Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 3.pdf

(573 KB) Pobierz
058-062_tespol_cz3.indd
POMIARY
Pomiary oscyloskopowe:
okiem praktyka, część 3
Oscyloskop jest jednym
z najbardziej uniwersalnych
przyrządów pomiarowych.
Wykorzystywany jest zarówno
w najbardziej zaawansowanych
projektach badawczych jak
i warsztatach amatorskich.
Oczywiście różnice
w parametrach, a także i cenach
przyrządów stosowanych podczas
pomiarów bywają ogromne.
Pasmo najbardziej wyczynowych
współczesnych oscyloskopów
niebawem przekroczy granicę
20 GHz, a szybkość próbkowania
w czasie rzeczywistym rzędu 40
miliardów próbek na sekundę,
stosowana jest już od dawna.
Rekord akwizycji
Oscyloskop cyfrowy rejestruje
badany sygnał pobierając w usta-
lonych odstępach czasu jego prób-
ki, które są następnie umieszczane
w pamięci, w tak zwanym rekordzie
akwizycji. Dla stałej częstotliwości
próbkowania, wraz ze zmianą pod-
stawy czasu (skala osi poziomej)
zmienia się liczba pobieranych
próbek, a tym samym wymagana
pojemność pamięci. Dla przykładu,
jeśli na ekranie widoczny jest cały
zgromadzony rekord, to dla podsta-
wy czasu 250 ns/dz. i częstotliwo-
ści próbkowania 1 GSa/s (miliard
próbek na sekundę) wymagana
długość rekordu to np. 2500 pró-
bek (obraz składa się z dziesięciu
działek skali a próbki pobierane
są co 1 ns). Jeżeli teraz zmienimy
podstawę czasu na np. 100 ms/dz.
i chcielibyśmy jednocześnie zacho-
wać częstotliwość próbkowania to
musielibyśmy zapisać miliard pró-
bek. Rekord akwizycji o długości
1 GB jest jednak póki co niereal-
ny. W praktyce jest dokładnie od-
wrotnie: to rozmiar pamięci próbek
jest stały a zmianie ulega częstotli-
wość próbkowania. W przytoczonym
przykładzie długość rekordu akwi-
zycji nadal wynosić będzie 2500
próbek, ale częstotliwość próbko-
wania zmaleje do 2,5 kHz.
Długość rekordu determinu-
je okno czasowe w jakim badany
sygnał jest obserwowany. Dla da-
nego ustawienia podstawy czasu,
częstotliwość próbkowania jest tym
wyższa, im dłuższy jest rekord
akwizycji. Długi rekord umożliwia
zgromadzenie większej liczby pró-
bek, ale też wymusza dłuższy czas
potrzebny na przetworzenie więk-
szej ilości danych. To z kolei może
wpłynąć niekorzystnie na częstotli-
wość odświeżania ekranu i ogólny
czas reakcji przyrządu na zmiany
nastaw. Redukuje także liczbę cykli
rejestracji w jednostce czasu.
W oscyloskopie cyfrowym, punkt
wyzwolenia jest zazwyczaj umiesz-
czony w połowie ekranu. Oznacza
to, że połowa tworzących widoczny
przebieg próbek została zarejestro-
wana przed wyzwoleniem przyrzą-
du. Jest to możliwe dzięki temu,
że rekord akwizycji zorganizowany
jest w postaci bufora kołowego. Po
zapisaniu ostatniej jego komórki
kolejna próbka trafi do komórki
pierwszej. Od momentu wyzwole-
nia odliczany jest tzw. czas post-
triggera (na ekranie jest to odcinek
od momentu wyzwolenia, typowo
środek ekranu, do prawej krawędzi)
i proces pojedynczej akwizycji jest
zakończony. Dla bardzo długich re-
kordów wszystkie wykonywane na
nim operacje, w tym tworzenie ob-
razu jest czasochłonne. Jednym ze
stosowanych rozwiązań tego pro-
blemu jest jednoczesne tworzenie
trzech rekordów o różnej długości.
