Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 11.pdf

POMIARY

Pomiary oscyloskopowe:

okiem praktyka, część 11

Kolejny odcinek cyklu

poświęcamy omówieniu

najczęściej stosowanych

trybów pracy układu

akwizycji mierzonego

sygnału.

Tryby pracy układu

akwizycji

Skończony rozmiar re-

kordu akwizycji oscylo-

skopu cyfrowego powo-

duje, że wraz z wydłu-

żeniem podstawy czasu,

zapamiętanych może być

mniej próbek niż to wy-

nika z maksymalnej czę-

stotliwości próbkowania

przyrządu. Dłuższa pod-

stawa czasu to dłuższy

okres rejestracji przebie-

gu, w którym przetwornik

dostarczy więcej próbek.

Nie wszystkie będą mogły

być zapisane w pamięci.

To czy nadmiarowe prób-

ki zostaną w ogóle wy-

korzystane, a jeśli tak, to

w jaki sposób, uzależnione

jest od wybranego trybu

pracy układu akwizycji.

Każdy z nich wiąże się

z nieco odmiennymi moż-

liwościami pomiarowymi.

Do najbardziej znanych

należą: próbkowanie, de-

tekcja wartości ekstremal-

nych oraz uśrednianie.

W dalszej części tego od-

cinka przedstawione są

także inne rodzaje reje-

stracji przebiegów.

waniem nie realizuje nic

szczególnego. Do pamię-

ci traﬁa zawsze pierwsza

próbka, jaka zostanie do-

starczona w danym inter-

wale. Pozostałe są igno-

rowane, aż do pierwszej

próbki kolejnego inter-

wału zapisu. Odrzucenie

części próbek nazywa się

decymacją, dlatego ten

tryb pracy określa się też

jako simple decimation .

W przeważającej części

oscyloskopów cyfrowych

jest to tryb domyślny. Re-

kord można skompletować

na podstawie pojedynczej

rejestracji.

Tryb próbkowania ma

taką wadę, że przy dłu-

gich podstawach czasu

i krótkim rekordzie ob-

serwuje się aliasing, jak

to było przedstawione na

rys. 10 w części 4 cyklu.

Związane jest to z tym,

że zapisywane próbki

odpowiadają małej czę-

stotliwości próbkowania.

Rozwiązaniem może być

dłuższy rekord akwizy-

cji, wymuszający większą

częstotliwość próbkowania

lub zastosowanie inne-

go trybu akwizycji, np.

z detekcją wartości szczy-

towej.

Jedną z odmian trybu

próbkowania jest losowy

wybór próbki w każdym

interwale zapisu. Pozwala

to skutecznie wyelimino-

wać aliasing, a zauważmy,

że oscyloskop cyfrowy nie

posiada ﬁltru antyaliasin-

gowego, o przełączanym

wraz z podstawą czasu

paśmie. Autorem tego po-

mysłu był Matt Holcomb

z Hewlett–Packard, a ze

względu na ochronę pa-

tentową jest to implemen-

tacja spotykana wyłącznie

w produktach tej ﬁrmy

(obecnie Agilent).

Tryb detekcji

wartości szczytowej

( peak detect )

Do pamięci zapisuje

się pary próbek o wartości

minimalnej i maksymalnej,

jakie występują w danym

interwale zapisu. W rezul-

tacie, zamiast jednej otrzy-

mujemy dwie próbki o eks-

tremalnych wartościach.

Ponieważ zapis pary pró-

bek wymaga dwukrotnie

większej pamięci, jedną

z odmian jest zapisywa-

nie naprzemienne w kolej-

nych interwałach próbek

o wartościach minimalnych

i maksymalnych. Dla dłu-

gich podstaw czasu, każdy

punkt w rekordzie akwizy-

cji tworzony jest na pod-

stawie wszystkich próbek,

pobieranych z maksymalną

częstotliwością. Dlatego

tryb detekcji wartości eks-

tremalnych umożliwia wy-

eliminowanie aliasingu.

