8.c Vybrané přístroje pro laboratorní měřicí systémy c) digitální osciloskopy
OSCILOSKOPY: Analogové: + vždy zobrazují pravdivě (do šířky pásma) - krátký dosvit - Obtížné uchování záznamu - Neumí pre-trigger
Digitální (DSO): + neomezená doba zobrazení, archivace dat + zachytí a zobrazí i pre-trigger události - VŠECHNY LŽOU (více důvodů) – na místě je obezřetnost k výsledkům - (velká mrtvá doba, rekonstrukce=interpolace, …)
• Hybridní – např. Philips/Fluke Combiscope (dnes zcela mrtvá větev vývoje)
Digitální (DSO) 1. generace: Nové schopnosti (proti analogovým) Velmi nepohodlné (neintuitivní) ovládání
Digitální (DSO) 2. (a dalších) generace: Snaha co nejvíce napodobit ovládání analogového osc.
Obr.: Agilent
3. Číslicové osciloskopy Číslicový osciloskop (DSO) – blokové schéma, princip funkce Vzorkování a rekonstrukce signálu Aliasing, možnost nesprávné rekonstrukce signálu Režimy sběru a zobrazení dat Možnosti spouštění Důležité parametry číslicového osciloskopu Porovnání možností analogového a číslicového (DSO, DPO) osciloskopu Přínos a princip funkce pasivní napěťové sondy Měření parametrů signálu Měření s maskou Měření jitteru
Blokové schéma číslicového osciloskopu (Digital Storage Osc.) Kriticky rychlá analogová část (+ dig. paměť)
VO
vzorkování
A/D
Pomalejší digitální část
rychlá záznamová paměť
µpočítač ( např. PC kompatibilní)
komunikace (LAN, GPIB, USB, RS232)
display
vstupní obvody jsou obdobné jako u analogových osciloskopů vzorkovací obvod (track&hold) sleduje (track) vstupní napětí a v definovaný okamžik přepne do režimu hold (drží konstantní hodnotu) – diskretizace v čase A/D převodník převádí analogovou hodnotu na číslo – kvantování (obvykle 8 bitů) jednotlivé vzorky jsou ukládány do záznamové paměti vzorkování v reálném čase X stroboskopické pro zobrazení je použita klasická obrazovka s magnetickým vychylováním nebo LCD nejsou zobrazovány pouze jednotlivé body, mezilehlé hodnoty jsou početně interpolovány správnost rekonstrukce je zaručena pouze při splnění Nyquistova kritéria (vzorkovací frekvence musí být minimálně dvojnásobkem nejvyšší frekvenční složky měřeného signálu – zde není zaručeno) při nesprávném nastavení osciloskopu hrozí aliasing → chybná rekonstrukce průběhu → chybné zobrazení na obrazovce
Šířka pásma (bandwith) vs. mezní vzorkovací rychlost (max. sample rate) K potlačení nedorozumění se specifikuje: Šířka pásma v MHz (analogová šíře pásma vstupních částí tj. –3dB) vs. vzorkovací rychlost v GSa/s Např.: BW = 500 MHz, Sample rate = 1 GSa/s celkem (tj. 0.5 a 0.5 GSa/s na kanál u 2kanálového osciloskopu) Tedy lze měřit nejvýše 500 MHz harmonický signál (bez výraznějšího útlumu) v jediném kanálu se vzorkováním dle Nyquistovy podmínky (více než 2x za periodu) Příklad: datasheet Tektronix TDS 794D Šířka pásma (BW):
2 GHz
1 kanál
4 GS/s
2 kanály
2 GS/s
3-4 kanály
1 GS/s
Equivalent-time sample rate
250 GS/s max.
V režimu vzorkování v ekvivalentním čase (= sběr z více period signálu) o výsledné zdánlivé vzorkovací rychlosti nerozhoduje A/D převodník, ale dosažitelná přesnost časovačů vzorkování.
