Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 1.pdf

(2336 KB) Pobierz

049-052_tespol_cz1.indd

POMIARY

Pomiary oscyloskopowe:

okiem praktyka, część 1

Oscyloskop jest jednym z najbardziej uniwersalnych

przyrządów pomiarowych. Wykorzystywany 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 przekracza

granicę 20 GHz, a szybkość próbkowania w czasie

rzeczywistym rzędu 40 miliardów próbek

na sekundę, stosowana jest już od dawna.

Parametry oscyloskopu, jakim dysponuje amator,

prawdopodobnie jeszcze długo nie zbliżą się do

tych wartości.

Planując zakup oscylo-

skopu, można zatem sku-

pić się na przyrządach

z pasmem do kilkudziesię-

ciu, może kilkuset MHz

i próbkowaniem rzędu po-

jedynczych GS/s. Szybko

okaże się, że różnorod-

ność oferowanych w tym

przedziale przyrządów

nie jest wcale mała. Na

co więc jeszcze zwrócić

uwagę? Materiały reklamo-

we często nie pomagają

w podjęciu decyzji. Mam

nadzieję, że przedstawione

Elektronika Praktyczna 1/2007

49

681978299.193.png

681978299.204.png

681978299.215.png

681978299.226.png

681978299.001.png

681978299.012.png

POMIARY

a)

b)

nakową intensywnością.

W przyrządach cyfrowych

stosowane są oczywiście

różne techniki zarówno

zwiększenia liczby cykli

rejestracji, jak i grada-

cji koloru poświaty ekra-

nu. Są to jednak funkcje

występujące w modelach

z przedziału cenowego nie-

dostępnego dla przecięt-

nego elektronika amatora.

Przynajmniej na razie. Na

rys. 1 przedstawiono ten

sam modulowany sygnał

oglądany na ekranie oscy-

loskopu analogowego i cy-

frowego.

W oscyloskopie analo-

gowym kształt przebiegu

pamiętany jest tylko na

ekranie i tylko tak dłu-

go, jak pozwoli poświata

luminoforu. W przypad-

ku obserwacji przebiegów

jednorazowych ta cecha

przyrządu analogowego

jest szczególnie dokucz-

liwa. Jeśli obraz nie zo-

stanie w porę utrwalony,

np. za pomocą aparatu

fotograﬁcznego, to wynik

pomiaru zostanie bez-

powrotnie utracony. Co

prawda spotkać można

jeszcze tzw. lampy pamię-

tające, ale w dalszym cią-

gu utrwalony przebieg to

tylko obraz, nie konkretne

wartości użyteczne w dal-

szej analizie przebiegu.

W tym zakresie oscyloskop

cyfrowy oferuje dowolnie

długi czas obserwacji za-

rejestrowanych sygnałów,

Rys. 1. Wyniki pomiaru tego samego sygnału za pomocą oscyloskopu analogowego

a) i cyfrowego b)

w dalszej części zestawie-

nie najbardziej podstawo-

wych parametrów, okaże

się pomocne podczas po-

równywania danych kata-

logowych.

delami cyfrowymi może

wypaść korzystnie w wie-

lu przypadkach.

Głównym elementem

oscyloskopu analogowego

jest lampa oscyloskopo-

wa, z której budowy bez-

pośrednio wynika zasada

działania całego przyrzą-

du. Obraz powstaje pod

wpływem pobudzenia

luminoforu pokrywają-

cego ekran strumieniem

elektronów. Zanim elek-

trony dotrą do ekranu,

są odchylane pomiędzy

płytkami odchylającymi.

O wielkości i kierunku od-

chylenia decyduje wartość

i polaryzacja przyłożonego

do płytek napięcia. Płytki

poziome odchylają stru-

mień elektronów liniowo

wzdłuż osi poziomej (oś

czasu). Sygnał badany jest

doprowadzany do płytek

odchylających pionowych.

W oscyloskopie cyfrowym

sygnał badany jest naj-

pierw próbkowany, war-

tości poszczególnych pró-

bek zapisywane w pamięci

i dopiero na tej podstawie

generowany jest widoczny

na ekranie obraz.

Zasady działania obu

rodzajów przyrządów po-

zwalają określić ich za-

lety i wady. Oscyloskop

analogowy odzwierciedla

kształt badanego sygnału

bezpośrednio na ekranie.

