Oscyloskop i pomiary oscyloskopowe

Transkrypt

1 Oscyloskop i pomiary oscyloskopowe

2 Oscyloskop analogowy Z we 1 MΩ 15pF wzmacniacz odchylania pionowego V/dz generator podstawy s/dz czasu V lampa oscyloskopowa (CRT) s

3 Miernictwo elektroniczne, Łukasz Śliwczyński, WIEiT, AGH, 2019 Oscyloskop cyfrowy Zwe 1 MΩ 15 pf V/dz wzmacniacz odchylania pionowego A/C pamięć próbek GPU s/dz generator zegara DSO Digital Storage Oscilloscope Digital Sampling Oscilloscope MSO Mixed Signal Oscilloscope wyświetlacz

4 Materiały dostępne w sieci Youtube jeśli ktoś nie jest usatysfakcjonowany wykładem... Np. od Tektronix a: How to use an oscilloscope How to set up oscilloscope triggering: How to set up probes, vertical and horizontal settings Basic time and amplitude measurements: Angielskiego lepiej zacząć się uczyć wcześniej niż później jeśli ktoś chce zostać inżynierem... i z innych źródeł: How to use O Scope (Tektronix TDS2024B) Tektronix oscilloscope tutorial How to use an oscilloscope

5 Budowa oscyloskopu analogowego kanał 1 CH1 tłumiki + wzmacniacze wejściowe przełącznik kanałów wzmacniacze kanał 2 CH2 Y vertical CH1 CH2 EXT Line TV line TV field źródło wyzwalania (trigger source) poziom wyzwalania (trigger level) układ wyzwalania (trigger) generator podstawy czasu (timebase) horizontal X

6 Podstawowe elementy regulacyjne czułość (Volts/div) położenie (V-position) kanał 1 CH1 kanał 2 CH2 tłumiki + wzmacniacze wejściowe wzmacniacze Y vertical CH1 CH2 EXT Line TV line źródło wyzwalania (trigger source) poziom wyzwalania (trigger level) układ wyzwalania (trigger) poziom wyzwalania (trigger level) generator podstawy czasu (timebase) horizontal X szybkość podstawy (sec/div) położenie (H-position)

7 Podstawowe tryby pracy sprzężenie wejścia (input coupling) DC AC GND kanał 1 CH1 tłumiki + wzmacniacze wejściowe wzmacniacze Trigger Source sprzężenie wejścia wyzwalania (trigger coupling) kanał 2 CH2 CH1 CH2 EXT Line TV line źródło wyzwalania DC (trigger source) LF HF reject poziom wyzwalania (trigger level) układ wyzwalania (trigger) generator podstawy czasu (timebase) Y vertical zbocze wyzwalajace (trigger slope) +/-horizontal X tryb wyzwalania (trigger mode) FreeRun Auto Single Triggered (Norm)

8 Tryb Auto (FreeRun) przebieg mierzony poziom wyzwalania podstawa czasu przebieg wyświetlany czas przemiatania (Sweep) czas powrotu (Return)

9 Wyzwalana podstawa czasu (1) poziom wyzwalania przebieg mierzony impulsy wyzwalające podstawa czasu czas przemiatania (Sweep) przebieg wyświetlany czas powrotu (Return)

10 Wyzwalana podstawa czasu (2) poziom wyzwalania impulsy wyzwalające podstawa czasu przebieg wyświetlany

11 Wyzwalana podstawa czasu (3) poziom wyzwalania impulsy wyzwalające podstawa czasu przebieg wyświetlany

12 Przebiegi bardziej skomplikowane... poziom wyzwalania podstawa czasu t X przebieg mierzony t HoldOver = min t HoldOver > t X

13 Tryb Normal rzadkie zdarzenia poziom wyzwalania auto normal

14 Tryb One Shot poziom wyzwalania przebieg obserwowany kolejne impulsy nie wyzwalają oscyloskopu one shot uzbrojenie wyzwolenie podstawy czasu