Pozor na šířku pásma osciloskopu / signálu hlavně u obdélníkových průběhů (rychlé hrany)
Obr.: Agilent
3
Vzorkování v reálném čase (RTS) vstupní signál T r ig
okamžiky vzorkování
zaznamenané vzorky
vhodné pro záznam jednorázových dějů pro správnou rekonstrukci musí být splněno Nyquistovo kritérium možnost pretriggeringu – záznam probíhá neustále a detekce spouštěcí podmínky jej po přednastavené době ukončí dnes běžně vzorkovací frekvence řádu GS/s u DSO střední třídy (cca 150 000 Kč)
Real time režim: Jediný, kdy osciloskop potenciálně zobrazuje „pravdivý“ obraz (a ne obraz složený z mnoha realizací) Je-li vzorkovací rychlost blízko maxima, nabývá na kritické důležitosti antialias filtr k zabránění aliasingu a vzniku falešného obrazu Je-li zobrazování „rychlejší“ než vzorkování, tj. na jednu obrazovku připadá málo skutečně změřených bodů, nastupuje rekonstrukční interpolační filtr. POZOR: rekonstrukční filtr je za ADC, tj. nemůže odstranit aliasing. (OSCILOSKOP „LŽE“ – byť z dobrého důvodu - , resp. vymýšlí si body mezi změřenými daty)
Lineární interpolace (bod-bod)
Interpolace Sin x/x (zde případ, kdy funguje dobře (to většinou)) Obr.: Agilent
3
Limity interpolace sin x/x: Funguje dobře, je-li bezpečně zajištěna Nyquistova podmínka. Prakticky to znamená zajistit co největší potlačení všech frekvencí nad fsa/2 – ideálně filtr s nekonečnou strmostí (nelze). U levnějších osciloskopů má anti-alias filtr i v kombinaci s rekonstrukčním filtrem pozvolný pokles => mohou se vyskytnout složky signálu nad Nyquistovou frekvencí nedostatečně potlačené. Ty pak v rekonstrukčním filtru tvoří nereálné obrazy (artefakty rekonstrukce): Typicky na (např.) náběžné hraně obdélníkového signálu vznikne umělý pre-shoot a overshoot, v podstatě jde o Gibbsův jev. (Nějaký over-shoot je často zároveň skutečně fyzicky přítomen v signálu, kdežto pre-shoot bývá čistě artefakt.)
Obr.: LeCroy App. Note – Interpolation in your DSO
Doporučení výrobců: - Ignorovat artefakty rekonstrukce (jsou i horší, méně zřejmé chyby – chyba strmosti) - Považovat artefakty jen za symptom počínajícího narušení Nyquistovy podmínky – osclioskop je provozován blízko limitu své funkce - Někteří výrobci používají modifikované verze rekonstrukčního filtru, které potlačí tyto artefakty (a místo nich zavlečou jiné, hůře odhalitelné)
4
-
Vzorkování v ekvivalentním čase – varianta sekvenční (SETS)
vstupní signál T r ig
T r ig
T r ig
T r ig
T r ig
okamžiky vzorkování T
T + ∆t
T + 2∆t
T + 3∆t
T + 4∆t
rekonstrukce signálu
vhodné pouze pro záznam periodických dějů ekvivalentní vzorkovací frekvence fes = 1/∆t jednotlivé vzorky jsou odebírány v definovaných a postupně se prodlužujících intervalech po detekci spouštěcí podmínky pretriggering není možný bez zpožďovací jednotky ve vertikálním kanálu implementační výhodou je jednoduché generování přesných časových intervalů ∆t
Vzorkování v ekvivalentním čase – varianta náhodná (RETS) vstupní signál T rig
T rig
okamžiky vzorkování
1
1
2
T rig
3
4
T rig
5
T rig
6
7
8
6
3
rekonstrukce signálu
8
4
5
2
7
vhodné pouze pro záznam periodických dějů jednotlivé vzorky jsou odebírány náhodně vůči měřenému signálu a tedy i okamžiku, v němž je splněna spouštěcí podmínka pretriggering je možný bez zpoždovací jednotky ve vertikálním kanálu během jedné periody měřeného signálu může být odebráno více vzorků implementační nevýhodou je obtížné měření časového intervalu mezi odebráním vzorku a okamžikem výskytu spouštěcí podmínky 5
Aliasing → nesprávná rekonstrukce signálu U všech digitálních osciloskopů existuje jednoduchá souvislost mezi velikostí záznamové paměti, časovou délkou záznamu a vzorkovací frekvencí:
fs = Nmem / Trec
kde:
fs Nmem Trec
je max. vzorkovací frekvence je počet vzorků, které se vejdou do paměti je délka zaznamenaného časového intervalu
Je-li tedy rychlost časové základny 1 ms/dílek (a tedy zobrazený časový interval 10 ms při 10 dílcích), velikost paměti 1000 vzorků, pak maximální vzorkovací frekvence, kterou může osciloskop použít, je 1000 / 0.01 = 100 kS/s. Není-li splněno Nyquistovo kritérium, nelze signál správně rekonstruovat, a výsledek může vypadat takto:
In
Out
Random repetitive sampling pro obecnou fsig je OK: fsig není korelována s fsa
Display „aliasing“ pokud fsig je přesně 1/10 fsa - artefakty: Je třeba „dithering v čase“ -akumulací fáze nebo -náhodným výběrem ze vzorků z maximální rychlosti fsa Obr.: Agilent
Dithering pro odstranění shlukování bodů na obrazovce (pokud náhodou je fsa synchronní s fsig) 1) Je třeba zajistit narušení fázové koherence fsa a fsig – náhodná variace relativní fáze:
2) I u real-time režimu může dojít k sekundárnímu aliasingu činností decimátoru vzorků (kvůli omezené paměti se neukládají všechny vzorky ale např. každý 10.) Tím může dojít k podvzorkování a vzniku falešného (aliasovaného) signálu. Decimátor musí ukládat ne každý 10. vzorek ale náhodně vybraný 1 z 10.
“Hezké“, ale falešné
Věrnější reprezentace signálu Obr.: Agilent
Režimy sběru a zobrazení dat v případě, že signál je vzorkován vyšší vzorkovací rychlostí, než lze využít (viz výše): Poměr počtu odebraných vzorků ku počtu využitých vzorků N = 4:
Sample
Sample mód – do paměti je uložen a pro zobrazení využit každý N-tý vzorek
Peak Detect
Peak Detect mód
– do paměti jsou uložena minima a maxima ze 2N vzorků
Hi Res
High Resolution mód
– do paměti je uložen průměr z N vzorků
Obr.: Tektronix
Režimy sběru a zobrazení dat
1
2
3 Envelope
Average
Envelope mód - výsledné zobrazení je složeno z více záznamů vytvořených v režimu Peak Detect tak, že jsou opět zobrazeny maximální a minimální hodnoty z jednotlivých záznamů. Výsledkem je pak zobrazená obálka všech záznamů. Average mód – výsledné zobrazení je složeno z více záznamů vytvořených v režimu Sample tak, že hodnota každého vzorku je vypočtena jako průměr hodnot odpovídajících vzorků jednotlivých záznamů. Časté je také paměťové zobrazení (waveform persistence), které spočívá v prosté funkci OR definovaného až nekonečného (infinite) počtu měřených průběhů. Obr.: Tektronix
Další možnosti zobrazení dat Všechny předchozí režimy využívají pouze černobílé zobrazení – bod tedy svítí nebo nesvítí. Jas stopy analogového osciloskopu poskytuje dodatečnou informaci o rychlosti změny signálu a o četnosti jeho průchodu daným místem obrazovky – čím je častější, tím je místo jasnější. Podobný efekt je dosažen na obrazovce DSO využitím stupňů šedi (četnost vyjádřena jasem) nebo barevné škály – emulace analogového zobrazení – analog persistence.