Kolejne cykle wykreślania

przebiegu mogą zacho-

dzić o wiele częściej niż

ma to miejsce w przy-

padku wielu przyrządów

cyfrowych. Częstsze wy-

kreślanie oznacza zaś

tyle, że więcej fragmen-

tów sygnału będzie przez

przyrząd rejestrowanych.

Zwiększa to prawdopodo-

bieństwo zaobserwowania

przypadkowych zakłóceń.

Dodatkowo intensywność

świecenia luminoforu pro-

porcjonalna jest do cza-

su jego pobudzenia przez

strumień elektronów. Dla-

tego – podczas kolejnych

wykreśleń przebiegu –

częściej występujące ele-

menty będą jaśniejsze od

tych występujących rza-

dziej. Intensywność świe-

cenia niesie dodatkową

informację o badanym sy-

gnale. Wyposażone w wy-

świetlacz ciekłokrystalicz-

ny oscyloskopy cyfrowe

gubią tę informację, czę-

sto wyświetlając wszystkie

elementy przebiegu z jed-

Analogowy czy

cyfrowy

Oscyloskopy analogowe

swoje najlepsze lata mają

już za sobą. Dostępne na

rynku nowe oscyloskopy

analogowe to w większo-

ści produkty ﬁrm dale-

kowschodnich. Znaczącą

grupę stanowią też egzem-

plarze używane uznanych

marek, niestety, są to

modele od lat nieprodu-

kowane. Potentaci branży

pomiarowej nie rozwijają

już tego typu konstrukcji,

a górna „półka” jest prze-

znaczona dla urządzeń

cyfrowych. Współczesne

oscyloskopy, poza przed-

stawieniem przebiegu na

ekranie, realizują szereg

mniej lub bardziej skom-

plikowanych funkcji bazu-

jących na przetwarzaniu

zarejestrowanego przebie-

gu. Takie działania han-

dlowe jak wykupienie ﬁr-

my Hameg (produkującej

między innymi oscylosko-

py analogowe) przez Roh-

de&Schwarz bynajmniej

nie zapowiadają powrotu

przyrządów analogowych.

Nie oznacza to jednak,

że wartość muzealna jest

jedynym walorem oscylo-

skopu analogowego. Po-

równanie z prostymi mo-

[GHz]

Rys. 2. Przykłady częstotliwości próbkowania uzyskiwa-

nych przez oscyloskopy różnych producentów w latach

1998…2004

50

Elektronika Praktyczna 1/2007

681978299.023.png

POMIARY

zarówno powtarzalnych

jak i jednorazowych oraz

łatwą archiwizację pomia-

ru (najczęściej w postaci

zarówno obrazu jak i war-

tości poszczególnych pró-

bek).

Do wad oscyloskopu

cyfrowego zaliczyć można

często występujące, do-

kuczliwe opóźnienie re-

akcji na zmianę nastaw.

Wynika ono z konieczno-

ści wcześniejszego zgro-

madzenia i przetworzenia

odpowiedniej ilości da-

nych. W przyrządzie ana-

logowym reakcja jest na-

tychmiastowa. Jeśli oscy-

loskop cyfrowy pracuje

z próbkowaniem w czasie

ekwiwalentnym, to do

zapełnienia rekordu wy-

maganą liczbą próbek po-

trzebuje wielu wyzwoleń.

Liczba próbek w rekordzie

może wymagać dodatko-

wego procesu interpolacji

i dopiero wtedy może zo-

stać wygenerowany obraz.

W oscyloskopie analogo-

wym każde pojedyncze

wyzwolenie to kolejny

proces wykreślania prze-

biegu.

Do niedawna domeną

oscyloskopów cyfrowych

było wyświetlanie nastaw

i wyników pomiarów au-

tomatycznych. Obecnie

spotykane jest to także

w przyrządach analogo-

wych. Takie funkcje jak

analiza widmowa nie są

jednak dostępne w oscylo-

skopie analogowym, pod-

czas gdy w cyfrowym jest

to już standard, nawet

w przypadku najtańszych

modeli.

da obserwowanego przebie-

gu będzie malała. Często-

tliwość, przy której zmale-

je ona do wartości 0,707

wartości początkowej (20lo-

g(0,707)=–3), wyznaczy

pasmo przyrządu. W oscy-

loskopie cyfrowym z funk-

cją analizy widmowej oraz

włączoną nieskończoną po-

światą można w ten sposób

wykreślić na ekranie przy-

rządu kształt charakterysty-

ki częstotliwościowej.

Dla przyrządów cyfro-

wych znaczenie tego para-

metru nie jest tak jedno-

znaczne jak dla analogo-

wych. Podstawowym pa-

smem, zdeﬁniowanym dla

oscyloskopu cyfrowego, jest

3–decybelowe pasmo analo-

gowych obwodów wejścio-

wych. Współczesny oscylo-

skop cyfrowy może jednak

pracować w szerszym pa-

śmie. Przetwarzanie sygna-

łów w dziedzinie cyfrowej

pozwala poszerzyć pasmo

pracy przyrządu poza za-

kres przenoszenia jego ob-

wodów wejściowych. Mówi

się wówczas o paśmie cy-

frowym ( Digital Bandwidth,

DSP Bandwidth, Enhanced

Bandwidth, Bandwidth+).

Zanim w oscyloskopach za-

częto stosować cyfrowe

przetwarzanie sygnałów, pod

pojęciem pasma kryło się

po prostu analogowe pasmo

toru sygnałowego. Obecnie

rozgranicza się dwa parame-

try (pasmo analogowe i cy-

frowe), lub podaje wartość

pasma cyfrowego. Jednak

dotyczy to raczej przyrzą-

dów o paśmie przenoszenia

kilku, kilkunastu GHz. Sze-

rokość pasma jest jednym

z ważniejszych punktów

materiałów reklamowych.

Częściowo odzwierciedla to

możliwości technologiczne

producenta. Na rys. 2 po-

kazano jak kształtowała się

maksymalna wartość tego

parametru na przestrzeni

ostatnich lat.

Poza szerokością pasma

ważny też może okazać się

kształt charakterystyki czę-

stotliwościowej. Jak widać

Pasmo

Pasmo oscyloskopu

określa się zazwyczaj jako

częstotliwość, przy której

następuje spadek charakte-

rystyki amplitudowej o trzy

decybele. Można to łatwo

sprawdzić podłączając do

wejścia przyrządu sygnał

sinusoidalny o małej czę-

stotliwości. Zwiększając

jego częstotliwość amplitu-

Elektronika Praktyczna 1/2007

51

681978299.034.png

POMIARY

na rys. 3 przyrządy o tym

samym paśmie w różnym

stopniu mogą wpływać na

tłumienie wyższych harmo-

nicznych sygnału. W szcze-

gólnym przypadku może to

spowodować nawet to, że

zobrazowanie narastającego

zbocza będzie dokładniejsze

w przyrządzie o nominalnie

węższym paśmie.

Oscyloskop cyfrowy re-

jestruje jedynie skończoną

liczbę próbek sygnału mie-

rzonego. Aby wyświetlany

na ekranie przebieg mógł

być jednoznacznie i dokład-

nie przedstawiony, liczba

próbek musi być wystar-

czająca. Dla sygnału sinu-

soidalnego deﬁniuje się tak

zwane użyteczne pasmo

pamiętania ( USB, Useful

Storage Bandwidth ):

cz stotliwo

próbkowaniem w czasie rze-

czywistym. Określa się je

jako Single Shot Bandwidth

lub Real Time Bandwidth .

Analogicznie dla sygnałów

powtarzalnych określane

jest pasmo Equivalent Time

Bandwidth . Warto tu pamię-

tać, że częstotliwość prób-

kowania, a więc także i pa-

smo oscyloskopu cyfrowego,

zmienia się wraz ze zmianą

podstawy czasu. Dla przy-

kładu oscyloskop o paśmie

500 MHz, maksymalnej

częstotliwości próbkowania

5 GS/s i rekordzie o długości

10 tys próbek, dla podstawy

czasu 10 s/cm będzie gro-

madził 100 próbek w ciągu

sekundy. Choć może wydać

się to zaskakujące, pasmo

pomiarowe dla takich na-

staw wyniesie nie więcej

jak 50 Hz.

Na granicy pasma po-

miarowego, przy 3–decy-

belowym spadku charakte-

rystyki amplitudowej, błąd

pomiaru amplitudy wynosi

~30%. Przyjętą w technice

pomiarowej zasadą jest sto-

sowanie oscyloskopu o pa-

śmie pięciokrotnie szerszym

od maksymalnej częstotli-

wości mierzonego sygnału.

Pozwala to wykonać pomiar

z uwzględnieniem częstotli-

wości podstawowej oraz do

piątej harmonicznej, czyli

z błędem na poziomie 2%.

Aby mieć właściwe wyobra-

żenie o wymaganym paśmie

przyjrzyjmy się tab. 1 . Za-

wiera ona zestawienie typo-

wych czasów narastania dla

kilku rodzin scalonych ukła-

dów cyfrowych wraz z wy-

maganym pasmem oscylo-

skopu przy danym błędzie

pomiaru.

Andrzej Kamieniecki,

Tespol

sygna� wej ciowy

czas

Rys. 3. Charakterystyka filtracji w torze wejściowym

oscyloskopu wpływa na sposób odwzorowania kształtu

mierzonych przebiegów

USB

�

f

S max

p

Tab. 1. Wymagane pasmo oscyloskopu dla pomiaru czasu

narostu z zadanym błędem

Rodzina

układów

Parametr ten określa

maksymalną częstotliwość

sygnału sinusoidalnego, któ-

ry przy próbkowaniu z czę-

stotliwością f Smax zapewni

pobranie p próbek w ciągu

jednego okresu. Liczba pró-

bek, która jest wystarczają-

ca do odtworzenia przebie-

gu, nie jest określona jed-

noznacznie i zależy zarów-

no od typu jak i algorytmu

zastosowanej interpolacji.

Dla oscyloskopów ﬁrmy

Tektronix przyjmuje się np.

p=25 dla przebiegów bez

interpolacji, p=10 dla in-

terpolacji liniowej i p=2,5

dla interpolacji sin(x)/x .

