mt1 09 osciloskopynoel.feld.cvut.cz/~horcik/soscl/3em/soubory/mt1_09... · 2014. 9. 15. ·...
TRANSCRIPT
-
Osciloskopická měření
Lubomír Slavík
Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření,
který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIFakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií
-
Obsah přednášky
základní rozdělení osciloskopůanalogové
s číslicovou pamětí (digitální)
příslušenství osciloskopůpasivní sondy
aktivní sondy
proudové sondy
přehled trhu
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
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 složky, špičkové hodnoty
měření časových rozdílů, periody, frekvence, doby náběhu a poklesu, doby překmitů, šířky pulzu
měření fázového rozdílu dvou průběhů napětí (Lissajousovy obrazce)
měření V‐A charakteristik elektronických prvků
měření dynamické hysterezní křivky feromagnetických materiálů
Základní vlastnosti osciloskopů
OSCILOSKOPY
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
parametry sledovaného signálu
Režim y‐t
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
měření fáze a poměru frekvencí dvou harmonických signálů – Lissajousovy obrazce
Režim x‐y
tAtx 11 sin tAty 22 sin
22
1
23
2
1
34
2
1
45
2
1
příklady pro =π/2, 1ǂ2
Liss. obrazce na stínítku osciloskopu
příklady pro 1=2
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
analogové+ 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
+ umožňují záznam signálu a jeho další zpracování
+ možnost sledování signálu před příchodem spouštěcí podmínky
+ 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)
Základní rozdělení osciloskopů
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
Analogové osciloskopyzpracovávají 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 kmitočtu, ale malý úhel rozmítání)
na vnější straně stínítka je mřížka – usnadňuje odečítání hodnot
Wehneltův válec
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
Princip analogového osciloskopu
PZ – vstupní dělič a předzesilovač
VZ – vertikální zesilovač ‐ 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
PR
zpětný běhhorizontální vychylování
modulace jasu paprsku
čas. základna
spouštěcí pulzy
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
Spouštění časové základnyNastavení spouštěcího bodu ‐ 5 nastavovacích prvků:
úroveň (amplitudová podmínka)
hrana (časová podmínka)
vzestupná
sestupná
zdroj spouštění
interní
externí
vazba spouštění
stejnosměrná (DC)
střídavá (AC)
síťová frekvence 50Hz
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)
LF reject (potlačení nízkých frekvencí)
HF reject (potlačení vysokých frekvencí)
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
Režim HOLD‐OFF
spojitá volba „doby čekání“ mezi spouštěcími pulzy
ignorování spouštěcí podmínky po nastavenou dobu
vhodné pro sledování stejných skupin pulzů v měřeném signálu
Časová lupa (sweep maginifier)
při stisknutí této volby se zvýší zesílení 10x (5x) horizontálního zesilovače
horizontálním posuvem je možno rolovat po signálu
Dvě časové základny
dva průběhy – jeden originální, druhý je výsekem z originálního
výsek je zvýrazněn silnější čarou a lze rolovat po původním signálu
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
VD – vstupní dělič
PZ (A, B) – předzesilovače
KVZ – koncový vertikální zesilovač
ZL – zpožďovací linka
AM – astabilní multivibrátor (zdroj obdélníkových impulzů –500kHz až 1MHz)
ČZ – časová základna
SO – spouštěcí obvody
HZ – horizontální zesilovač
Současné zobrazení několika průběhůDvoupaprskový osciloskop
Dvoukanálový osciloskopdva kompletní systémy elektrod ‐ drahé
využívá elektronický přepínač – střídavé přepínání dvou kanálů k vertikálnímu vstupu obrazovky
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
Dvoukanálový osciloskop – chopped x alternate mode
ALTERNATE mode – ukazuje signál každého kanálu po dobu celého cyklu časové základny
CHOPPED mode
zobrazení je přepínáno mezi oběma kanály pevnou frekvencí
používá se pro pomalejší časové základny
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
Dvoukanálový osciloskop – režimy zobrazení
kanál A nebo kanál B
dvoukanál
přepínání časovou základnou (alternate mode)
přepínání pevnou frekvencí (chopped mode)
součet kanálů – A+B
rozdíl kanálů – A‐B (součet kanálů s jedním kanálem s obrácenou polaritou)
Speciální analogové osciloskopy
paměťový analogový osciloskop
používají paměťovou obrazovku – dlouhý dosvit – až 1 minuta (fosforový efekt)
vzorkovací analogový osciloskop
předchůdci číslicových osciloskopů
vzorkování vysokou rychlostí měřeného průběhu
zachytávání vzorků do paměťových kondenzátorů (nikoliv převedení na číslo!) a zobrazení na stínítku s pomocí speciální časové základny
jen pro periodické děje
až 15GHz
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
Základní charakteristiky analogových osciloskopů
počet zobrazitelných průběhů (obvykle 2, max. 8)
frekvenční pásmo – pracují obvykle od 0Hz do horní mezní frekvence (pokles zobrazované amplitudy o 3dB, tedy na 0,707‐násobek měřené amplitudy) – max fh je 1GHz
doba náběhu (doběhu) vertikální kanálu tno (0,1Umax – 0,9Umax), ke zkreslení dochází už při f=fh/2má obvykle hodnotu:
hno ft 35,0