Próbkowanie ( sample )

Okres, co jaki kolejne

próbki będą zapisywane,

nazywany jest interwałem

zapisu. Przy wydłużaniu

podstawy czasu, prze-

twornik będzie dostarczał

w danym interwale coraz

więcej próbek. Tryb reje-

stracji z prostym próbko-

Elektronika Praktyczna 11/2007

POMIARY

Rys. 59.

Zgodnie z nazwą, tryb

ten przeznaczony jest prze-

de wszystkim do wychwy-

tywania krótkotrwałych

zaburzeń i tzw. szpilek,

których czas trwania jest

krótszy od interwału zapi-

su. Najkrótsze zakłócenia,

jakie można zarejestrować,

wynikają z odległości po-

między próbkami pobie-

ranym przy maksymalnej

częstotliwości. Dla przykła-

du, na rys. 58 przedsta-

wiono ten sam sygnał za-

rejestrowany przy pojedyn-

czym wyzwoleniu w trybie

próbkowania (a) oraz de-

tekcji wartości szczytowych

(b). Źródłem sygnału był

obwód różniczkujący prze-

bieg prostokątny. Uzyskano

go przez przełączenie im-

pedancji toru pomiarowego

na 50 � i podłączenie son-

dy biernej RC z podziałem

1:10. Uzyskany w ten spo-

sób dzielnik rezystorowy

1:180000 praktycznie nie

przenosi sygnału, który

przedostaje się do wejścia

przyrządu przez pojem-

ność kompensującą w gro-

cie sondy. Sondę zapięto

do wyjścia wewnętrznego

kalibratora. Przy każdym

zboczu sygnału prosto-

kątnego powinniśmy ob-

serwować wąską szpilkę.

Tymczasem, w trybie sam-

ple , występują one niere-

gularnie i dodatkowo mają

różną amplitudę. Wynika

to stąd, że sygnał prosto-

kątny na wejściu sondy

nie jest w żaden sposób

skorelowany z zegarem

taktującym próbkowanie.

W efekcie, pierwsza próbka

interwału akwizycji traﬁa,

o ile w ogóle, w przypadko-

wy fragment wąskiej szpil-

ki. Inaczej sytuacja wyglą-

da przy detekcji wartości

szczytowej. Tu wszystkie

impulsy szpilkowe są re-

jestrowane i widzimy ich

prawidłową amplitudę.

Rys. 58.

Tryb wysokiej

rozdzielczości

( Hi Res, ERes,

smoothing )

Próbki dostarczane

z przetwornika są uśred-

niane w każdym interwale

zapisu. W efekcie uzyskuje

się wynik o większej roz-

dzielczości. W praktycz-

nych rozwiązaniach uzy-

skać można w ten sposób

maksymalną rozdzielczość

rzędu 13…14 bitów.

Zwiększenie rozdziel-

czości wiąże się jednak

z zawężeniem pasma po-

miarowego. Dla przykła-

du, w oscyloskopie klasy

TDS5000 uzyskuje się na-

wet do 15 bitów rozdziel-

czości, jednak odpowia-

da temu pasmo jedynie

55 kHz (przy standardowej

długości rekordu).

R E K L A M A

Tryb obwiedni

( envelope )

Rekord tworzony jest

na podstawie kilku cykli

akwizycji (liczbę określa

Elektronika Praktyczna 11/2007

POMIARY

Rys. 60.

użytkownik), z których

każdy został przeprowa-

dzony w trybie detekcji

wartości szczytowej. Dla

jednej tylko obwiedni

tryb ten jest podobny do

akwizycji z detekcją war-

tości ekstremalnych.

Zastosowanie takiego

rodzaju akwizycji to np.

obserwacja sygnałów zmo-

dulowanych amplitudowo,

gdzie nie interesuje nas

obserwacja nośnej, ale

właśnie obwiednia sygna-

łu. Użyteczny też bywa

w przypadku obserwacji

jittera sygnałów zegaro-

wych. Na rys. 59 przed-

stawiono rezultat pomiaru

sygnału zmodulowanego

przy akwizycji z obwied-

nią.

liczby uśrednień. Oczy-

wiście, aby zastosowanie

tego trybu miało sens sy-

gnał powinien być powta-

rzalny. Przykład przedsta-

wiono na rys. 60 : górny

przebieg zarejestrowano

w trybie sample , dolny

z wykorzystaniem uśred-

niania 32x.

