Perusmittalaitteet. Oskilloskooppi. Oskilloskooppi. Mittaustekniikan perusteet / luento 3. Oskilloskooppi. Oskilloskooppi

Transkriptio

1 Mittaustekniikan perusteet / luento 3 Perusmittalaitteet Oskilloskooppi Tärkein ja monipuolisin elektroniikkamittalaite Mittauksia: jännite, taajuus, muutosilmiöt, kohina, säröytyminen... Oskilloskooppi Oskilloskooppi Piirtää mitattavasta suureesta graafin Yleensä: jännite ajan funktiona. Vaihtoehtoja: Jännite toisen jännitteen funktiona Mittapäillä muita suureita (virta, paine )... Soveltuu erityisesti värähtelyjen ja riippuvuuksien tutkimiseen Oskilloskoopilla (yleensä) vain tarkkaillaan visuaalisesti mitattavan kohteen (piirin) toimintaa Ei ole tarkkuusmittalaite, epävarmuus > 1 % Dynaaminen alue on pieni Oskilloskooppi Analoginen oskilloskooppi Perustuu katodisädeputkeen, jossa elektronisuihkua poikkeutetaan jännitteellä (jännitteeseen verrannollisesti) Analogisella tekniikalla saadaan edullisesti melko nopea laite Digitaalinen oskilloskooppi Perustuu tietokoneeseen ja näytteenottoon (näyttönä voi olla edelleen katodisädeputki) Usein paljon hyödyllisiä lisäominaisuuksia Näytteenoton ongelmien vuoksi on sovelluksia, joissa analoginen oskilloskooppi on edelleen parempi

2 Analoginen oskilloskooppi Analoginen oskilloskooppi Katodisädeputki: Analogisen oskilloskoopin tärkein komponentti Määrää laitteella saavutettavat ominaisuudet Maksimitaajuus ~1 GHz Y-sisääntulo Volts/div A/D Sisääntulosuodatin Sisääntulovaimennin Z-sisääntulo HV Ulkopuolinen liipaisu X-sisääntulo Oskilloskoopin ottopiiri Ottovaimennin: Taajuuskorjattu jännitteenjakaja. Hajakapasitanssit huonontavat pelkistä resistansseista kootun jännitteenjakajan taajuusominaisuuksia Taajuuskorjatussa jännitteenjakajassa muodostetaan jännitteenjako myös kapasintansseilla Oscilloscope input 1 MΩ /10 pf 1 mv/div V/div R 1 R 2 R 3 R n n Oskilloskoopin sisääntulo ei ole kelluva! Maadoitus on kytketty verkkomaahan! Vertical amplifier Oskilloskoopin ottopiiri Oskilloskoopin suuri-impedanssinen sisääntulo vastaa matalilla taajuuksilla resistanssin ja kapasitanssin rinnankytkentää Oskilloskooppi kuormittaa mitattavaa kohdetta sitä enemmän, mitä korkeampi mitattava taajuus on Z in R R = 1+ jωr Impdance [Ω ] Oskilloskoopin impedanssi taajuuden funktiona Mittajohdon kapasitanssi 87 pf Oskilloskoopin kapasitanssi 13 pf Oskilloskoopin resistanssi 1 MΩ Frequency [Hz] Vaihtoehto: (nopeat oskilloskoopit) 50 Ω sovitettu kuorma

3 Digitaalinen oskilloskooppi Näytteistää signaalin ja muuttaa sen digitaaliseen muotoon käyttäen A/D-muunninta Näytteistys tasaisin väliajoin Nopeampi näytteistys korkeampi taajuus Muunnoksen tulos siirretään nopeaan muistiin Suurempi muisti pidempi näytejono Suurempi bittimäärä suurempi dynaaminen alue Oskilloskooppi kerää näytteitä, kunnes niitä on riittävästi signaalin esittämiseen Digitaalinen oskilloskooppi Lisäominaisuuksia (vrt. Analoginen oskilloskooppi): Transienttimittaukset Liipaisuehtoa edeltävän signaalin tarkastelu Kursorit ja automaattiset mittaukset Jännitteet ja ajat Tiedon helppo siirrettävyys ja kopiointi Matemaattiset operaatiot ja spektrianalyysi (FFT) Lisäksi: pienempi mittausepävarmuus Liipaisuehtoa edeltävä signaali Kuva: Yokogawa Näytteistysmenetelmiä Näytteenottomenetelmät Näytteistysmenetelmiä Reaaliaikanäytteistys (transientti-ilmiöt, kertailmiöt) Transientit ja kertailmiöt Jatkuvat signaalit Ottovaimennin / vahvistin Näytteenotto ja pitopiiri A/D-muunnin Muisti Kello Ajoituspiiri Liipaisusignaali Reaaliaikanäytteistys (Real-time sampling) Maksimitaajuus ~1 GHz Satunnainen (Random) Maksimiresoluutio ~10 ps Equivalent-time sampling Sarja (Sequential) Maksimiresoluutio ~10 fs Sigaali näytteistetään ja kirjoitetaan muistiin jatkuvassa silmukassa Liipaisuehdon toteutumisen jälkeen muistiin kirjoitusta jatketaan ennalta määrätty näytemäärä. Ääritapaukset: halutaan nähdä vain mitä tapahtui 1) ennen liipaisuehtoa muistiin kirjoitus lopetetaan heti liipaisuehdon toteutuessa 2) liipaisuehdon jälkeeen koko muisti kirjoitetaan kerran