15 Miernictwo elektroniczne, Łukasz Śliwczyński, WIEiT, AGH, 2019 Położenie elementów sterujących wyzwalanie kanały pomiarowe podstawa czasu

16 Sonda oscyloskopowa (ang. probe) układ badany m wejście oscyloskopu BNC C kabla ~ pf/m R i C i Z we 1 MΩ 15 pf dzielnik skompensowany C p R p C coax C c R i C i i R i R + R p = C p + ( C + C + C ) i C p coax c

17 Kompensacja sondy sonda niedokompensowana sonda prawidłowo skompensowana sonda przekompensowana

18 Miernictwo elektroniczne, Łukasz Śliwczyński, WIEiT, AGH, 2019 Kalibracja sondy wyjście kalibratora

19 Pomiary oscyloskopem: amplituda, okres, częstotliwość U PP U PP = 4 dz V/dz T = 5 dz s/dz f = 1/T T

20 Pomiary oscyloskopem: wartości bezwzględne Procedura w trzech krokach: 1. Odłączyć sygnał od wejścia lub połączyć je z masą (GND) 2. Ustawić położenie wyświetlanej linii w wygodnym położeniu 3. Podłączyć sygnał wejściowy U max U min = 1.3 div V/div U max = 5.3 div V/div U PP = 4 div V/div U min GND

21 Pomiary oscyloskopem: czas narastania, opadania, trwania impulsu t d 100% 90% t r = 1.1 dz r t f = 1.95 dz s/dz t d = 5.8 dz 10% 0% t r t f

22 Pomiary oscyloskopem: przesunięcie fazy t P 100% 90% t P = 1.05 dz P T = 5 dz ϕ = 2π t P /T [rad] 10% 0% T

23 Oscyloskop cyfrowy Z we 1 MΩ 15pF V/dz wzmacniacz odchylania pionowego A/C pamięć próbek s/dz GPU generator zegara wyświetlacz DSO Digital Storage Oscilloscope Digital Sampling Oscilloscope MSO Mixed Signal Oscilloscope

24 Oscyloskop cyfrowy: Miernictwo elektroniczne, Łukasz Śliwczyński, WIEiT, AGH, 2019 w zasadzie wszystko jest tak samo... pasmo analogowe: 200 MHz próbkowanie: 2 GS/s wyzwalanie 4 kanały pomiarowe tych guzików szanujący się osobnik nie używa... podstawa czasu

25 ...ale działa inaczej... sygnał mierzony poziom wyzwalania zegar próbkujący CLK S T s = Gs/s??? n 8 bitów 1 A/C 8 MUX we 2 3 n-1 MUX wy GPU 10 8 dz. po 25 pikseli 250 pikseli 200 pikseli 240 pikseli n log 2 n adres 320 pikseli CLK S licznik

26 Wyzwalanie PRE-trigger sygnał mierzony zegar próbkujący CLK S poziom wyzwalania k n-2 n-1 n rekord akwizycji POST-trigger k-1 bufor kołowy (cykliczny) r t E R P i g g e r n-1 n 1 2 CLK S r e g g i r t T S O P zatrzymanie akwizycji wyświetlenie przebiegu (czas martwy ~10 ms) środek ekranu

27 Sposoby wyzwalania (trigger type) zboczem (slope) poziom wyzwalania impulsem (pulse width or glitch) czas trwania impulsu <, >, =, 80 ns 100 ns trigger when < 100 ns sekwencją impulsów (pattern) trigger when pattern

28 Jak działa podstawa czasu w DSO duża szybkość podstawy czasu ( małe wartości S [s/dz]) T s = 500 ps odwzorowanie??? 10 dz. CLK S = max po np. 2 GS/s 25 pikseli n pikseli n liczba próbek/dz: x = S/T S [s/dz próbek/s] S = 10 ns/dz x = 20 interpolacja (GPU) S = 100 ns/dz x = 200 decymacja rekord pełny, za mało próbek rekord pełny, za dużo próbek

29 Jak działa podstawa czasu w DSO mała szybkość podstawy czasu ( duże wartości S [s/dz]) obserwowalny przedział czasu: t= L A T s = L A /CLK S L A długość rekordu akwizycji np.: dla L A = 2500 próbek CLK S = 2 GS/s t = 1.25 µs CLK S = 500 MS/s t = 5 µs t = 1 s CLK S = 2.5 khz!!! rekord zawsze pełny CLK S < CLK max (decymacja) n-1 n 1 CLK S < max np. 500 MS/s T s = 2 ns odwzorowanie??? 10 dz. po 25 pikseli 250 pikseli W rzeczywistości częstotliwość zegara CLK S nie jest zmieniana z powodów praktycznych, natomiast do pamięci trafia tylko co k-ta próbka

30 Tryby pracy DSO przy małych szybkościach detekcja wartości szczytowej (Peak Detect) praca z uśrednianiem (HiRes, ERes, Smoothing) n S/N = db

31 Uśrednianie (Averaging) S/N = -6.6 db n = 8 n = 128 n =

32 Sygnał to nie kropki: metody interpolacji 1. Punkty (Dots) 2. Linie (Vectors) 3. Sin(x)/x x ( t ) = x ( i T ) δ ( τ i T ) I ( t τ ) = + i = + i = + x ( i T ) I ( t i T ) s s s s dτ = x(n-1) x(n) T S x(n+1) x(n+2) -T S 0 T S t = n T + k x + i = ( n T + k ) = x ( i T ) Λ( k + ( n i ) T ) s s i = n i = n + x s ( n TS ) Λ( k ) (( n + 1) T ) Λ( k T ) 1 x S s x(n+1) s x(n) z

33 Sposób bardziej wyrafinowany korekcja sin(x)/x Wersja analogowa Wyjście idealnego przetwornika C/A Filtr rekonstrukcyjny H(f) Przebieg odtworzony t f t f S /2

34 Sonda oscyloskopowa (ang. probe) układ badany m wejście oscyloskopu BNC C kabla ~ pf/m R i C i Z we 1 MΩ 15 pf dzielnik skompensowany C p R p C coax C c R i C i i R i R + R p = C p + ( C + C + C ) i C p coax c

35 Sonda dla ciekawych... R p, C p Z 0 Z 0 linia transmisyjna (długa) oscyloskop Z p <<Z 0 Z i <<Z 0 R i C i 800m 100m V 0 0s 100n 200n 300n 400n 500n 600n 700n 800n 900n 1µ

36 Sonda dla ciekawych... R Z Z x 0 0 oscyloskop R p, C p linia stratna ~ Ω/m Z p <<Z 0 Z i <<Z 0 R i C i 100m V 0 0s 100n 200n 300n 400n

37 Sonda dla zaawansowanych... R Z Z x 0 0 oscyloskop R p, C p linia stratna ~ Ω/m Z p <<Z 0 Z i <<Z 0 R i C i 1nH 100nH 200nH 500nH 100m 0 50ns 100ns Szanuj sondę swoją, a będziesz długo żył...

38 Sonda dla jeszcze bardziej zaawansowanych... sonda dzielnikowa 1: Ω Z 0 Z 0 oscyloskop szerokopasmowy Z i =Z 0 R i =50 Ω C i 0 sonda aktywna x1 50 Ω V CC 1:10 pomiar różnicowy sonda różnicowa sonda różnicowa CH 1 + CH 2 + INV + -

39 Tryb X-Y kanał 1 CH1 kanał 2 CH2 tłumiki + wzmacniacze wejściowe wzmacniacze Y vertical horizontal X Charakterograf??? U = X I = U/R = Y I U Wobuloskop VCO DUT Peak- Detect Log Y X