Tryb uśredniania redu-

kuje w znacznym stopniu

zakłócenia o charakterze

przypadkowym, takie jak

szum. Jednocześnie należy

pamiętać, że w przypad-

ku występowania chwi-

lowych zakłóceń sygnału

zostaną one uśrednione

z sygnałem niezakłóconym

i mogą być niewidoczne.

Przypadkowe zakłócenia

w połączeniu z trybem

uśredniania fałszują rze-

czywisty kształt przebie-

gu. Uśrednianiu w dzie-

dzinie czasu odpowiada

ﬁltrowanie w dziedzinie

częstotliwości. Pasmo ﬁl-

trowania jest tym węższe,

im więcej cykli rejestracji

objętych jest uśrednia-

niem. Tryb uśredniania

można wykorzystać przy

dokładnym pomiarze na-

pięć stałych za pomocą

oscyloskopu.

Tryb uśredniania

( average )

Przebieg widoczny na

ekranie jest wynikiem

uśredniania wielu kolej-

nych rejestracji (liczba

określana przez użytkow-

nika), z których każda zo-

stała wykonana w trybie

próbkowania. Po pierwszej

akwizycji rekord jest zapi-

sany pobranymi próbkami,

a na ekranie widać wynik

pojedynczego cyklu reje-

stracji. Próbki pobierane

w drugim cyklu nie nad-

pisują poprzednich war-

tości w rekordzie, ale są

z nimi uśredniane. Działa-

nie takie jest powtarzane,

aż do osiągnięcia zadanej

ELEKTRONIKA. TECHNIKA. INNOWACJE.

• Elektronika do domu,

biura,warsztatu,ogrodu

oraz dla hobbystów!

NOWY katalog G¸ÓWNY 2008 na www.conrad.pl

lub pod numerem telefonu 022 627 80 80

Baza danych

przebiegu ( waveform

database )

Ten tryb akwizycji

stosowany jest w niektó-

rych oscyloskopach ﬁrmy

Tektronix. Kolejne reje-

Elektronika Praktyczna 11/2007

POMIARY

Rys. 61.

stracje zapisywane są do

pamięci tworzącej bazę

danych. Typowo ma ona

rozmiar 500×200 punk-

tów. Ponieważ każdy

punkt ma 8 bajtową re-

prezentację, zatem trzeci

wymiar bazy to 64 bity.

Dla każdej zarejestrowa-

nej próbki określone jest

jej położenie w osi czasu

i amplitudy oraz to, ile

razy wystąpiła w danym

miejscu (aż do 2 64 ). Ma

to zastosowanie np. przy

pomiarach tzw. diagra-

mów oka, czy generacji

histogramów. Obraz na

ekranie jest odwzorowa-

ny z gradientem kolorów.

Ponieważ baza danych

jest trójwymiarowa, więc

kolor danego punktu od-

zwierciedla, jak dużo

próbek w kolejnych re-

jestracjach ma właśnie

takie współrzędne czasu

i amplitudy.

W rzeczywistości na same

dane pomiarowe prze-

znaczonych jest tylko 19

bitów. Na tej podstawie

tworzona jest pamięć ob-

razu w postaci mapy bi-

towej. Na gradient koloru

przeznaczone są 4 bity,

co umożliwia uzyskanie

16 odcieni. Zawartość pa-

mięci obrazu jest uaktual-

niana około 30…60 razy

w ciągu sekundy, podczas

gdy liczba rejestracji wy-

konanych w tym czasie

jest rzędu nawet kilkuset

tysięcy. Przykład wyko-

rzystania trybu DPO przy

obserwacji sygnału wizyj-

nego przedstawiono na

rys. 61 . Na obraz otrzy-

mywany w tym trybie

pracy należy patrzeć jak

na mapę, która za po-

mocą poziomic odzwier-

ciedla na płaszczyźnie

rzeczywiste, trójwymiaro-

we ukształtowanie tere-

nu. Dane przebiegu reje-

strowanego w trybie DPO

mogą być eksportowane

do zewnętrznych progra-

mów kalkulacyjnych i tam

odtworzone na wykresach

trójwymiarowych (np.

w Mathcad).

