Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 4.pdf
(
539 KB
)
Pobierz
051-055_tespol_cz4.indd
POMIARY
Pomiary oscyloskopowe:
okiem praktyka, część 4
Oscyloskop jest jednym z najbar-
dziej uniwersalnych przyrządów
pomiarowych. Wykorzystywa-
ny jest zarówno w najbardziej
zaawansowanych projektach
badawczych jak i warsztatach
amatorskich. Oczywiście różnice
w parametrach, a także i cenach
przyrządów stosowanych podczas
pomiarów bywają ogromne.
Pasmo najbardziej wyczynowych
współczesnych oscyloskopów
niebawem przekroczy granicę
20 GHz, a szybkość próbkowania
w czasie rzeczywistym rzędu 40
miliardów próbek na sekundę,
stosowana jest już od dawna.
Tajniki pomiarów prowadzonych
za pomocą nowoczesnych oscylo-
skopów cyfrowych przedstawiamy
w artykule.
Próbkowanie
Podstawowe parametry dotyczące
procesu pobierania próbek sygnału
badanego przez oscyloskop cyfro-
wy, stanowią częstotliwość próbko-
wania i rozdzielczość przetwornika
analogowo–cyfrowego. Częstotliwość
próbkowania podawana jest w ilości
próbek na sekundę i oznaczana jako
Sa/s lub S/s
(samples per second)
.
Wartości podawane w katalogach są
zazwyczaj maksymalne dla dane-
go przyrządu. Rozdzielczość stoso-
wanych przetworników A/C wyno-
si standardowo 8 bitów i bardzo
rzadko występują odstępstwa od
tej reguły. Pośród współczesnych
przyrządów firmy Tektronix jedynie
oscyloskopy serii TDS3000 posiada-
ją przetwornik 9–bitowy.
Częstotliwość próbkowania jest
uwarunkowana parametrami za-
stosowanego przetwornika, ale też
aktualnymi nastawami. W oscylo-
skopie cyfrowym zmiana podstawy
czasu przy stałej długości rekordu
akwizycji wymusza zmianę często-
tliwości próbkowania. Im podstawa
czasu wolniejsza, tym wolniejsze
jest próbkowanie. Zgodnie z teo-
rią, szybkość pobierania próbek
musi być co najmniej dwukrotnie
większa od największej częstotli-
wości występującej w sygnale. Aby
warunek nie był naruszony, przed
przetwornikiem umieszcza się dol-
noprzepustowy filtr antyaliasingowy.
Jednak w oscyloskopie cyfrowym
a)
b)
Rys. 10. Wydłużenie podstawy czasu zmniejsza częstotliwość próbkowania
i zawęża pasmo pomiarowe, czego skutkiem może być aliasing. Ten sam
sygnał sinusoidalny mierzony dla podstawy czasu 2 ns/dz (a) i 100 µs/dz (b)
Elektronika Praktyczna 4/2007
51
POMIARY
nie stosuje się takiego rozwiązania.
Nie ma tu filtrów o parametrach
zmienianych wraz ze zmianą pod-
stawy czasu. Wydłużenie podstawy
czasu powoduje spadek częstotliwo-
ści próbkowania, a tym samym za-
wężenie aktualnego pasma pomiaro-
wego. Prowadzi to w konsekwencji
do aliasingu. Spójrzmy na
rys. 10a
:
sygnał sinusoidalny o częstotliwości
400 MHz został tu zarejestrowa-
ny przyrządem o paśmie 500 MHz
przy próbkowaniu 5 GSa/s. Następ-
nie podstawa czasu została wydłu-
żona do 100 µs/dz, a częstotliwość
próbkowania spadła do 10 MSa/s.
Przebieg rejestrowany w takich wa-
runkach widoczny jest na
rys.
10b
.
Chociaż ma on w dalszym ciągu
częstotliwość 400 MHz, uzyskany
wynik może sugerować, że jego
częstotliwość wynosi niecałe 7 kHz.
Jeżeli rejestrujemy sygnał powtarzal-
ny, to w obecności aliasingu będą
występowały trudności ze stabilnym
wyzwalaniem. Gdy jednak pomiar
wykonywany jest w pojedynczym
wyzwoleniu (jak na rys. 10b), to
uzyskany wynik może być bardzo
mylący.
