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, muutosilmiöiden ja riippuvuuksien tutkimiseen Oskilloskoopilla usein 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, useimmiten kuitenkin LCD) 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 AC/DC Sisääntulosuodatin Sisääntulovaimennin Z-sisääntulo HV Ulkopuolinen liipaisu X-sisääntulo Oskilloskoopin käyttö X- ja Y-skaalat Y-suunnassa herkkyys X-suunnassa mittausaika Y-akseli: Jännite Oskilloskoopin käyttö Trigger, liipaisu Liipaisutaso ja jännitteen muutoksen suunta määräävät piirron aloituskohdan. Liipaisu on välttämätön, jotta kuva pysyy kohdallaan. X-akseli: Aika

3 Oskilloskoopin käyttö Oskilloskoopin käyttö Väärin asetettu liipaisu: piirto alkaa signaalista riippumattomasti Oikein asetettu liipaisu: piirto alkaa aina signaalin samasta vaiheesta Holdoff, viivästetty liipaisu T Oskilloskoopin ottopiiri Ottovaimennin: Taajuuskorjattu jännitteenjakaja. Hajakapasitanssit huonontavat pelkistä resistansseista kootun jännitteenjakajan taajuusominaisuuksia Taajuuskorjatussa jännitteenjakajassa muodostetaan jännitteenjako myös kapasitansseilla Oscilloscope input 1 MΩ /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 ω CR 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

4 Oskilloskoopin mittapää Signaali kytketään oskilloskooppiin tavallisesti mittapäällä (probe) Mittapää muodostaa fyysisen ja sähköisen kytkennän mitattavan piirin ja oskilloskoopin välille Suuri-impedanssinen mittapää vähentää mitattavan piirin kuormitusta Sovitettu mittapää vähentää heijastuvista signaaleista aiheutuvia häiriöitä (digitaalipiirit) Mittapää vaikeuttaa häiriöiden kytkeytymistä Oskilloskoopin mittapää Kytkentä Yleisimmin käytetään vaimentavaa (10x) yleismittapäätä Mikropiireille ym. saatavissa erikoismittapäitä Yleiskäyttöinen jännitemittapää + varusteet Kärki, jossa kiinnityskoukku Maaklipsi Säätötyökalu Kuvat: Tektronix ABCs of probes Passiivinen vaimentava mittapää Mittapää R 1 C 1 Mitattava kohde Mittajohto, kapasitanssi C 2 Resistiivinen ja kapasitiivinen jännitejakaja (R i =1 MΩ, R 1 =9 MΩ, C:t vastaavasti) Kasvattaa sisäänmenon impedanssia (1 MΩ->10 MΩ) R i C i Oskilloskoopin sisääntulo Passiivinen vaimentava mittapää Mittapään viritys: 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 C 2 + C i R1 C2 + Ci = R C i 1

5 Kuva: Tektronix ABCs of probes Erikoismittapäitä Tavallisin passiivinen 10x vaimentava 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 täysin Mittapään epäideaalisuuksia 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) Mittapään epäideaalisuuksia 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!) Sarjaresonanssi V Source R IN C IN Vaihtojännite (korkeat taajuudet) Kuvat: Tektronix ABCs of probes Maajohtimen induktanssi Mittapään sijaiskytkentä Kuva: Tektronix ABCs of probes

6 Mittapään epäideaalisuuksia 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 Mittapään epäideaalisuuksia Kuormitus Muista: mittapää kytkee oskilloskoopin osaksi mitattavaa piiriä Mittapää 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 = 1/2πfC P Esim MHz X P = 159 Ω Kuva: Tektronix ABCs of probes 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 (kertailmiöt) 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

7 Reaaliaikanäytteistys (Real-time sampling) Maksimitaajuus ~1 GHz (Myös jatkuvat ilmiöt) Näytteenottomenetelmät Transientit ja kertailmiöt Jatkuvat signaalit Satunnainen (Random) Maksimiresoluutio ~10 ps Equivalent-time sampling Sarja (Sequential) Maksimiresoluutio ~10 fs Reaaliaikanäytteistys (transientti-ilmiöt, kertailmiöt) Ottovaimennin / vahvistin Näytteenotto ja pitopiiri A/D-muunnin Kello Muisti Ajoituspiiri Liipaisusignaali 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 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

8 T T 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 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 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 Näytteenotto aika- ja taajuustasoissa Sin(x)/x interpolointi Minimi: ~4 näytettä/jakso Sinimuotoiset pyöreät signaalit Lineaari-interpolointi Minimi: ~10 näytettä/jakso Suorareunaiset signaalit Kuva: Tektronix XYZs of Oscilloscopes Aika- ja taajuustasojen välillä liikutaan Fourier muunnoksilla Kertolasku aikatasossa vastaa konvoluutiota taajuustasossa

9 Sin(x)/x interpolointi aikatasossa Sin(x)/x interpolointi taajuustasossa Näytteenottopulssit (Diracin deltafunktio) korvataan Sinc-funktioilla Sinc-funktiot summaamalla saadaan alkuperäinen signaali Alkuperäisen signaalin spektri rekonstruoidaan näytteistetyn signaalin spektristä alipäästösuodattamalla Nyqvistin kriteerin on oltava voimassa Alkuperäinen spektri 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 Laskostuminen aika-alueessa Laskostuminen taajuusalueessa 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 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) 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