Szybka akwizycja

DPO ( fast

acquisition )

Tryb stosowany wy-

łączne w przyrządach ﬁr-

my Tektronix. Głównym

jego atutem jest możli-

wość wykonywania bar-

dzo wielu rejestracji

w jednostce czasu. Praca

w tym trybie polega na

zapisywaniu wyników ko-

lejnych rejestracji w bazie

danych przebiegu o roz-

miarze 500×200 punk-

tów i głębokości 21 bitów.

Segmentacja pamięci

Pamięć akwizycji za-

miast tworzyć jeden długi

rekord może być podzie-

lona na krótsze odcinki.

Pozwala to na wykonanie

serii szybko następują-

cych po sobie rejestracji

Elektronika Praktyczna 11/2007

POMIARY

oraz zachowanie wyniku

każdej z nich w pamięci

oscyloskopu. Tryb ten

może być wykorzystywa-

ny np. wtedy, gdy zacho-

dzi potrzeba zarejestro-

wania zdarzeń, pomiędzy

którymi kształt przebie-

gu jest nieistotny i nie

musi zajmować miejsca

w pamięci. Umożliwia to

bardziej efektywne wy-

korzystanie dostępnych

zasobów. Jednocześnie,

krótsze odcinki przebiegu

mogą być rejestrowane

z większą częstotliwoś-

cią, niż miałoby to miej-

sce w przypadku długich

przedziałów, obejmują-

cych nieistotne fragmen-

ty przebiegu. Określenia

takiego sposobu akwizy-

cji są różne, w zależności

od producenta. Tektro-

nix określa go jako fast

frame . Yokogawa stosuje

nazwę N Single Mode .

Przedstawiona poprzednio

akwizycja z bazą danych

przebiegu układa jakby

kolejne akwizycje piętro-

wo na sobie. Z kolei seg-

mentacja pamięci układa

je jedna za drugą na od-

cinku określonym całko-

witą długością dostępnej

pamięci.

nu. Przy podstawie rzę-

du kilku–kilkunastu s/dz,

oś czasu ekranu obej-

muje odcinek o długości

nawet kilku minut. Oczy-

wiście odświeżanie tre-

ści obrazu co tak długi

czas jest niepraktyczne.

Zbyt długi czas oczeki-

wania na pojawienie się

przebiegu sugeruje uszko-

dzenie przyrządu. Dlate-

go, dla długich podstaw

czasu stosowana jest tzw.

płynąca podstawa czasu.

Uaktualnienie treści obra-

zu nie odbywa się do-

piero po zapisaniu całego

rekordu ale sukcesywnie,

w miarę jego zapisywania.

Przebieg jest na ekranie

przesuwany od lewej do

prawej krawędzi. Na tym

właśnie polega tryb prze-

wijania. W wielu oscylo-

skopach tryb roll mode

włącza się automatycznie,

jeśli tylko podstawę cza-

su ustawiono odpowied-

nio długą. W trybie tym

podstawa czasu nie jest

wyzwalana ( free run ).

Przy pomiarach z dłu-

gimi podstawami czasu

należy pamiętać, że dra-

stycznie maleje częstotli-

wość próbkowania, a więc

i pasmo ulega istotnemu

zawężeniu (nawet do kil-

ku czy kilkunastu Hz).

Warto rozważyć stosowa-

nie w trybie przewijania

detekcji wartości szczyto-

wych.

Andrzej Kamieniecki

Tryb przewijania

( roll mode )

Dla długich pod-

staw, czas zapisu rekor-

du jest również długi.

To samo dotyczy od-

świeżania treści ekra-

R E K L A M A

Elektronika Praktyczna 11/2007

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: