Perusmittalaitteet. Oskilloskooppi. Tärkein ja monipuolisin elektroniikkamittalaite. Piirtää mitattavasta suureesta graafin

Transkriptio

1 Mittaustekniikan perusteet / luento 2 Perusmittalaitteet Tärkein ja monipuolisin elektroniikkamittalaite Mittauksia: jännite, aaltomuoto, taajuus, muutosilmiöt, kohina, säröytyminen... Hyvä työkalu häiriöiden etsimiseen Oskilloskooppi Oskilloskooppi Oskilloskooppi Piirtää mitattavasta suureesta graafin Yleensä: jännite ajan funktiona. Vaihtoehtoja: Jännite toisen jännitteen funktiona (XY-asento) Mittapäillä muita suureita (virta, paine ) Soveltuu erityisesti värähtelyjen, muutosilmiöiden ja riippuvuuksien tutkimiseen Oskilloskoopilla usein tarkkaillaan visuaalisesti mitattavan kohteen (piirin) toimintaa Mahdollisuus tarkastella, miltä signaalit todella näyttävät (vrt. yleismittari) Ei ole tarkkuusmittalaite, epävarmuus > 1 % Dynaaminen alue on pieni Oskilloskooppi Kuva: Agilent

2 Oskilloskooppi Analoginen oskilloskooppi Perustuu katodisädeputkeen, jossa elektronisuihkua poikkeutetaan jännitteellä (jännitteeseen verrannollisesti) Analogisella tekniikalla saadaan edullisesti melko nopea laite Edelleen käytössä, ei juurikaan enää myydä uutena Digitaalinen oskilloskooppi Perustuu tietokoneeseen ja näytteenottoon (näyttönä useimmiten nestekidenäyttö, LCD) Usein paljon hyödyllisiä lisäominaisuuksia, esim. mittausten automatisointi, virtuaali-instrumentointi ja signaalin esikäsittely 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 Mahdollisuus digitaaliseen signaalinkäsittelyyn ja suodatukseen (vrt. laitteistolla toteutettava suodatus) Digitaalinen oskilloskooppi Lisäominaisuuksia (vrt. Analoginen oskilloskooppi): Transienttimittaukset (kertailmiöt) Liipaisuehtoa edeltävän signaalin tarkastelu Kursorit ja automaattiset mittaukset Jännitteet ja ajat Tiedon helppo siirrettävyys ja kopiointi Matemaattiset operaatiot ja spektrianalyysi (FFT) Virtuaali-instrumentointi Lisäksi: pienempi mittausepävarmuus Liipaisuehtoa edeltävä signaali Mixed signal -oskilloskooppi Sisääntulot sekä analogisille että digitaalisille signaaleille Liipaisu joko analogisesta tai digitaalisesta signaalista, mahdollisuus useiden signaalien näyttämiseen samanaikaisesti Digitaaliset kanavat Analogiset kanavat Kuva: Yokogawa Kuva: Agilent

3 Lisäominaisuuksia Oskilloskoopin etupaneeli Tiedonsiirto PC:lle (DVD-RW-asema, RS232, USB, LAN ) Käyttöjärjestelmä Tietokonemainen oskilloskooppi, mahdollisuus hiiren ja näppäimistön liittämiseen Kosketusnäyttö USB-moduulit: Tietokoneeseen USB-väylän kautta kytkettävä oskilloskooppimoduli Näyttö Vaakapoikkeutusosa Liipaisuosa Pystypoikkeutusosa Kuva: Elan digital systems ltd Ohjelmistonäppäimet (digitaalinen oskilloskooppi) Sisäänmenokanavat Kuva: Agilent X- ja Y-skaalat Oskilloskoopin käyttö Y-suunnassa herkkyys X-suunnassa mittausaika Y-akseli: Jännite Trigger, liipaisu Oskilloskoopin käyttö Liipaisutaso ja jännitteen muutoksen suunta määräävät piirron aloituskohdan. Liipaisu on välttämätön, jotta kuva pysyy kohdallaan. X-akseli: Aika

4 Oskilloskoopin käyttö Oskilloskoopin käyttö Väärin asetettu liipaisu: piirto alkaa signaalista riippumattomasti Oikein asetettu liipaisu: piirto alkaa aina signaalin samasta vaiheesta Holdoff, viivästetty liipaisu T Ottovaimennin: Oskilloskoopin ottopiiri Taajuuskorjattu jännitteenjakaja. Hajakapasitanssit huonontavat pelkistä resistansseista kootun jännitteenjakajan taajuusominaisuuksia Taajuuskorjatussa jännitteenjakajassa muodostetaan jännitteenjako myös kapasitansseilla Oscilloscope input 1 M /10 pf 1 mv/div V/div R 1 R 2 R 3 R n C 1 C 2 C 3 C 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 C R 1 j CR Impdance [ ] Oskilloskoopin impedanssi taajuuden funktiona Mittajohdon kapasitanssi 87 pf Oskilloskoopin kapasitanssi 13 pf Oskilloskoopin resistanssi 1 M Frequency [Hz] Vaihtoehto: (nopeat oskilloskoopit) 50 sovitettu kuorma

5 Oskilloskoopin mittapää Mittapään maadoitus Signaali kytketään oskilloskooppiin tavallisesti mittapäällä (probe) Mekaaninen kiinnitys signaalille ja maatasolle Suuri-impedanssinen mittapää vähentää mitattavan piirin kuormitusta Suoristaa taajuusvasteen korkeammille taajuuksille Yleiskäyttöinen jännitemittapää + varusteet Kärki, jossa kiinnityskoukku Maaklipsi Säätötyökalu Mitattavalla laitteella ja oskilloskoopilla on useimmiten maayhteys sähköverkon kautta Matalataajuisissa yleismittauksissa mittapään maajohtimen voi jättää kytkemättä (ja kannattaakin niin ei tee oikosulkuja) Korkeataajuisissa mittauksissa käytetään lyhintä mahdollista maadoitustietä, mikä siirtää resonanssitaajuuden oskilloskoopin kaistan ulkopuolella (ringing) Kriittisissä ajoitusmittauksissa piirilevylle voidaan asentaa adapteri mittapäätä varten Kuva: Tektronix ABCs of probes Vaimentava (10x) mittapää Mittapään viritys Mittapää R 1 C 1 Mitattava kohde Mittajohto, kapasitanssi C 2 Resistiivinen ja kapasitiivinen jännitejakaja (R i =1 M, R 1 =9 M, 1/C:t vastaavasti) Kasvattaa sisäänmenon impedanssia (1 M ->10 M ) R i C i Oskilloskoopin sisääntulo Tasaisen taajuusvasteen saavuttamiseksi mittapää täytyy virittää Virittämisessä reaktanssien suhde asetetaan samaksi kuin resistanssien suhde Oskilloskoopeissa on viritystä varten kanttiaaltogeneraattori R 1 R i C 1 C2 C i R1 C2 Ci R C i 1

6 Erikoismittapäitä Ideaalinen mittapää Kuva: Tektronix ABCs of probes Tavallisin passiivinen 10x vaimentava mittapää Sovitettu mittapää vähentää heijastuvista signaaleista aiheutuvia häiriöitä (digitaalipiirit) Hyvä fyysinen kontakti Helppo ja mukava kytkeä Ei vaikuta mitattavan piirin toimintaan Täydellinen signaalin toisto Immuuni ympäristön häiriöille Mittapään epäideaalisuuksia Täydellinen signaalin toisto vaatii nollavaimennuksen, äärettömän kaistanleveyden ja tasaisen vaihevasteen Hyvä toisto matalilla taajuuksilla Korkeilla taajuuksilla mm. vaimentumista ja soimista (ringing) Ringing johtuu maadoitusjohtimen induktanssista Mittapään epäideaalisuuksia Kuormitus Muista: mittapää kytkee oskilloskoopin osaksi mitattavaa piiriä Mittapää Kuva: Tektronix ABCs of probes Sarjaresonanssi V Source Maajohtimen induktanssi R IN C IN Mittapään sijaiskytkentä Kuva: Tektronix ABCs 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 = 1/2 fc P Esim MHz X P = 159

7 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 (Myös jatkuvat ilmiöt) 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 Näytteenottoteoreema Nyqvistin kriteeri Signaalia on näytteistettävä vähintään kaksinkertaisella nopeudella alkuperäisen signaalin korkeimpaan taajuuteen nähden jotta signaali voidaan rekonstruoida f max < f s /2 Mikäli Nyqvistin kriteeri ei toteudu, signaali laskostuu Käytännön laitteilla f max < f s /2.5 Laskostuminen aika-alueessa Laskostuminen taajuusalueessa 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

8 T T Näytteistysmenetelmiä Näytteistysmenetelmiä Real-time sampling (RTS) Equivalent-time sampling (ETS) 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 TDC) Aikatietoa käytetään lomittamaan mittauspisteet oikein Kuvat: Tektronix app. note 47W Pyyhkäisy 2. Pyyhkäisy 3. Pyyhkäisy 4. Pyyhkäisy 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 T 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 1. Pyyhkäisy 2. Pyyhkäisy 3. Pyyhkäisy Lineaari-interpolointi Minimi: ~10 näytettä/jakso Suorareunaiset signaalit Kuva: Tektronix XYZs of Oscilloscopes

9 Sin(x)/x -interpolointi Näytteenotto aika- ja taajuustasoissa Sin(x)/x interpolointi aikatasossa Näytteenottopulssit (Diracin deltafunktio) korvataan Sinc-funktioilla Sinc-funktiot summaamalla saadaan alkuperäinen signaali Aika- ja taajuustasojen välillä liikutaan Fourier-muunnoksilla Kertolasku aikatasossa vastaa konvoluutiota taajuustasossa Sin(x)/x interpolointi taajuustasossa Alkuperäisen signaalin spektri rekonstruoidaan näytteistetyn signaalin spektristä alipäästösuodattamalla Nyqvistin kriteerin on oltava voimassa Alkuperäinen spektri 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 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 CMOS 1.5 ns 230 MHz GTL 1 ns 350 MHz LVDS 400 ps 875 MHz ECL 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) 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