4 T Näytteistysmenetelmiä Näytteistysmenetelmiä Equivalent Time Sampling (ETS) Näytteenotto voidaan tehdä D/A-muunnosta nopeammaksi suurinta mitattavaa taajuutta voidaan kasvattaa hyödyntämällä signaalin periodisuutta (vrt. Nyquistin ehto) Toimii kuten reaaliaikanäytteistys, mutta näytteitä kerätään usean periodin (liipaisuehdon) ajalta Näytteenotto suhteessa signaalin vaiheeseen muuttuu jokaisella pyyhkäisyllä Näytteidenottohetki suhteessa liipaisuhetkeen joko määritetään (Random ETS) tai tunnetaan (Sequential ETS) Tämän tiedon avulla oskilloskooppi limittää näytteet toisiinsa nähden oikein Real-time sampling Kuvat: Tektronix app. note 47W-7209 Equivalent-time sampling Näytteistysmenetelmiä Random Equivalent Time Sampling Oskilloskooppi ottaa näytteitä oman kellonsa tahdissa Liipaisuhetki suhteessa näytteenottoon muuttuu jokaisella pyyhkäisyllä satunnaisesti Liipaisun ja näytteenoton vaihe-ero määritetään aikadigitaalimuuntimella (time-to-digital converter TD) Aikatietoa käytetään lomittamaan mittauspisteet oikein Näytteistysmenetelmiä Sequential Equivalent Time Sampling Limitystekniikan äärimmäinen muoto: jokaisen liipaisuehdon (periodi) jälkeen otetaan vain yksi näyte Jokaisen näytteen jälkeen pidennetään viivettä liipaisuhetken ja näytteenoton välillä (1/ T = näennäinen näytteenottotaajuus) T 2 T 1. Pyyhkäisy 2. Pyyhkäisy 3. Pyyhkäisy 4. Pyyhkäisy 1. Pyyhkäisy 2. Pyyhkäisy 3. Pyyhkäisy

5 Oskilloskooppien sisääntulot Suojattu sisääntulo Digital storage oscilloscope (DSO) (Random Equivalent Time Sampling) Myös: Digital phosphor oscilloscope (DPO) Suojaamaton sisääntulo (Nopeat oskilloskoopit) Sampling digital oscilloscope (Sequential Equivalent Time Sampling) Interpolointi Signaalin näytteistys ja digitointi pistejoukko näytölle Nopeissa signaaleissa pisteitä vähän, tulkinta vaikeaa Ratkaisu: interpolointi Matemaattinen menetelmä, jolla estimoidaan signaalin arvoa mitattujen pisteiden välillä signaalin rekonstruointi Tavallisimmat tyypit: lineaarinen ja sin(x)/x Sin(x)/x interpolointi Minimi: ~4 näytettä/jakso Sinimuotoiset pyöreät signaalit Ei sisääntulovaimenninta tai suojadiodeja! Kuvat: Tektronix app. note 47W-7209 Lineaari-interpolointi Minimi: ~10 näytettä/jakso Suorareunaiset signaalit Kuva: Tektronix XYZs of Oscilloscopes Sin(x)/x -interpolointi Sin(x)/x -interpolointi Matemaattisesti näytteistys voidaan ymmärtää impulssijonolla kertomisena (amplitudimodulaatio) saadaan moduloitu signaali ( t) s( t) Tämä diskretoidaan ajassa: jolloin saadaan: Jatkuva signaali Moduloitu signaali x( n) = x ( nt ) x Näytteenottosignaali ( t) = u0 l= s ( t lt ) Yksikköimpulssifunktio t= nt + ε x ( n) = lim x ( t) s( t) dt ε 0 t= nt ε Näyteväli Kuva: R. E. rochiere, L. R. Rabiner Multirate Digital Signal Processing Esitys taajuustasossa Kahden aikatason funktion tulon Fourier-muunnos voidaan laskea ko. funktioiden Fourier-muunnosten konvoluutiona Jatkuvan signaalin F-muunnos: i X ( ω) = x ( t) e Näytteenottosignaalin (impulssijono) F-muunnos on viivaspektri, jonka komponenttien väli on näytteenottotaajuus: (taulukosta) 1 T missä ω F = 2π on näytteenottotaajuus rad/s. F l= ωt dt S ( ω) = ω u0( ω lω ) F

6 Sin(x)/x -interpolointi Sin(x)/x -interpolointi Konvoluutio: ( ω) S( ω) Alkuperäisen signaalin spektri Näytteenottofunktion spektri Näytteistetyn signaalin spektri X Kuva: R. E. rochiere, L. R. Rabiner, Multirate Digital Signal Processing Näytteenottoteoreema: Jos jatkuvalla signaalilla x (t) on kaistarajoitettu Fourier-muunnos X (ω) siten, että X (ω) = 0 kaikilla ω 2πF, voidaan x (t) rekonstruoida yksikäsitteisesti ilman virhettä tasavälisistä näytteistä x (nt), jos näytteenottotaajuus F=1/T täyttää ehdon F 2F. Alias-ilmiö Kuva: R. E. rochiere, L. R. Rabiner Multirate Digital Signal Processing Sin(x)/x -interpolointi Jos näytteenottoteoreema on voimassa...voidaan x (t) rekonstruoida yksikäsitteisesti ilman virhettä Alkuperäinen spektri Sin(x)/x -interpolointi Jatkuvan signaalin näytteistys ja rekonstruktio Alkuperäisen signaalin spektri voidaan rekonstruoida näytteistetyn signaalin spektristä alipäästösuodattamalla. Oletus: ideaalinen suodin ja näytteenotto Ulostulo saadaan kovoluutiointegraalista: Suotimen impulssivaste Tulo x (t)s(t) poikkeaa nollasta vain ajanhetkillä nt, jolloin sen arvo on x(n) Integraali saadaan muotoon: x ( t) = x ( τ ) s( τ ) hˆ( t τ ) τ = n= x ( t) = x( n) hˆ( t nt ) dτ Kuva: R. E. rochiere, L. R. Rabiner Multirate Digital Signal Processing Kuva: R. E. rochiere, L. R. Rabiner Multirate Digital Signal Processing

7 Sin(x)/x -interpolointi Ideaalisen alipäästösuotimen impulssivaste on: F t h ˆ sin(2π LP ) I ( t) = 2πF t Missä F LP on rajataajuus. Valitaan näytteenottoteoreeman mukaisesti: Sijoitetaan nämä edellisen kalvon tulokseen ja sievennetään Lopputulos: x ( t) = x( n) n= π ( t sin(x)/x Huomaa oletus: ääretön näytejono Kuva: R. E. rochiere, L. R. Rabiner, Multirate Digital Signal Processing sin( π ( t nt ) / T ) nt ) / T LP F F = 1 LP 2 = 2 T Oskilloskoopin mittapää Oskilloskooppi mittaa ja näyttää vain sen signaalin, minkä mittapää (probe) välittää oskilloskoopille Mittapää muodostaa fyysisen ja sähköisen kytkennän mitattavan piirin ja oskilloskoopin välille Hyvä mittapää on välttämätön hyville mittauksille Sopimaton mittapää pilaa mittauksen: Oskilloskooppi kuormittaa mitattavaa piiriä Mittajohdosta heijastuvat signaalit aiheuttavat häiriöitä (digitaalipiirit) Häiriöt kytkeytyvät helposti Houkutus käyttää yksinkertaista johdinta on suuri... Oskilloskoopin mittapää Oskilloskoopin mittapää Mittapään ja piirin välisen kytkennän kolme tärkeintä kysymystä: Fyysisen kontaktin varmistaminen Vaikutus piirin toimintaan Signaalin toistotarkkuus Ideaalisen mittapään ominaisuudet Kytkennän helppous ja mukavuus Täydellinen signaalin toisto Ei kuormita mitattavaa piiriä lainkaan Epäherkkyys ympäristön häiriöille Käytännön mittapäälle mikään näistä ei toteudu Kytkentä Ei ole yhtä mittapäätä, joka sopisi kaikkiin tarkoituksiin Ongelmat mittapään kytkemisessä mitattavaan piiriin aiheuttavat usein signaalin vääristymistä Yleiskäyttöinen jännitemittapää + varusteet Kärki, jossa kiinnityskoukku Maaklipsi Säätötyökalu Kuvat: Tektronix ABs of probes

8 Oskilloskoopin mittapää Täydellinen signaalin toisto = nollavaimennus, ääretön kaistanleveys ja tasainen vaihevaste Mahdoton saavuttaa, mutta toisaalta myös signaalien kaista on rajoitettu Voidaan yrittää saavuttaa rajoitetulla kaistalla Oskilloskoopin mittapää (myös pelkkä johdin) on korkeilla taajuuksilla monimutkainen piiri Tasajännite (matalat taajuudet) Oskilloskoopin mittapää Maadoituksen vaikutus signaalin toistoon Käytettäessä tavanomaista jännitemittapäätä tarvitaan kaksi kytkentää: mittapään kärki kytketään mittauspisteeseen ja maadoitusjohdin kytketään mitattavan laitteen maahan Maadoitusjohdin tarjoaa virran paluutien Maadoitusjohtimessa on induktanssia pulssien jälkivärähtely (ringing). (Värähtely voi tulla myös mitattavasta piiristä!) Vaihtojännite (korkeat taajuudet) Kuvat: Tektronix ABs of probes Sarjaresonanssi V Source Maajohtimen induktanssi R IN IN Mittapään sijaiskytkentä Kuva: Tektronix ABs of probes Oskilloskoopin mittapää Maadoituksen vaikutus signaalin toistoon Sääntö: tehdessäsi oskilloskooppimittauksia käytä lyhintä mahdollista maadoitustietä Älä käytä verkkomaata signaalimaana Tyypillisesti käytetään mittapään lyhyttä maadoitusjohtoa, jonka aiheuttaman resonanssin taajuus on oskilloskoopin kaistan ulkopuolella Maadoitusjohtimen pidennys voi tuoda resonanssin oskilloskoopin kaistalle Kriittisissä ajoitusmittauksissa piirilevylle voidaan asentaa adapteri mittapäätä varten Oskilloskoopin mittapää Kuormitus Muista: mittapää kytkee oskilloskoopin osaksi mitattavaa piiriä Mittapää Kuva: Tektronix ABs of probes Mittapään impedanssi muodostuu resistiivisestä ja reaktiivisesta komponentista (kapasitanssi 100 pf - 1 pf) Reaktiivinen kuorma tulee hallitsevaksi taajuuden kasvaessa Valmistajat antavat mittäpäälle impedanssikäyrän Reaktiivista kuormaa voi arvioida: X P = 1/2πf P Esim MHz X P = 159 Ω Kuva: Tektronix ABs of probes

9 Erilaisia mittapäitä Passiivinen vaimentava mittapää Mittapää R 1 1 Mitattava kohde Mittajohto, kapasitanssi 2 R i i Oskilloskoopin sisääntulo Kuva: Tektronix ABs of probes Tavallisesti passiivinen 10X vaimentava mittapää Passiivinen vaimentava mittapää Mittapään viritys: Tasaisen taajuusvasteen saavuttamiseksi mittapää täytyy virittää Virittämisessä reaktanssien suhde asetetaan samaksi kuin resistanssien suhde R 1 R i R R 1 i i 2 + = 1 i Oskilloskoopin suoritusarvot Tärkeimmät oskilloskoopin suorituskykyä kuvaavat ominaisuudet: Kaistanleveys Taajuusvaste Nousuaika Näytteistys Näytenopeus / pyyhkäisyn nopeus Näytemuistin koko (record length) Aaltomuodon tallennusnopeus (waveform capture rate) Aikamittauksen epävarmuus Vahvistuksen epävarmuus Bittimäärä, resoluutio Efektiivinen bittimäärä Liipaisuominaisuudet Nousuaika Aika, joka kuluu askelvasteessa näyttämän muuttuessa 10 %:sta 90 %:iin lopullisesta mittaustuloksesta Huomaa: suoritusarvot määräytyvät oskilloskooppimittapää -yhdistelmästä

10 Oskilloskoopin suoritusarvot Kaistanleveys Oskilloskoopin kaistanleveys ilmoitetaan -3 db:n rajataajuutena tällä taajuudella siniaallon amplitudi vaimentunut 70.7%:iin oikeasta Kuva: Tektronix XYZs of Oscilloscopes Jos halutaan saavuttaa alle 2% virhe, täytyy rajataajuuden olla n. 5 kertaa suurempi kuin mitattava taajuus Suunnittelussa pyritään mahdollisimman tasaiseen taajuusvasteeseen (pulssimuodon oikea toistuminen), mutta käytännön komponenteissa aina epäideaalisuutta Oskilloskoopin suoritusarvot Huomaa: jos signaali ei ole sinimuotoinen, on suuri osa signaalin tehosta korkeammilla, harmonisilla, taajuuksilla Liian pientä kaistanleveyttä käytettäessä reunat ja detaljit häviävät, amplitudi vääristyy Peukalosääntö kaistanleveydelle: Oskilloskoopin kaistanleveys > 5 signaalin taajuus Nousuaika Digitaalitekniikan mittauksessa nousuaika on usein kaistanleveyttä tärkeämpi Tietylle nousuajalle tarvittavaa kaistanleveyttä voidaan arvioida kaavalla: kaistanleveys = k/nousuaika, missä k on oskilloskoopin taajuusvasteesta riippuva vakio ( ) Oskilloskoopin suoritusarvot Peukalosääntö nousuajalle: Oskilloskoopin nousuaika > 3 signaalin nousuaika Näytenopeus Logiikkaperhe Nousuaika Kaistanleveys TTL 2 ns 175 MHz MOS 1.5 ns 230 MHz GTL 1 ns 350 MHz LVDS 400 ps 875 MHz EL 100 ps 3.5 GHz GaAs 40 ps 8.75 GHz Määritellään näytteinä sekunnissa (samples per second S/s) Nopeampi näytteistys Suurempi todennäköisyys nähdä harvoin toistuvat ilmiöt Signaali saadaan rekonstruoitua harvemmista jaksoista (Equivalent Time Sampling) Tarvittava näytenopeus? Näytteenottoteoreema: näytenopeus > 2 signaalin suurin taajuus (Oletus: ääretön näytemäärä, jatkuva signaali) Käytännössä näytteitä pitää olla tiheämmässä Interpolaatio: sin(x)/x 4, lineaari 10 Oskilloskoopin suoritusarvot Näytemuistin koko (record length) Näytemuistin koko määrää kuinka monta näytettä voidaan tallentaa kerralla: tallennusaika = näytemuistin koko / näytenopeus Riittävä koko: Stabiili jatkuva signaali ~ satoja näytteitä Digitaalisen tiedonsiirron signaalit ~ miljoonia näytteitä Aaltomuodon tallennusnopeus (waveform capture rate) Määrää kuinka monta kertaa sekunnissa oskilloskooppi pystyy mittaamaan signaalin (tai sen osan) aaltomuodon

11 Oskilloskoopin suoritusarvot Digital Sampling Oscilloscope: sarja-arkkitehtuuri Mittausten välillä voi olla pitkä kuollut aika Nopeus: wfms/s Tulos usein monesta jaksosta (ETS) Datan käsittelyyn kuluu aikaa Tämän vuoksi analogiset oskilloskoopit ovat joissain sovelluksissa parempia Digital Phosphor Oscilloscope: rinnakkaisprosessorointiin perustuva menetelmä, jolla digitaalioskilloskooppiin saadaan analogisen oskilloskoopin nopeus Oskilloskoopin käyttö X- ja Y-skaalat Y-suunnassa herkkyys X-suunnassa mittausaika Y-akseli: Jännite X-akseli: Aika Kuva: Tektronix XYZs of Oscilloscopes Oskilloskoopin käyttö Oskilloskoopin käyttö Trigger, liipaisu Liipaisutaso ja jännitteen muutoksen suunta määräävät piirron aloituskohdan. Liipaisu on välttämätön, jotta kuva pysyy kohdallaan. Väärin asetettu liipaisu: piirto alkaa signaalista riippumattomasti Oikein asetettu liipaisu: piirto alkaa aina signaalin samasta vaiheesta

12 Oskilloskoopin käyttö Holdoff, viivästetty liipaisu T