Jeden o długości maksymalnej, je-
Tab. 3. zmiana częstotliwości próbko-
wania przy zmianie podstawy czasu
dla różnej długości rekordu akwizycji
(oscyloskop Tektronix DPO4054)
Częstotliwość próbkowania
przy rekordzie:
1000 próbek 10.000.000
próbek
2 ms/dz 50 kSa/s 500 MSa/s
400 m s/dz 250 kSa/s 2,5 GSa/s
200 m s/dz 500 kSa/s 2,5 GSa/s
100 m s/dz 1 MSa/s 2,5 GSa/s
40 m s/dz 2,5 MSa/s 2,5 GSa/s
20 m s/dz 5 MSa/s 2,5 GSa/s
10 m s/dz 10 MSa/s 2,5 GSa/s
4 m s/dz 25 MSa/s 2,5 GSa/s
2 m s/dz 50 MSa/s 2,5 GSa/s
1 m s/dz 100 MSa/s 2,5 GSa/s
400 ns/dz 250 MSa/s 2,5 GSa/s
200 ns/dz 500 MSa/s 2,5 GSa/s
80 ns/dz 1,25 GSa/s 2,5 GSa/s
40 ns/dz 2,5 GSa/s 2,5 GSa/s
58
Elektronika Praktyczna 3/2007
Podstawa
czasu
681976663.047.png 681976663.048.png 681976663.049.png 681976663.050.png 681976663.001.png 681976663.002.png 681976663.003.png 681976663.004.png
Nowy katalog
co tydzień
www.elfa.se/pl
Tutaj znajdziesz ostatnie nowości
z asortymentu ELFA. Strona
www.elfa.se/pl uaktualniana jest
co tydzień.
POMIARY
co tydzień
www.elfa.se/pl
Tutaj znajdziesz ostatnie nowości
z asortymentu ELFA. Strona
www.elfa.se/pl uaktualniana jest
co tydzień.
co tydzień
Kontrola zawartości
Na www.elfa.se/pl możesz
sprawdzić stan magazynowy
wybranego produktu bez
logowania.
�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
Elektronika Praktyczna 3/2007
59
Nowy katalog
�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
681976663.005.png 681976663.006.png 681976663.007.png 681976663.008.png 681976663.009.png 681976663.010.png 681976663.011.png 681976663.012.png 681976663.013.png 681976663.014.png 681976663.015.png 681976663.016.png 681976663.017.png 681976663.018.png 681976663.019.png 681976663.020.png 681976663.021.png 681976663.022.png 681976663.023.png 681976663.024.png 681976663.025.png 681976663.026.png 681976663.027.png 681976663.028.png 681976663.029.png 681976663.030.png
POMIARY
wykorzystywane
są pozostałe dwa
rekordy, przecho-
wujące bardziej
szczegółowe dane
o badanym sygna-
le.
by rejestracji podają liczbę próbek
jaką oscyloskop gromadzi w jedno-
stce czasu. Daje to czasem lepsze
wyobrażenie o możliwościach akwi-
zycyjnych oscyloskopu niż podanie
samej długości rekordu w oderwa-
niu od ilości rejestrowanych prze-
biegów. Liczba wykonanych reje-
stracji ma kluczowe znaczenie pod-
czas wyszukiwania w mierzonym
sygnale zakłóceń przypadkowych.
Wraz z jej wzrostem rośnie praw-
dopodobieństwo zaobserwowania ta-
kiego zakłócenia. Technologia DPX
stosowana przez firmę Tektronix
umożliwia rejestrowanie nawet do
400000 przebiegów w ciągu sekun-
dy. Opracowana niedawno techno-
logia Mega Zoom III firmy Agilent
zapewnia do 100000 rejestracji/s,
ale przy jednoczesnym zachowaniu
długiego rekordu, a więc i większej
częstotliwości próbkowania.
Nie ma jednoznacznej odpowie-
dzi na pytanie jaka długość rekor-
du jest optymalna. Dla pomiarów
jednorazowych lepszy jest długi
rekord, pozwalający na próbkowa-
nie z większą częstotliwością i za-
rejestrowanie większej ilości detali
sygnału. Czasami jednak przyda-
je się rekord krótszy. Technologia
DPO pozwala rejestrować krótkie
rekordy, ale też z bardzo krótkim
czasem ich powtarzania. Długi re-
kord akwizycji nie oznacza au-
tomatycznie dłuższego czasu ob-
serwacji. Rozpatrzmy prosty przy-
kład: dwa współczesne oscylosko-
py cyfrowe różnych producentów.
Pierwszy posiada rekord o długości
10000 lub 500 próbek w zależno-
ści od wybranego trybu akwizycji.
Drugi natomiast wyposażony jest
w pamięć akwizycji o pojemności
2000000 próbek. Jak można by są-
dzić bardzo długi rekord drugiego
z przyrządów pozwoli o wiele szyb-
ciej wykryć występujące w sygna-
le anomalie. Załóżmy, że w celu
wykrycia zakłócenia obserwujemy
badany przebieg w skali 100 ms/dz.
W takich warunkach drugi z przy-
rządów zarejestruje najwyżej 10 re-
kordów. Łącznie umożliwi nam to
obserwację sygnału przez 10 ms
na każdą sekundę pomiaru przy
częstotliwości próbkowania 2 GSa/s.
Tymczasem pierwszy oscyloskop
umożliwi zarejestrowanie 315 re-
kordów po 10000 próbek lub 670
rekordów po 500 próbek, w zależ-
ności od wybranego trybu akwizy-
o badanym sygna-
le.
W niektórych
zastosowaniach
parametrem rów-
nie ważnym jak
długość rekordu
akwizycji jest licz-
ba cykli rejestra-
cji jakie oscylo-
skop jest w stanie
wykonać w okre-
ślonym przedziale
czasowym. Typo-
wa wartość tego
parametru dla
większości oscy-
loskopów o kla-
sycznej konstruk-
cji DSO ( Digital
Storage Oscillo-
scope ) wynosi
kilkadziesiąt cykli
w ciągu sekun-
dy. Zależne jest
to zarówno od
konkretnej kon-
strukcji, jak i ak-
tualnej długości
rekordu akwizycji
i związanej z nią
podstawy czasu.
Podczas odczyty-
wania danych ka-
talogowych nale-
ży zwrócić uwagę
na warunki w ja-
kich parametr ten
określono. Dla
przykładu oscy-
loskop WaveStar
firmy LeCroy re-
jestruje do 40 re-
kordów/s. Jednak
dla rekordu o dłu-
gości 1 M liczba
rejestracji spada
do ok. 5…10 re-
jestracji. Oczywi-
ście przy pomia-
rach sygnałów
jednorazowych
bardziej znacząca będzie długość
rekordu i związana z nią często-
tliwość próbkowania niż zdolność
przyrządu do większej liczby reje-
stracji. Niektórzy producenci, jak
na przykład Agilent, zamiast licz-
parametrem rów-
akwizycji jest licz-
ba cykli rejestra-
cji jakie oscylo-
wykonać w okre-
czasowym. Typo-
większości oscy-
loskopów o kla-
sycznej konstruk-
cji DSO (
Storage Oscillo-
scope
w ciągu sekun-
konkretnej kon-
strukcji, jak i ak-
Podczas odczyty-
wania danych ka-
talogowych nale-
na warunki w ja-
przykładu oscy-
firmy LeCroy re-
jestruje do 40 re-
dla rekordu o dłu-
Rys. 8. Ten sam sygnał zarejestrowany w pojedynczym
wyzwoleniu (a) i powiększony przy rekordzie o długości
10.000.000 próbek (b) i 1000 próbek (c). Przy zbyt krót-
kim efektem powiększenia jest tylko kilka widocznych
na ekranie punktów
den pośredni oraz jeden rekord
krótki. Ten ostatni wykorzystywa-
ny jest do wykonywania bieżących
operacji na przebiegu. Jeśli zacho-
dzi potrzeba odwołania się do po-
większonego fragmentu przebiegu,
60
Elektronika Praktyczna 3/2007
rekordy, przecho-
wykonać w okre-
681976663.031.png 681976663.032.png 681976663.033.png 681976663.034.png 681976663.035.png 681976663.036.png
POMIARY
Elektronika Praktyczna 3/2007
61
681976663.037.png 681976663.038.png 681976663.039.png 681976663.040.png 681976663.041.png 681976663.042.png 681976663.043.png
POMIARY
Rys. 9. Przeglądanie powiększonych fragmentów
długiego rekordu akwizycji w oscyloskopie Tektronix
DPO4000
skali 100 ns/dz.
czas akwizy-
cji wynosi 4 ms.
W takich warun-
kach oscyloskop
dostarcza próbki
z częstotliwością
250 MSa/s, a re-
kord tworzony
jest z 1000 punk-
tów. Jeżeli teraz
zmienimy skalę
na 1 ns/dz., wów-
czas czas akwi-
zycji wyniesie
40 ns. W takim
czasie przetwor-
nik analogowo–cy-
frowy tego oscy-
loskopu (próbko-
wanie 1 GSa/s)
jest w stanie dostarczyć jedynie 40
próbek. Zapisanie całego dostępne-
go rekordu przy podstawie czasu
1 ns/dz. wymagałoby pracy w try-
bie ekwiwalentnym i wykonania co
najmniej stu cykli rejestracji.
Liczba wykonywanych w jed-
nostce czasu cykli rejestracji nie-
koniecznie musi dotyczyć pracy
w trybie ciągłym. Dlatego parametr
ten może niekiedy wprowadzić
w błąd. Na pierwszej stronie ulot-
ki reklamowej jednego ze współ-
czesnych oscyloskopów cyfrowych
podano, że umożliwia on rejestra-
cję 2,5 miliona przebiegów na se-
kundę. Jednak nie oznacza to, że
oscyloskop ten może zarejestrować
aż tyle przebiegów. W rzeczywisto-
ści rejestruje ich ok. 1600. W try-
bie akwizycji określanym przez
producenta jako N single mode ,
przyrząd pracuje z tzw. segmenta-
cją pamięci. Oznacza to, że do-
stępna pamięć akwizycji dzielona
jest na wiele mniejszych odcinków
(segmentów). Podczas pojedynczej
rejestracji zapisywany jest tylko je-
den z nich. W efekcie zamiast jed-
nego długiego rekordu otrzymuje-
my wiele krótszych, zapisywanych
kolejno po sobie, jednak tyle na
ile pozwoli całkowity rozmiar pa-
mięci. Pamięć rejestracji we wspo-
mnianym przyrządzie w trybie N
single mode może być podzielona
na maksymalnie 1600 segmentów.
Czas martwy pomiędzy rejestracja-
mi skrócony może być do 400 ns.
Dla najkrótszej podstawy czasu
500 ps/dz. czas akwizycji wynosi
5 ns. Dlatego czas potrzebny na
wykonanie 1600 rejestracji wynosi
648 ms. Zatem 1600 krótkich re-
kordów zgromadzonych może być
z szybkością 2469135 przebiegów
na sekundę. Chociaż stanowi to
podstawę dla informacji zawartej
w banerze reklamowym, nie zmie-
nia to faktu, że liczba rzeczywi-
ście wykonanych rejestracji wyno-
si nie 2,5 miliona a jedynie 1600.
Dla ciągłego trybu pracy szybkość
rejestracji wynosi dla omawianego
przyrządu 25000 przebiegów na
sekundę. Jest to jednak 100 razy
mniej niż mogłaby to sugerować
informacja reklamowa.
Do czego jednak segmentacja re-
kordu akwizycji mogłaby być przy-
datna? Wyobraźmy sobie, że sygnał
badany składa się z krótkich im-
pulsów i długich przerw pomiędzy
nimi. W klasycznym rozwiązaniu
do rekordu trafią próbki pobrane
zarówno podczas trwania interesu-
jących nas impulsów jak i podczas
nieistotnych przerw. Tych drugich
będzie niestety więcej. Znaczna
część rekordu zostanie zatem zaję-
ta przez nieistotne dane. Jeśli jed-
nak podzielimy rekord na krótkie
odcinki, możemy w każdym z nich
umieścić próbki pobrane podczas
trwania kolejnego impulsu. Zareje-
strowanie wielu jego wystąpień nie
będzie więc tak mocno ograniczo-
ne skończonym rozmiarem pamięci
akwizycji. Stosowanie segmentacji
zazwyczaj łączone jest ze znako-
waniem poszczególnych segmentów
stemplem czasowym ( time stamp )
pozwalającym zachować zależno-
ści czasowe pomiędzy zdarzeniami
zarejestrowanymi w poszczególnych
segmentach rekordu.
Współczesne, profesjonalne oscy-
loskopy cyfrowe mogą być wypo-
sażone w pamięć akwizycji nawet
do 200000000 próbek w każdym
kanale oraz umożliwiają rejestrację
do 400000 przebiegów na sekun-
dę. Przyrządy dostępne amatorom
jak zwykle odstają znacznie od
aktualnej czołówki. Typowy oscy-
loskop DSO do zastosowań hobby-
stycznych posiada rekord akwizycji
o długości do kilku tysięcy próbek
i rejestruje w najlepszym wypadku
do 100…200 przebiegów w ciągu
sekundy.
Andrzej Kamieniecki,
Tespol
cji. Oznacza to obserwację bada-
nego sygnału przez odpowiednio
315 lub 670 ms podczas każdej
sekundy pomiaru. Jest to jednak
okupione znaczącym spadkiem czę-
stotliwości próbkowania. Wszystko
zatem zależy od charakteru wystę-
pujących zakłóceń. Jeśli będą wy-
stępować losowo i sporadycznie to
prawdopodobieństwo ich wykrycia
będzie znacząco większe dla pierw-
szego ze wspomnianych w przykła-
dzie przyrządów. Jeżeli jednak sze-
rokość impulsów zakłócających bę-
dzie mała, ale występowanie częst-
sze to bardziej prawdopodobne jest
ich wykrycie przyrządem drugim.
Podawana w katalogu długość
rekordu akwizycji nie oznacza, że
oscyloskop będzie rejestrował w po-
jedynczym wyzwoleniu tyle próbek,
na ile pozwala pojemność pamięci.
Dla przykładu jeden z obecnych na
naszym rynku oscyloskopów wypo-
sażony w pamięć 4000 próbek, dla
dwóch najkrótszych podstaw czasu
1 ns/dz. i 2 ns/dz. rejestruje zaled-
wie... 40 punktów. W takim przy-
padku 99% pamięci jest niewyko-
rzystane. Dlaczego tak się dzieje?
Czas akwizycji t A jest proporcjo-
nalny do długości rekordu N oraz
odwrotnie proporcjonalny do czę-
stotliwości próbkowania f S :
t
N
A
f
S
Dla rozpatrywanego modelu czas
akwizycji jest 20 lub 40 razy dłuż-
szy od podstawy czasu, w zależ-
ności od nastaw. Przykładowo dla
62
Elektronika Praktyczna 3/2007
681976663.044.png 681976663.045.png 681976663.046.png
Zgłoś jeśli naruszono regulamin