Oscyloskop cyfrowy

może pracować z próbkowa-

niem w czasie rzeczywistym

lub w tak zwanym czasie

ekwiwalentnym. Różnica

polega na tym, że próbko-

Wymagane

pasmo dla

błędu 1,5%

TTL 5 ns 70 MHz 231 MHz 350 MHz

CMOS 1,5 ns 230 MHz 767 MHz 1,15 GHz

ECL 500 ps 700 MHz 2,33 GHz 3,5 GHz

GaAs 200 ps 1,75 GHz 5,8 GHz 8,75 GHz

Typowy czas

narastania t r

Wymagane

pasmo

≈ 0,35/t r

Wymagane

pasmo dla

błędu 3%

wanie w czasie rzeczywi-

stym odbywa się z tak dużą

częstotliwością, że podczas

jednego cyklu rejestracji

gromadzone są wszystkie

próbki w rekordzie. Przy

próbkowaniu w czasie ekwi-

walentnym przetwornik

analogowo–cyfrowy nie jest

dostatecznie szybki, a odstęp

pomiędzy kolejnymi prób-

kami jest na tyle duży, że

w jednym cyklu rejestracji

zapełniana jest tylko część

rekordu. Brakujące próbki

pobierane są w kolejnych

cyklach aż do całkowitego

zapełnienia rekordu. Niepo-

wtarzalne przebiegi jedno-

razowe muszą być sprób-

kowane w pojedynczym

cyklu. Konieczne jest więc

rozróżnienie maksymalnych

częstotliwości sygnału, któ-

re mogą być próbkowane

w obu trybach. Próbkowa-

nie w czasie ekwiwalentnym

stosowane jest wyłącznie

do sygnałów powtarzalnych,

a więc przy jednorazowym

wyzwoleniu pasmo przy-

rządu ograniczone będzie

52

Elektronika Praktyczna 1/2007

681978299.045.png

681978299.056.png

681978299.067.png

681978299.078.png

681978299.089.png

681978299.100.png

681978299.111.png

681978299.122.png

681978299.133.png

681978299.144.png

681978299.155.png

681978299.158.png

681978299.159.png

681978299.160.png

681978299.161.png

681978299.162.png

681978299.163.png

681978299.164.png

681978299.165.png

681978299.166.png

681978299.167.png

681978299.168.png

681978299.169.png

681978299.170.png

681978299.171.png

681978299.172.png

681978299.173.png

681978299.174.png

681978299.175.png

681978299.176.png

681978299.177.png

681978299.178.png

681978299.179.png

681978299.180.png

681978299.181.png

681978299.182.png

681978299.183.png

681978299.184.png

681978299.185.png

681978299.186.png

681978299.187.png

681978299.188.png

681978299.189.png

681978299.190.png

681978299.191.png

681978299.192.png

681978299.194.png

681978299.195.png

681978299.196.png

681978299.197.png

681978299.198.png

681978299.199.png

681978299.200.png

681978299.201.png

681978299.202.png

681978299.203.png

681978299.205.png

681978299.206.png

681978299.207.png

681978299.208.png

681978299.209.png

681978299.210.png

681978299.211.png

681978299.212.png

681978299.213.png

681978299.214.png

681978299.216.png

681978299.217.png

681978299.218.png

681978299.219.png

681978299.220.png

681978299.221.png

681978299.222.png

681978299.223.png

681978299.224.png

681978299.225.png

681978299.227.png

681978299.228.png

681978299.229.png

681978299.230.png

681978299.231.png

681978299.232.png

681978299.233.png

681978299.234.png

681978299.235.png

681978299.236.png

681978299.002.png

681978299.003.png

681978299.004.png

681978299.005.png

681978299.006.png

681978299.007.png

681978299.008.png

681978299.009.png

681978299.010.png

681978299.011.png

681978299.013.png

681978299.014.png

681978299.015.png

681978299.016.png

681978299.017.png

681978299.018.png

681978299.019.png

681978299.020.png

681978299.021.png

681978299.022.png

681978299.024.png

681978299.025.png

681978299.026.png

681978299.027.png

681978299.028.png

681978299.029.png

681978299.030.png

681978299.031.png

681978299.032.png

681978299.033.png

681978299.035.png

681978299.036.png

681978299.037.png

681978299.038.png

681978299.039.png

681978299.040.png

681978299.041.png

681978299.042.png

681978299.043.png

681978299.044.png

681978299.046.png

681978299.047.png

681978299.048.png

681978299.049.png

681978299.050.png

681978299.051.png

681978299.052.png

681978299.053.png

681978299.054.png

681978299.055.png

681978299.057.png

681978299.058.png

681978299.059.png

681978299.060.png

681978299.061.png

681978299.062.png

681978299.063.png

681978299.064.png

681978299.065.png

681978299.066.png

681978299.068.png

681978299.069.png

681978299.070.png

681978299.071.png

681978299.072.png

681978299.073.png

681978299.074.png

681978299.075.png

681978299.076.png

681978299.077.png

681978299.079.png

681978299.080.png

681978299.081.png

681978299.082.png

681978299.083.png

681978299.084.png

681978299.085.png

681978299.086.png

681978299.087.png

681978299.088.png

681978299.090.png

681978299.091.png

681978299.092.png

681978299.093.png

681978299.094.png

681978299.095.png

681978299.096.png

681978299.097.png

681978299.098.png

681978299.099.png

681978299.101.png

681978299.102.png

681978299.103.png

681978299.104.png

681978299.105.png

681978299.106.png

681978299.107.png

681978299.108.png

681978299.109.png

681978299.110.png

681978299.112.png

681978299.113.png

681978299.114.png

681978299.115.png

681978299.116.png

681978299.117.png

681978299.118.png

681978299.119.png

681978299.120.png

681978299.121.png

681978299.123.png

681978299.124.png

681978299.125.png

681978299.126.png

681978299.127.png

681978299.128.png

681978299.129.png

681978299.130.png

681978299.131.png

681978299.132.png

681978299.134.png

681978299.135.png

681978299.136.png

681978299.137.png

681978299.138.png

681978299.139.png

681978299.140.png

681978299.141.png

681978299.142.png

681978299.143.png

681978299.145.png

681978299.146.png

681978299.147.png

681978299.148.png

681978299.149.png

681978299.150.png

681978299.151.png

681978299.152.png

681978299.153.png

681978299.154.png

681978299.156.png

681978299.157.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 1.pdf (2336 KB)
Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 2.pdf (3835 KB)
Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 3.pdf (573 KB)
Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 4.pdf (539 KB)
Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 5.pdf (1772 KB)

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin