OSCILOSKOPY Základní vlastnosti osciloskopů
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 p , p ý , složky, špičkové hodnoty y, p y měření časových rozdílů, periody, frekvence, doby náběhu a poklesu, doby překmitů, šířky pulzu měření fázového rozdílu dvou průběhů napětí (Lissajousovy ě e á o é o o d u d ou p ůbě ů apět ( ssajouso y ob obrazce) a ce) měření V‐A charakteristik elektronických prvků měření dynamické hysterezní křivky feromagnetických materiálů
Základní rozdělení osciloskopů analogové + reagují bezprostředně na změny 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 j y j ý j + umožňují záznam signálu a jeho další zpracování + možnost sledování signálu před příchodem spouštěcí podmínky + umožňují řadu nových způsobů spouštění 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)
Režim y‐t parametry sledovaného signálu
Režim x‐y měření fáze a poměru frekvencí dvou harmonických signálů – Lissajousovy obrazce
xt A1 sin 1t
y t A2 sin 2t
příklady pro =π/2, 1ǂ2
příklady pro 1=2
1 2 2
1 4 2 3
1 3 2 2
1 5 2 4
Liss. obrazce na stínítku osciloskopu
Analogové osciloskopy zpracovávají analogový signál zpracovávají 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 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
spouštěcí pulzy
PR čas základna čas. základna
PZ – vstupní dělič a předzesilovač VZ vertikální zesilovač ‐ VZ – vertikální zesilovač zesiluje průběh měřeného napětí – 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
modulace jasu paprsku
horizontální vychylování
zpětný běh
Spouštění časové základny Nastavení spouštěcího bodu ‐ 5 nastavovacích prvků: Nastavení spouštěcího bodu 5 nastavovacích prvků: úroveň (amplitudová podmínka) hrana (časová podmínka) vzestupná á sestupná zdroj spouštění interní externí vazba spouštění vazba spouštění stejnosměrná (DC) střídavá (AC) íť á f k 50H síťová frekvence 50Hz
LF reject (potlačení nízkých frekvencí) HF reject (potlačení vysokých frekvencí) j (p y ý )
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)
Příklad analogového osciloskopu
Osciloskopy s číslicovou pamětí (digitální osciloskopy) měřicí signál je 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 vzorek zobrazen na displeji (nejčastěji LCD) ( ) vše je řízeno mikropočítačem
VZ – vstupní dělič
AČP – analogově číslicový převodník
VZP – vzorkovač s pamětí
ČP ‐ Číslicová paměť (FIFO)
Druhy spouštění spouštění z jednoho zdroje signálu základní spouštěcí režim zdroj je jeden z kanálů nebo vnější spouštěcí úroveň + spouštěcí hrana spouštěcí úroveň + spouštěcí hrana způsob spouštění normální – čeká na spouštěcí podmínku (SP), po zpracování signálu čeká na další SP automatické – vzorkuje stále automatické vzorkuje stále jednorázové (single sweep) – čeká na SP a zobrazí pouze jeden průběh nastavení vazby – DC, AC, LF reject, HF reject spouštění s nastavitelným zpožděním spouštěcího pulzu (hold‐off spouštění s nastavitelným zpožděním spouštěcího pulzu (hold off time) volba délky hold‐off intervalu volba počtu hold‐off podmínek šě í ž í l é délk l ( l ý ) 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 pamětí počet kanálů (obvykle 2 nebo 4) počet kanálů (obvykle 2 nebo 4) vzorkovací frekvence – dnes (2010) max. 40GS/s šířka pásma v reálném čase – až 100GHz – umožněno paralelním zpracováním jednotlivých úseků signálu několika AČ převodníky g p y hloubka paměti 4kB – jednotky GB, dnes standard cca 1MB s 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 100k možnost sběru dat – sběrnice GPIB, RS232, USB, LAN měření 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 nastavení ž l ž í í možnost automatického zjištění základních parametrů signálu – autoset možnost filtrace signálu ži AVERAGE ( b í i ál ž í ká í ů ě á í d fi éh ž í ůběhů) režim AVERAGE (zobrazení signálu až po získání a zprůměrování definovaného množství průběhů) režim digitální filtrace signálu (odstranění šumu)
Příklady osciloskopu s číslicovou pamětí Agilent – DSO7000
přední panel přední panel
Rigol – DS1000
Agilent – DSO7000 zadní 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) zvýšení impedance na 10‐100M, ale zeslabení signálu (10‐100x) musí být správně vykompenzována (kapacitním trimrem): ekvivalentní obvod
ekv. obvod, překreslený jako frekvenčně kompenzovaný dělič napětí
kalibrace sondy (nastavení kapacity C1) pomocí obdélníkového signálu
R1C1 Ri C K Ci
R1C1 Ri C K Ci
R1C1 Ri C K Ci
aktivní napěťová sonda obsahuje aktivní prvky (FET, zesilovač) zapojené jako napěťový sledovač nutnost napájecího zdroje
Světoví výrobci osciloskopů AGILENT (bývalý HP) AGILENT (bývalý HP) řada 1000 – 100MHz / 1200$
řada 9000 – Infineon 13GHz / 100000$
řada 5000 – 500MHz / 6000$ řada 8600 – Infineon 80GHz (vzorkovací) 20000$ řada 7000 – 1GHz / 15000$
Světoví výrobci osciloskopů Tektronix řada TPS 2000 – 200MHz
řada DPO 7000 – 20GHz
řada DSO 2000 ‐ 200MHz
řada DPO 3000 ‐ 500MHz
řada DSA 8200 ‐ 80GHz
Světoví výrobci osciloskopů LeCroy
řada Wave Ace – 200MHz
Yokogawa
DL1740 – 500MHz
řada Wave Surfer/Runner (6GHz)
řada Wave Expert (40GHz) DL6000/9000 – 1,5GHz
Výrobci osciloskopů levnější kategorie Rigol (Čína)
GW Instek (Taiwan)
EZ Digital (východ) 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 TR Instruments BK Precision (www.trinstruments.cz) (www trinstruments cz)
