bandwidth).


-3 dB je ekvivalentné ~ -30% chyby merania amplitúdy

tr 
0.35
f BW
8
5. 3. 2013
Digitalizácia signálu - vzorkovanie I

Vzorkovanie v reálnom čase (Shannon) f s  2. f max


Dostatočný počet vzoriek na periódu/úsek (minimálne 12-16)
Súvislosť časovej základne so vzorkovacou frekvenciou a pamäťou:
väčšia pamäť – vyššia vzorkovacia frekvencia (platí presne iba u
osciloskopov, kde sa celá pamäť používa na zachytenie priebehu).
C
f s   mem
 N d Td



Vzorkovanie v ekvivalentom čase
Vzorkovanie II

Realizácia vzorkovanie v reálnom čase (Shannon)


Normálny mód = vzorkovanie beží konštantnou maximálnou
rýchlosťou s následnou
decimáciou vzoriek
(vynechávanie)
Peak detect mode =
špeciálny mód –
vyhodnocujú sa
maximálne a minimálne
hodnoty vzoriek a
extrémne hodnoty sa
pamätajú
Koherentné a nekoherentné vzorkovanie
 Koherentné:



Nie je splnená Shannonova podmienka
Použiteľné iba pre periodické signály
Z niekoľkých periód sa zoberie iba jedna vzorka



Koherentné – sequentional equivalent time
Nekoherentné (náhodné) – random equivalent time
Vzorky z rôznych periód sa pre zobrazenie vhodne
usporiadajú
 väzba medzi meraným a
vzorkovacím signálom
(synchronizácia)
 Vzorky sa zobrazujú
v poradí zachytenia
 Náhodné:
 Nutné pamätať si aj
oneskorenie medzi
spúšťacou udalosťou a
vzorkovacím okamihom
 Vykreslenie podľa
oneskorení
9
5. 3. 2013
Režimy oriadenia opakovania merania

Režimy: auto (autotrigger) = AKO, Normal = MKO, Single
(príprava = Reset, Arming)



Auto (autotrigger) – snímanie signálu prebehne aj ak nie je správne nastavená
synchronizácia
Normal – snímanie prebehne iba ak došlo k synchronizačnej udalosti, inak
osciloskop „vyčkáva“
Single – snímanie prebehne iba raz po uvoľnení a po synchronizačnej udalosti.
Pre opakovanie snímania je potrebné povoliť nové meranie (Reset, Arming, ...)
Triggering I
Zdroj:





+
-
Úroveň –
trigger level
+
-
Analógová – obdoba analógových osciloskopov na hranu (edge, slope)
Číslicová (advanced, smart, inteligentná) – vyhodnotenie
digitalizovaných vzoriek rýchlym procesorom. Príklady: špičky (glitch),
trvanie hrany impulzu (slew rate), šírka impulzu, spustenie po uplynutí
času (time-out triggering), zachytenie malých impulzov
s nedostatočnou amplitúdou (runt pulse triggering), spúštanie na logiké
úrovne a kombinácie (logic triggering), maska = tolerančné pole, ...
Triggering III - Hold off
Analógová:

obdoba analógových osciloskopov

na hranu (edge, slope) = prechod signálu zvoleným
smerom cez nastavenú DC úroveň

Predspracované signálu pred vyhodnotením

Špeciálny prípad = oba smery prechodu
úprava signálu:
DC, AC, HF,
LF, TVH, TVL,
...
Alternate triggering = striedanie zdroja synchronizácie medzi kanálmi
pri meraní asynchrónnych signálov
Spôsob odvodenia:



EXT
EXT/5 útlm synchronizačného signálu
AC line – sychronizácia od siete 50/60Hz


Triggering II - Edge trigger
Interná – odvodená z meraného priebehu
Externá – signál na špeciálnom vstupe (obyčajne iba analógová)



Holdoff = dočasné blokovanie opakovaného merania na
určitý čas (holdoff time)
Vhodné pri komplexných signálov, napr. digitálne dáta s
dlhou opakovacou periódov obsahujúcou „nezaujímavé“
dáta
Blokovanie (hold off)
Spúšťacia
úroveň
Hold off
pozdržanie
Meranie
10
5. 3. 2013
Triggering IV - video