Niektóre oscyloskopy wyposażo-
ne są w przetwornik analogowo–cy-
frowy o maksymalnej częstotliwości
próbkowania mniejsze niż pasmo
przyrządu. Dla przykładu, niepro-
dukowany już TDS460 ma pasmo
400 MHz, ale maksymalną szybkość
pobierania próbek tylko 100 MSa/s.
To, jak się wydaje, naruszenie ele-
mentarnych zasad próbkowania, wy-
maga wyjaśnienia.
Gdy nie dysponujemy odpowied-
nio szybkim przetwornikiem, ale
oscyloskop przeznaczony będzie do
pomiarów sygnałów powtarzalnych,
możemy wykorzystać tzw. prób-
kowanie w czasie ekwiwalentnym.
Oznacza to, że w pojedynczym cy-
klu rejestracji oscyloskop pobierze
tyle próbek, ile jest w stanie do-
starczyć jego wolny przetwornik.
W kolejnym wyzwoleniu pobierze
następną serię próbek, i tak aż do
zapełnienia całego rekordu wymaga-
ną ich ilością. Każdy widoczny na
ekranie przebieg będzie wynikiem
kilku wyzwoleń przyrządu. Chociaż
w pojedynczym wyzwoleniu próbki
pobierane są z mniejszą częstotli-
wością, to jednak ostateczny efekt
będzie taki, jakby pobrane zostały
z częstotliwością większą. Oczywi-
stym wymogiem poprawności otrzy-
manego w ten sposób rezultatu jest
powtarzalność mierzonego sygnału
i stabilność kolejnych wyzwoleń.
Najczęściej próbkowanie w czasie
ekwiwalentnym odbywa się w spo-
sób sekwencyjno–przypadkowy, jak
to pokazano na
rys.
11
. Oznacza
to, że każda pobierana seria pró-
bek jest przesunięta w osi czasu
względem serii poprzedniej o przy-
padkową wartość. Dzieje się tak,
ponieważ zegar taktujący przetwor-
nik analogowo–cyfrowy nie jest
zsynchronizowany z wyzwalaniem.
Wspólnym punktem każdej pobie-
ranej serii próbek jest moment wy-
zwolenia. Jednak aby poszczególne
serie poprawnie ulokować w pamię-
ci należy dokładnie zmierzyć czas
pomiędzy momentem wyzwolenia
a pierwszą pobraną po nim próbką.
Rozdzielczość tego pomiaru określa
okres częstotliwości próbkowania
w czasie ekwiwalentnym. Ale jak
tego dokonać dysponując sygna-
łem zegarowym o okresie o wiele
dłuższym niż mierzony odcinek?
Okazuje się, że nie jest to aż tak
skomplikowane. Pomiędzy wyzwo-
leniem a chwilą pobrania pierwszej
próbki ładowana jest liniowo po-
jemność. Następnie jest ona bardzo
wolno rozładowywana. Następuje
jakby rozciągnięcie mierzonego od-
cinka, stąd układ taki nazywany
bywa liniowym ekspanderem czasu.
W tym czasie zliczane są impul-
sy zegarowe, których ilość będzie
proporcjonalna do napięcia na po-
jemności, a więc i czasu w jakim
została naładowana. Rozdzielczość
pomiaru przesunięcia pomiędzy wy-
zwoleniem a pierwszą po nim prób-
ką zależy od czasu rozładowania
pojemności i częstotliwości sygnału
zegarowego. Dla uzyskania większej
dokładności czas rozładowania jest
dłuższy, ale to jednocześnie ozna-
cza wydłużenie czasu potrzebnego
na zakończenie pojedynczego cyklu
rejestracji. Dla przykładu, w oscy-
loskopach serii TDS300 omawiany
obwód, określany jako interpolator
podstawy czasu
(timebase interpola-
tor),
składa się ze źródła prądowe-
go 22 mA służącego do ładowania
pojemności oraz źródła 11 µA – do
jej rozładowywania. Sygnał wyzwa-
lający dołącza pierwsze źródło do
pojemności i powoduje jej szybkie
ładowanie. Zbocze sygnału zegaro-
wego taktującego przetwornik analo-
gowo–cyfrowy wyznaczające moment
pobrania próbki jednocześnie powo-
duje odłączenie źródła prądowego
ładującego i od tego momentu po-
jemność jest rozładowywana drugim
źródłem prądowym. Czas pomiędzy
wyzwoleniem a pierwszą po nim
próbką jest proporcjonalny do na-
pięcia na naładowanej pojemności.