vstupní napěťové rozsahy (1mV až 5V/d)
vstupní impedance – obvykle 1M / 7‐50pF (nad 200MHz – 50)
počet časových základen
přesnost zesílení vertikálního kanálu – 3‐5%
přesnost časové základny – 3‐5%
doplňkové funkce
alfanumerické informace
kurzory
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
Příklad analogového osciloskopu
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
Osciloskopy s číslicovou pamětí (digitální osciloskopy)
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 vzorekzobrazen na displeji (nejčastěji LCD)
vše je řízeno mikropočítačem
VZ – vstupní dělič
VZP – vzorkovač s pamětí
AČP – analogově číslicový převodník
ČP ‐ Číslicová paměť (FIFO)
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
Způsob ukládání vzorků do paměti z časového hlediska
„pre‐triger“ zobrazení (záporné zpoždění)
SB – spouštěcí (zastavovací) bodFIFO – šířka n bitů (obvykle 8), délka k vzorků
zobrazeno l vzorků před SB a k-l vzorků po SB
„normální = post‐triger“ zobrazení
zobrazeny vzorky následující po SB (zapsání k vzorků po SB) – obdoba analogového osciloskopu
„delay“ zobrazení
zobrazeny vzorky následující d vzorků po SB (zápis se zastaví po zapsání k+dvzorků po SB)
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
Způsoby vzorkování signáluv reálném čase (RTS – real time sampling)
vzorkování v ekvidistantních časových intervalech (vzorkovací interval = 1/vzorkovací frekvence)4‐10 vzorků na periodu nejvyšší frekvenční složkyumožňuje pre‐triger modeumožňuje záznam přechodných jevůpři nesplnění Nyquistovy podmínky může nastat chyba aliasing (zobrazení průběhu o podstatně nižší frekvenci) – některé osciloskopy mají zabudovaný antialiasingový filtr
sekvenční v ekvivalentním čase (stroboskopické)
v každé periodě jen jeden vzorek posunutý o ∆tjen periodické průběhyekvivalentní vzorkovací frekvence
tf EKVVZ
1
..
náhodné v ekvivalentním čase (RRS – randomrepetetive sampling)
po spuštění se vzorkuje max. vzorkovací frekvencí (několik vzorků na periodu)každá sada vzorků zpožděna o náhodnou, ale známou dobujen periodické průběhy
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
Druhy spouštěníspouštění z jednoho zdroje signálu
základní spouštěcí režim
zdroj je jeden z kanálů nebo vnější
spouštěcí úroveň + spouštěcí hrana
způsob spouštěnínormální – čeká na spouštěcí podmínku (SP), po zpracování signálu čeká na další SPautomatické – vzorkuje stálejednorázové – čeká na SP a zobrazí pouze jeden průběh
nastavení vazby – DC, AC, LF reject, HF reject
spouštění s nastavitelným zpožděním spouštěcího pulzu (hold‐off time)
volba délky hold‐off intervalu
volba počtu hold‐off podmínek
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
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
Základní charakteristiky osciloskopů s číslicovou pamětípočet kanálů (obvykle 2 nebo 4)vzorkovací frekvence – dnes (2010) max. 40GS/sšířka pásma v reálném čase – až 100GHz – umožněno paralelním zpracováním jednotlivých úseků signálu několika AČ převodníkyhloubka paměti
4kB – jednotky GB, dnes standard cca 1MBs 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 100kmožnost sběru dat – sběrnice GPIB, RS232, USB, LANměření 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 nastavenímožnost automatického zjištění základních parametrů signálu – autosetmožnost filtrace signálu
režim AVERAGE (zobrazení signálu až po získání a zprůměrování definovaného množství průběhů)režim digitální filtrace signálu (odstranění šumu)
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
Příklady osciloskopu s číslicovou pamětí
Rigol – DS1000
Agilent – DSO7000
Agilent – DSO7000zadní panel
přední panel
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
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)
musí být správně vykompenzována (kapacitním trimrem):
aktivní napěťová sonda
obsahuje aktivní prvky (FET, zesilovač) zapojené jako napěťový sledovač
nutnost napájecího zdroje
iKi CCRCR 11 iKi CCRCR 11 iKi CCRCR 11
kalibrace sondy (nastavení kapacity C1) pomocí obdélníkového signálu
ekvivalentní obvodekv. obvod, překreslený jako frekvenčně kompenzovaný
dělič napětí
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
Světoví výrobci osciloskopůAGILENT (bývalý HP)
řada 1000 – 100MHz / 1200$
řada 5000 – 500MHz / 6000$
řada 7000 – 1GHz / 15000$
řada 9000 – Infineon13GHz / 100000$
řada 8600 – Infineon80GHz (vzorkovací)
20000$
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
Světoví výrobci osciloskopůTektronix
řada TPS 2000 – 200MHz
řada DSO 2000 ‐ 200MHz
řada DPO 3000 ‐ 500MHz
řada DPO 7000 – 20GHz
řada DSA 8200 ‐ 80GHz
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
Světoví výrobci osciloskopůLeCroy
řada Wave Ace – 200MHz řada Wave Surfer/Runner(6GHz)
řada Wave Expert (40GHz)
Yokogawa
DL1740 – 500MHz
DL6000/9000 – 1,5GHz
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
Výrobci osciloskopů levnější kategorieRigol (Čína)
GW Instek (Taiwan) EZ Digital (východ)
BK Precision (USA)
Metrix
Hameg (Německo)
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření
-
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 (www.trinstruments.cz)
Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření
Osciloskopická měření