Video – analógový video signál (PAL, NTSC, SECAM):
Riadky (číslo)

Snímky (párne, nepárne, všetky)
Triggering IV - pulse


Pulse (impulse) – parametre impulzu




Kladný impulz, šírka väčšia ako zvolená
Kladný impulz, šírka menšia ako zvolená
Záporný impulz, šírka väčšia ako zvolená
Záporný impulz, šírka menšia ako zvolená
Ďalšie možnosti, napr. šírka impulzu alebo doba
jeho čela, tyla, v zvolenom intervale, mimo
intervalu, väčšia, menšia, ...
Vhodné pre detekciu úzkych poruchových impulzov
(glitch), výpadky v komunikácii, a pod.


Triggering V – digitálne úrovne (pattern)
Triggering VI – maska





Úroveň (H, L – kombinácia na kanáloch a EXT) alebo hrana.
Odvodené z digitálnych vstupov u MSO – hexa kód na vstupe,
dekódovanie zbernice (I2C, SPI, RS 232, CAN, LIN, ...)
Chyba amplitúdy impulzu (runt) – mimo limitov pre H a L
...


Zachytenie poruchového „mimotolerantného“ signálu.
Tolerančné pole je dané maskou vytvorenou meraním,
nastavením tolerancie alebo manuálnym zadaním.
Signál je zachytený iba ak „vybehne“ z masky.
11
5. 3. 2013

Vykreslenie priebehu – časová lupa (zoom)
Vykresľovanie - dosvit (persistence) II.
Analógový
osciloskop:




Zoom zväčšením
zisku zosilňovača píly
Oneskorená časová
základná
DSO:

Obyčajne iba
podrobnejšie
rozkreslenie
vybraného úseku
pamäte
Vykresľovanie - spriemerňovanie


Spriemerňovanie (averaging) = opakované meranie a
vykreslenie plávajúceho priemeru z N posledných meraní
Využitie: meranie periodických zašumených signálov



Príklad využitia: diagram oka
(eye diagram) – posúdenie
stability, jitteru hodín a
skreslenie v digitálnych
dátových budičoch a
prenosoch (zbernice a pod.),
vply šumu a rušenia na
digitálne dáta a pod.
Synchronizácia na hodiny alebo „dual slope“
Vyhodnocuje sa šírka, výška (otvorenie oka), čelo, tylo,
jitter atď. zo štatistiky.
http://www.youtube.com/watch?v=my7CI84le5g
Konektivita DSO

USB hostiteľ




Externé pamäťové zariadenie (priebehy, nastavenia kópie obrazovky)
Tlačiareň
USB zariadenie, GPIB, RSxx, LXI (ethernet) – pripojenie k PC a
riadenie/snímanie dát
LXI – rôzne internetovské protokoly a funkcie, napr. telnet, ftp,
web server, ...
12
5. 3. 2013
Trendy vo vývoji osciloskopov



Predlžovanie pamäte a jej segmentovanie
Kombinácia s inými prístrojmi, napr. multimeter, generátor,
logický analyzátor, spektrálny analyzátor, ...
Pokročilé spracovanie signálov




Použitie osciloskopu - meranie parametrov
impulzov I
automatické merania na zberniciach (RSxx, CAN, LIN, SPI, I2C,
...)
matematické funkcie
Zlepšenie presnosti merania, meranie malých signálov –
12bitové ADC
...
Použitie osciloskopu - meranie parametrov
impulzov – prekmity (overshoots)
Použitie osciloskopu - meranie parametrov
impulzov – prekmity (preshoots)
13
5. 3. 2013
Použitie osciloskopu - meranie meranie
oneskorenia a fázového posunu
Použitie osciloskopu - meranie parametrov
impulzov – časové parametre
Použitie osciloskopu - meranie pomeru
frekvencií a fázoveho posunu v režime XY
Lissajousove obrazce – v praxi málo pouźívané
14
Download

Osciloskopy 2013.pdf