Jednocześnie jest on proporcjonalny
do czasu rozładowywania pojemno-
ści w stosunku takim samym, jak
stosunek wydajności zastosowanych
źródeł prądowych, czyli 1:2000.
Pomiar tego czasu rozpoczyna się
więc w chwili pobierania próbki,
a kończy w momencie zmiany stanu
na wyjściu komparatora. Ze wzglę-
du na bardzo wolne rozładowanie
może on być odmierzany impulsa-
mi sygnału zegarowego taktującego
przetwornik analogowo–cyfrowy.
Istnieje też wiele metod pomia-
ru krótkich odcinków czasu w spo-
sób całkowicie cyfrowy. Stosowane
są one w nowszych konstrukcjach.
Najprostszym takim sposobem jest
zastosowanie cyfrowej linii opóźnia-
jącej w postaci szeregowo połączo-
nych przerzutników. Chociaż praca
w trybie czasu ekwiwalentnego roz-
wiązuje w pewnym stopniu problem
wolnego przetwornika, jednak może
jednocześnie obniżyć komfort obsługi
przyrządu. Dzieje się tak zwłaszcza
w przypadku tych oscyloskopów, dla
których częstotliwość próbkowania
jest kilkukrotnie mniejsza od szero-
kości pasma. Pomiary wykonywane
przy najkrótszych podstawach czasu
potrzebują wielu cykli na skompleto-
wanie rekordu akwizycji. Każdy taki
Rys. 11. Zasada próbkowania
w czasie rzeczywistym i w czasie
ekwiwalentnym
52
Elektronika Praktyczna 4/2007
ST7LiteU0x – Ultralekkie
kontrolery ST z EEPROMem
POMIARY
www.st.com
• Rdzeń ST7 (8bit, CISC)
• 2 kB pamięci FLASH
z możliwością zabezpieczenia
przed odczytem;
• 128 B wewnętrznej pamięci
RAM
• 128 B pamięci EEPROM
• zasilanie pojedyńczym napięciem
2,4...5,5V
• dwustopniowy układ detekcji
niskiego poziomu napięcia
zasilania (LVD + AVD)
• 5 trybów oszczędności energii
• możliwość programowania
w systemie (ICP)
• obudowy DFN8, SO8 i DIP8
Solidne wsparcie techniczne
dostępne przez m.in
www.st.com/mcu:
• darmowa biblioteka w języku C
• liczne noty aplikacyjne
i przykłady programów
• liczne zestawy ewaluacyjne
• solidna dokumentacja
Bogata oferta peryferiów:
• wbudowany oscylator RC do
8 MHz
• 5 kanałowy 10bitowy
przetwornik A/C
• Do 5 linii wejścia/wyjścia
• Timer 8–bitowy (z watchdog
i funkcją input capture)
• Timer 12–bitowy (z funkcją
output compare i wyjściem
PWM)
• Do 5 wektórów przerwań
zewnętrznych
• Blok wspierający uruchamianie
oprogramowania (Debug
Module)
www.st.com/mcu
Elektronika Praktyczna 4/2007
FUTURE ELECTRONICS POLSKA Sp. z o.o.
03–704 Warszawa
ul. Panieńska 9
tel.: 022 618 92 02
fax: 022 618 80 50
http://www.futureelectronics.com
53
POMIARY
a)
b)
wany wyłącznie na potrzeby firmy
Agilent.
Innym często spotykanym roz-
wiązaniem szybkiego przetwornika
A/C są przyrządy o sprzężeniu ła-
dunkowym CCD
(charge coupled
devices)
. W tym przypadku próbki
sygnału badanego zapisywane są
w pamięci analogowej FISO
(fast
in slow out)
. Zapis próbek do po-
szczególnych komórek odbywa się
z częstotliwością rzędu GHz. Ana-
logowe wartości próbek są następ-
nie odczytywane przez wolny prze-
twornik analogowo–cyfrowy, a ich
skwantowane wartości zapisywane
w pamięci akwizycji. Powszechnie
stosowanym przez firmę Tektronix
rozwiązaniem jest taktowanie pa-
mięci FISO zegarem o częstotliwo-
ści 60,606 MHz (okres 16,5 ns).
Zegar jest dołączony do 33 szere-
gowo połączonych buforów, każdy
o czasie propagacji 0,5 ns. Wyjścia
poszczególnych buforów sterują za-
pisem analogowych próbek w kolej-
nych rzędach pamięci FISO. Próbki
pobierane co 0,5 ns odpowiadają
częstotliwości próbkowania 2 GSa/s.
Odczyt analogowych próbek odby-
wa się z częstotliwością rzędu kil-
kudziesięciu MHz. Zaletą takiej me-
tody przetwarzania jest niski koszt
i bardzo duża częstotliwość próbko-
wania przy relatywnie wolnych sy-
gnałach na zewnątrz układu prze-
twornika. Dzięki zastosowaniu tej
technologii nawet oscyloskopy „z
dolnej półki” pracują na wszystkich
nastawach podstawy czasu w czasie
rzeczywistym, przy maksymalnej
częstotliwości próbkowania nawet
dziesięciokrotnie większej od pasma
przyrządu.
Przyjętą w praktyce zasadą jest
próbkowanie w czasie rzeczywistym
z częstotliwością najmniej pięcio-
krotnie wyższą od pasma. Ponieważ
pasmo powinno być pięciokrotnie
szersze od częstotliwości sygna-
Rys. 12. Te same sygnały rejestrowane przy próbkowaniu w czasie rzeczy-
wistym (a) i w czasie ekwiwalentnym (b). Oscyloskop wyzwalany impulsem
niepełnym (
runt
)
cykl wymaga pomiaru czasu przesu-
nięcia danego zestawu próbek, a po
zgromadzeniu ich dostatecznej licz-
by dodatkowej interpolacji i dopiero
wyświetlenia przebiegu na ekranie.
Przebiegi wykreślane są zatem z wy-
raźnym opóźnieniem.
Próbkowanie w czasie ekwiwa-
lentnym nie nadaje się do obserwa-
cji sygnałów jednorazowych. Wyma-
ga to bowiem zgromadzenia wszyst-
kich próbek w jednym cyklu, czyli
pracy w czasie rzeczywistym. Z te-
go powodu przyrządy wyposażone
w zbyt wolny przetwornik, niekiedy
w ogóle nie mają możliwości poje-
dynczego wyzwolenia. Przetwornik
wspomnianego wcześniej, niepro-
dukowanego już modelu TDS460A,
pracuje z maksymalną częstotliwo-
ścią próbkowania 100 MSa/s, a więc
dla najkrótszej podstawy czasu
1 ns/dz. dostarczyć może tylko jed-
ną próbkę w pojedynczym wyzwole-
niu. Praca w czasie ekwiwalentnym
nie daje dobrych wyników w połą-
czeniu z bardziej zaawansowanymi
trybami wyzwalania. Dla przykładu
rys.
12
przedstawia wynik rejestra-
cji sygnałów w czasie rzeczywistym
i ekwiwalentnym przy wyzwalaniu
impulsem niepełnym
(runt)
.
Praca w czasie rzeczywistym
wymaga zastosowania odpowiednio
szybkiego przetwornika analogo-
wo–cyfrowego. Często stosowanym
rozwiązaniem jest praca z przeplo-
tem
(time interleaving)
. Polega ona
na tym, że kilka wolniejszych prze-
tworników jest połączonych równo-
legle i taktowanych zegarem prze-
suniętym w fazie (
rys.
13
). Sprawia
to jednak, że włączenie kolejnych
kanałów powoduje spadek częstotli-
wości próbkowania. Dla przykładu,
mając do dyspozycji 4 przetworniki
po 250 MSa/s każdy, mamy możli-
wość taktowania ich zegarem prze-
suniętym co 90° i uzyskania prób-
kowania 1 GSa/s w czasie rzeczy-
wistym, ale tylko w jednym kanale.