Obr.: Tektronix
Možnosti spouštění • Jednokanálové spouštění průchod signálu přednastavenou úrovní (edge) šířka pulsu (pulse width) rychlost hrany (slew rate) timeout výskyt pulsu s amplitudou mezi log. úrovněmi (runt pulse)
• Vícekanálové spouštění nedodržení předstihu/přesahu (setup/hold violation) výskyt předdefinované kombinace (pattern) výskyt stavu (state, jeden ze vstupů využit jako hodinový signál) Některé osciloskopy nabízejí i kombinace předchozích typů spouštění nebo výskyt předdefinované sekvence spouštěcích podmínek. Spuštění lze také zpozdit o předdefinovaný časový interval. Funkce hold-off často nabízí potlačení dalšího spuštění nejen po předdefinovanou dobu, ale lze potlačit i předdefinovaný počet spouštěcích událostí.
Důležité parametry pro výběr digitálního osciloskopu • Vertikální kanál (-y) totéž jako u analogového osciloskopu + maximální reálná a ekvivalentní vzorkovací frekvence
• Horizontální kanál totéž jako u analogového osciloskopu + velikost záznamové paměti na kanál
• Spouštění totéž jako u analogového osciloskopu + všechny výše uvedené jednokanálové typy spuštění + další typy spouštění dle aplikačního využití
• Možnosti zobrazení (peak detect, average, envelope …) • Frekvence měření – mrtvá doba (viz dále) • Možnosti měření parametrů signálu, měření s kursory • Možnosti dalšího zpracování (FFT, měření s maskou, jitter …) • Možnosti komunikace, vzdáleného ovládání a sběru dat
Porovnání možností analogových a číslicových osciloskopů Analogový osciloskop • • • • •
měří vždy v reálném čase průběh na obrazovce vždy odpovídá skutečnosti (s omezením na přenos vert. zesilovače) má vysokou rychlost měření (100 až 500 tis. za sekundu) a tedy krátkou mrtvou dobu nelze využít k zobrazení jednorázových dějů (omezeno dosvitem obrazovky) výkonné analogové osciloskopy se dnes prakticky nevyrábějí
DSO (Digital Storage Oscilloscope) • zobrazený průběh je výsledkem rekonstrukce ze vzorků (možnost aliasingu) • chybným nastavením lze dosáhnout zcela nesmyslných zobrazení (snahou výrobců je tato rizika eliminovat) • nízká rychlost měření (obvykle stovky za sekundu), která bývá (částečně) kompenzována velkou pamětí (viz následující obrázek), velká paměť je výhodou • lze využít pro zobrazení jednorázových průběhů DPO (Digital Phosphor Oscilloscope) • jako DSO, ale vysoká rychlost měření (jednotky až stovky tis. za sekundu, viz následující obrázek) • velká pamět není vždy k dispozici
Mrtvá doba osciloskopu - Dead time
Obr.: Agilent – App. Note: Oscilloscope Waveform Update Rate Determines Probability of Capturing Elusive Events
POZOR: u klasického DSO může být mrtvá doba nečekaně velké % doby běhu. To platí zejména pro rychlé vzorkování (krátkou časovou základnu) a malou paměť. (Pozn.: důležitost velké hloubky akviziční paměti – Agilent MegaZoom.) (Pozn. k pozn.: bohužel vůbec nelze použít levné obyčejné paměti DRAM pro PC) Z relativně velké mrtvé doby plyne => PROBLÉM zachytit řídké jevy (glitche). Příklad: Nepravidelnost v signálu (glitch) se objeví 1x za 10ms (tj. 100x za 1s). Osciloskop měří s rychlou č.základnou 20ns / dílek, tj. 1 obrazovka = 200ns Po jednom průběhu je pravděpodobnost zachycení 1 / (10ms/200ns) = 1 / 50 000. => potřebujeme měřit mnohokrát, maximální rychlostí a s co nejdelší pamětí (tj. mnoho opakování v záznamu)
Analogový osciloskop, DSO a DPO – porovnání rychlosti měření T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
m ě ře n í
AN ALO G z o b ra z e n í
T
T
m ě ře n í
DSO z o b ra z e n í
T
T
T
T
T
T
T
m ě ře n í
DPO z o b ra z e n í
AN ALO G
DSO
DPO
DPO - Digital Phosphor Technology
Obr.: Tektronix
Rasterizér (téměř) trvale vyhodnocuje příchozí data a interpretuje je jako virtuální pixely na obrazovce určené x-y souřadnicemi tj. (časem a napětím) v matici asi 200x500 bodů. Pro každý pixel spravuje „počitadlo průchodů“ – kdykoliv je nějaký pixel aktivní, inkrementuje jeho stav. (K tomu přistupuje algoritmus zapomínáni/pohasínání starých dat.) Asi 1x za 30ms se rastr přenese na displej k zobrazení. Sběr dat dosahuje rychlost až 400 000 průběhů za sekundu s minimální mrtvou dobou. Zároveň se provádí vyhodnocení měřených parametrů stejnou rychlostí.
Rozdíl v zobrazení
Analog
DSO Persistence
DPO
DPO s barevným displejem
Obr.: Tektronix
Pasivní napěťová sonda Náhradní zapojení vstupu osciloskopu: Vstupní impedance: Pro f = 10 MHz
≈
Z=
R 1 + jωRC
1MΩ
6 - 20 pF
Z = 0,6 + j.796 Ω
Vstup osciloskopu často nepřijatelně zatěžuje měřený objekt, ovlivňuje tak jeho chování a tím i zobrazený průběh signálu. Částečným řešením je využití napětové vstupní sondy. Její přenos je při vhodných hodnotách prvků Ck a Rd reálný a nezávislý na frekvenci vstupního signálu. Podmínkou reálného přenosu je:
Ck
R d . Ck = R . C Přenos je pak R / (R+Rd).
Rd
1MΩ
6 - 20 pF
Sonda 1:1 = kabel … vyhovuje cca do 5MHz Sonda 10:1 … cca do 50MHz + Málo zatěžuje obvod - zeslabuje měřený signál - zůstává zbytková kapacita sondy asi 10pF Aktivní sonda … do GHz Zabudovaný zesilovač s velmi nízkou kapacitou (2pF), asi 10MOhm, výstup přizpůsoben pro 50 Ohm lze přetížit (voltage clipping) Diferenční sonda Umožňuje měřit signály nejen proti zemi Klíčový parametr = CMRR … až 60dB Obvykle ve spojení s proprietárním rozhraním osciloskopu (TekVPI)
Obr.: Tektronix
Vysokonapěťová sonda Pro napětí do 2.5 kVpk (běžná sonda do 450Vpk ac+dc) Útlum např. 1:1000 (tj. na 2.5V)
Proudová sonda Clamp-on = otevíratelný mag. obvod, není nutno přerušovat vodič Pasivní = v podstatě proudový transformátor + snímací R - pouze AC signály, typ. 120 Hz – 60 MHz (Band-pass -3dB až -3dB) Aktivní = Hallova sonda s feromag. jádrem (koncentrátorem) + DC i AC signály - existuje offset, který je třeba kalibrovat/kompenzovat nastavením sondy - je napájeno (pokud z baterie, komplikace) Obr.: Tektronix
Kompenzace napětové sondy Slouží k přesnému nastavení reálného přenosu sondy. Obvykle se využívá obdélníkový signál s rychlými hranami, jehož generátor je vestavěn přímo v osciloskopu. Kompenzace se provádí nastavovacím prvkem (obvykle) v té části sondy, která se připojuje k osciloskopu. Nastavuje se na co nejlepší pravoúhlý signál bez překmitů.
podkompenzováno
vykompenzováno
překompenzováno
POZOR: U moderních rychlých osciloskopů vstupy 50 Ohm nebo volitelné Hi Z vs. 50 Ohm a) Hi Z – málo zatěžuje obvod, vyhovuje cca do 500 MHz, pro rychlejší signály silný vliv Cinp (7-30pF) b) 50 Ohm – zatěžuje obvod, ALE: pro vf. signály (nad 1GHz) obvykle = přizpůsobená terminace, koaxiální kabel Z = 50 Ohm, vstupní obvody jsou navrženy jako obvody s rozprostřenými parametry s minimální kapacitní složkou. Často také již ne BNC c) Někdy: přepínatelné – ale to jenom simuluje 50 Ohm vstup, není optimálně přizpůsobeno
1 MΩ
7pF
50 Ω
1 MΩ
7pF
50 Ω a) Hi Z vstup
b) 50 Ω vstup
c) přepínatelný vstup
CESTA SIGNÁLU: -> Hrot sondy –> sonda (např. 10:1) -> vstup osciloskopu (1 Mohm / 50 Ohm) -> -> vstupní filtr (volitelný LF reject filtr: potlačí signály až do několika kHz) -> -> vstupní filtr (volitelný Bandwidth limit = LP filtr omezí pásmo osc. cca 10x) -> -> předzesilovač a atenuátor (volba vertikálního rozsahu) -> -> vzorkovač a ADC -> akviziční paměť -> DSP zpracování signálu (rekonstrukce, kompenzace fáze, …) -> obrazový processor -> displej
Měření parametrů signálu Analogový osciloskop • nastavovací prvky (vertikální zesílení, rychlost časové základny) je třeba mít v kalibrovaných polohách • pro odečtení absolutních hodnot lze využít rastr stínítka • v některých případech (např. při měření délky hrany pulsu) lze s výhodou využít jemné nastavení zesílení vertikálního kanálu (pro snadné určení mezí 10 a 90%) • výjimečně jsou k dispozici kursory (vertikální i horizontální) Číslicový osciloskop • měření podle rastru • měření s kursory • automatické měření parametrů signálu: perioda, frekvence, střída, šířka pulsu zpoždění, fázový posuv, délka hrany amplituda, napětí špička-špička, střední hodnota napětí, efektivní hodnota napětí maximum, minimum, velikost překmitu, H a L hodnota (pro číslicový signál) Oblast dat využitou pro výpočet měřeného parametru lze často vymezit s využitím kursorů. Vždy je třeba znát (alespoň tušit ☺), jak osciloskop daný parametr počítá, aby bylo možné vyloučit nesmyslné výsledky, vyplývající z nevhodného nastavení osciloskopu (především parametry vertikálního a horizontálního kanálu). Moderní osciloskopy na zcela nevhodné nastavení často upozorní.
Měření s maskou Měření s maskou se obvykle využívá pro ověření správné funkce sériových komunikačních kanálů (především vysokorychlostních). Při měření je zobrazen tzv. diagram oka, kdy je osciloskop spouštěn hodinovým signálem, který definuje okamžiky platnosti sériových dat. Hodinový signál je buď externí nebo si ho osciloskop sám obnovuje z přijímaného datového toku. Maska obvykle definuje oblast, do níž signál nesmí vstoupit. Měření s maskou patří mezi základní měření v oblasti vysokorychlostních počítačových sítí (i optických – s použitím optoelektrického převodníku) a v telekomunikační technice. Součástí mnoha komunikačních standardů jsou i příslušné masky, použité při měření. Moderní osciloskopy s příslušným software mají již tyto masky předdefinovány.
Měření jitteru Jitter (časová nejistota) se projevuje jako časová variace okamžiků přechodu signálu mezi logickými úrovněmi. Existují i další definice jitteru, metody měření se pak liší. Jitter (časová nejistota) signálu je způsoben mnoha různými příčinami: • kvalita napájení • přeslechy a odrazy • teplotní a mechanické vlivy Měření: • kursory • automatické zobrazení histogramu statistické vyhodnocení jitteru FFT hodnot jitteru • přesná měření s vyloučením vlivu jitteru spouštění osciloskopu vyžadují dlouhou záznamovou paměť
Obr.: Tektronix