Włączenie dwóch kanałów stwarza
możliwość wykorzystania dwóch ze-
stawów po dwa przetworniki takto-
wane zegarem przesuniętym o 180°,
czyli 2x500 MSa/s. Korzystanie z 3
lub 4 kanałów pomiarowych zre-
dukuje maksymalną częstotliwość
próbkowania w czasie rzeczywistym
do 250 MSa/s. O możliwościach tej
techniki świadczy przetwornik sto-
sowany w oscyloskopach Infinium
firmy Agilent. Zastosowany tam
obwód przetwarzania A/C zawiera
w jednych chipie 80 przetworników
po 250 MSa/s każdy. Taktowane są
sygnałami zegarowymi przesunięty-
mi o 50 ps. Dopasowanie wzmoc-
nienia i offsetu każdego z 80 torów
przetwarzania wymagało umiesz-
czenia w tej samej strukturze 160
przetworników DAC. Obwód scalo-
ny wyposażono dodatkowo w bu-
for o pojemności 1 MB. Ostatecz-
nie osiągnięto w ten sposób pasmo
6 GHz, próbkowanie 20 GSa/s, ale
odczyt wbudowanego bufora z czę-
stotliwością tylko 250 MHz (2x8 bi-
tów). Niestety, układ jest produko-
Rys. 13. Zasada zwielokrotnienia częstotliwości próbkowania przy pracy
z przeplotem
54
Elektronika Praktyczna 4/2007
POMIARY
Rys.14 Sposób pomiaru czasu pomiędzy wyzwoleniem
a sygnałem taktującym pobieranie próbek
TTL, musieliby-
śmy dysponować
oscyloskopem
o paśmie pomia-
rowym ≥300 MHz
i częstotliwo-
ści próbkowania
≥1,5 GS/s. Przy
wyborze oscy-
loskopu warto
upewnić się, czy
podawana w kata-
logu częstotliwość
próbkowania od-
nosi się do pracy
w trybie rzeczy-
wistym i czy nie
jest dzielona przy
włączaniu kolej-
nych kanałów.
W przeważającej części przetwor-
niki analogowo–cyfrowe stosowa-
ne w oscyloskopach cyfrowych są
ośmiobitowe. Dla specyficznych na-
staw rozdzielczość tę można zwięk-
szyć. Z uwagi na ograniczony roz-
miar rekordu akwizycji, dla wolnych
podstaw czasu spada częstotliwość
próbkowania poniżej wartości maksy-
malnej, z jaką może pracować prze-
twornik. Dysponując nadmiarem pró-
bek można je uśredniać i tym spo-
sobem uzyskać zwiększenie rozdziel-
czości. Dla przykładu, oscyloskop
Tektronix DPO4054 wyposażony jest
w przetwornik 2,5 GSa/s, ale przy
rekordzie 1000 próbek i podstawie
czasu 200 µs/dz próbki pobierane
są z częstotliwością jedynie 500 kSa/
s. Pomiędzy próbkami pobieranymi
co 2 µs przetwornik dostarcza 5000
próbek, które są ignorowane. Jeśli
jednak z częstotliwością 500 kSa/s
uśredniać te pięć tysięcy próbek,
nominalną rozdzielczość 8 bitów
zwiększymy do 14 bitów. Pamiętać
należy, że pasmo pomiarowe dla tej
podstawy czasu wyniesie 220 kHz.
Ogólnie, zwiększenie rozdzielczości
uzyskane dzięki takiemu uśrednieniu
obliczyć możemy jako:
0,5log
2
p
gdzie
p
jest liczbą uśrednianych
próbek.
Andrzej Kamieniecki, Tespol
łu mierzonego, więc częstotliwość
próbkowania w czasie rzeczywistym
powinna być co najmniej 5*5=25
razy wyższa od podstawowej czę-
stotliwości badanego sygnału. Jeśli
zatem chcielibyśmy z dokładnością
rzędu ~2% mierzyć sygnały nie-
powtarzalne w układach logicznych
Elektronika Praktyczna 4/2007
55
Plik z chomika:
radekgt2
Inne pliki z tego folderu:
Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 1.pdf
(2336 KB)
Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 10.pdf
(2276 KB)
Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 11.pdf
(2720 KB)
Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 2.pdf
(3835 KB)
Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 3.pdf
(573 KB)
Inne foldery tego chomika:
- - ▣▣▣ ELEKTRONIKA
• EDW 1998 - 2014
• Elektronika Praktyczna 1993-2008
• Nowy Elektronik
• Ośla łączka - czyli zaczynamy z elektroniką
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin