Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 9.pdf

POMIARY

Pomiary oscyloskopowe:

okiem praktyka, część 9

W kolejnej części praktycznego

poradnika dla użytkowników

oscyloskopów cyfrowych

skupiamy się na pomiarach

automatycznych, w których sporą

liczbę są obecnie wyposażane

także ich najtańsze modele.

Wiarygodność i dokładność

uzyskiwanych wyników dość

często (nadal!) zależy od

użytkownika, warto więc

zapoznać się z poradami

doświadczonego praktyka, jakim

jest autor cyklu.

Pomiary automatyczne

Nieocenionym ułatwieniem pra-

cy z oscyloskopem cyfrowym są

pomiary automatyczne. Pozwalają

na bezpośredni odczyt mierzonych

wielkości. Pomiar parametrów cza-

sowych i amplitudowych sygnału

jest już standardowym wyposaże-

niem, nawet w najprostszych przy-

rządach. Coraz popularniejsze jest

wyposażanie oscyloskopu w progra-

my dedykowane konkretnej apli-

kacji. Często za pomocą jednego

przycisku uruchomić można skom-

plikowane testy. Takie ułatwienia

wymagają jednak krytycznej oceny

uzyskanego wyniku.

Oscyloskopy analogowe pozwa-

lały na ekranie lampy obserwować

głównie przebieg sygnału badanego.

Bardziej zaawansowane konstrukcje

wyposażano w wyświetlanie aktual-

nej skali. Aby cokolwiek zmierzyć,

należało najpierw uzyskać stabil-

ny obraz. W tym celu trzeba było

zmienić ustawienia wielu elemen-

tów regulacyjnych. Wartość mie-

rzona była obliczana na podstawie

wykreślonego przebiegu i ustawień

skali. Dodatkowo należało określić

jednostkę otrzymanego wyniku.

Taki pomiar wymagał na każdym

etapie świadomego udziału użyt-

kownika.

Jednak nie wszystkie pomiary są

na tyle elementarne, aby można je

wykonać w ten sposób. Na rys. 44

przedstawiono aplikację pomiarów

mocy, uruchomioną w oscyloskopie

DPO7000. Przebiegi żółty i niebie-

ski są efektem pomiaru odpowied-

nio napięcia i prądu w tranzystorze

kluczującym zasilacza impulsowe-

go. Przebieg pomarańczowy repre-

zentuje zmiany mocy wydzielanej

w obwodzie. Jest on generowany

automatycznie przez przyrząd na

podstawie danych pomiarowych.

Ponadto, w tabeli poniżej ekranu

widoczne są wyniki pomiaru strat

mocy (i energii) przy włączaniu

i wyłączaniu tranzystora. Podane

są wartości minimalne, maksy-

malne i średnie dla jednego cyklu

włączenia i wyłączenia oraz uśred-

niony wynik dla całego przebiegu.

Ręczne obliczenie tych wartości

na podstawie

przebiegów

z oscyloskopu

analogowego

jest bardzo

czasochłonne.

Za pomocą

pomiarów au-

tomatycznych

wynik uzy-

skujemy pra-

wie natych-

miast. Dodat-

kowo, wy-

świetlany jest

on z uwzględ-

nieniem od-

powiednich

jednostek.

Ułatwienie to odbywa się jednak

kosztem naszego świadomego wkła-

du w proces pomiaru.

W najprostszej wersji automa-

tyka pomiarów obejmuje zestaw

najbardziej popularnych wielkości.

Użytkownik ma możliwość wybo-

ru przebiegu źródłowego oraz ro-

dzaju pomiaru. Sposób obliczania

wyświetlanego przez przyrząd wy-

niku często pozostaje niewiadomą.

Szczegóły tworzonych przez infor-

matyków aplikacji do automatyzacji

pomiarów nie zawsze mają uza-

sadnienie czy sens ﬁzyczny. Dla

przykładu, jeden ze współczesnych

oscyloskopów średniej klasy wy-

posażono w automatyczny pomiar

fazy pomiędzy dwoma przebiega-

Rys. 44.

Elektronika Praktyczna 9/2007

POMIARY

Rys. 45.

mi. Wynik podawany jest

z rozdzielczością trzech

miejsc po przecinku, na-

wet wówczas, gdy rekord

akwizycji ograniczony jest

do zaledwie 500 próbek.

Załóżmy, że w takich wa-

runkach rejestrujemy dwa

pełne okresy przebiegów.

Na jeden okres (360°)

przypadnie 250 punktów.

Odległości pomiędzy ko-

lejnymi dwoma próbkami

rekordu odpowiada pra-

wie 1,5°. Nie bez znacze-

nia będzie też dokładność

wyzwalania. Oferowa-

na rozdzielczość wyniku

jest mocno przesadzona.

W jednym z obecnie pro-

dukowanych oscyloskopów

skalę pionową dla analizy

widmowej, możemy zmie-

niać nawet od 10 –24 do

10 18 dB! Pomijając dziwny

zapis jednostek np. mdBm

czy GdB, ﬁzyczny sens

jest conajmniej tajemni-

czy. Podobnie jak usta-

wienie skali poziomej na

np. 200 GHz/dz.

Załóżmy, że chce-

my zmierzyć amplitudę

zaszumionego sygnału.

Włączenie pomiaru au-

tomatycznego da nam

oczywiście jakiś wynik.

Pozostaje jednak pyta-

nie jak został obliczony.

Najprawdopodobniej jako

różnica pomiędzy górnym

a dolnym poziomem od-

niesienia. Z kolei poziomy

odniesienia dla pomia-

rów automatycznych wy-

znaczane bywają różnie.

W oscyloskopach wyższej

klasy użytkownik ma na-

wet możliwość ich samo-

dzielnego zdeﬁniowania.

Dokumentacja oscylosko-

pów z dolnej półki, naj-

częściej nie zawiera, nie-

stety, żadnych informacji

na ten temat. Spójrzmy

na rys. 45 . Przedstawia

ELEKTRONIKA. TECHNIKA. INNOWACJE.

• Elektronika do domu,

biura,warsztatu,ogrodu

oraz dla hobbystów!

Rys. 46.

Zamów darmowy katalog na www . conrad . pl

lub pod numerem telefonu 022 627 80 80

Elektronika Praktyczna 9/2007

POMIARY

Ref i LowRef ).

Niestety, nie każ-

dy oscyloskop

pozwoli uzyskać

taką informację,

a tym bardziej

zadawać sposób

wyznaczania po-

ziomów odniesie-

nia.

sowania przebiegów matematycznych

przedstawiono na rys. 47 . Przebieg

prostokątny zarejestrowany w kanale

pierwszym (kolor żółty) poddany

został operacji całkowania (kolor

czerwony) oraz różniczkowania (ko-

lor niebieski). Zarejestrowany prze-

bieg można poddać dalszej analizie

w programach kalkulacyjnych takich

jak np. Mathcad, niemniej edytory

wyrażeń matematycznych, dostępne

w oscyloskopach wyższych klas, po-

zwalają zdeﬁniować nawet bardzo

skomplikowane działania na przebie-

gach.

Do niedawna analiza widmo-

wa w oscyloskopie cyfrowym była

dodatkową opcją. Obecnie raczej

trudno spotkać się z brakiem FFT

w zestawie standardowych funkcji

przyrządu. Funkcjonalność analizy

widmowej w oscyloskopie cyfrowym

jest jednak mocno ograniczona. Nie

należy się spodziewać, że kupując

oscyloskop wyposażony w tę funk-

cję, otrzymamy, niejako przy okazji,

dodatkowy przyrząd: analizator wid-

ma. Możliwości pomiarowe są jak

dotąd w obu przypadkach nieporów-

nywalne. Stosowane w oscyloskopach

Rys. 47.

Częstym ogra-

niczeniem po-

miarów automa-

tycznych jest to,

jak wiele z nich

może być wy-

konanych jed-

nocześnie. Ła-

two sprawdzić

w dokumentacji,

że dostępnych

jest więcej po-

miarów niż może

być wykonywa-

nych w tym sa-

mym czasie. Do-

datkowo, więcej

włączonych po-

miarów oznacza także zmniejsze-

nie ilości wykonywanych rejestracji

przebiegu. Wynika to

stąd, że pomiary nie

są realizowane przez

dedykowany hardwa-

re ale programowo.

Ograniczeniem jest do-

puszczalne obciążenie

systemu operacyjnego,

zwłaszcza, jeśli wiąże

się to z przeliczaniem

dużej ilości próbek.

Włączenie wielu po-

miarów automatycz-

nych w oscyloskopie

z długim rekordem

akwizycji, znaczą-

co spowalnia reakcję

przyrządu na zmianę

nastaw.

Bardziej zawansowa-

nym rodzajem pomia-

rów automatycznych

są operacje matema-

tyczne na przebiegach.

W ich wyniku można

wygenerować dodat-

kowe tzw. przebiegi

matematyczne. Podsta-

wowy zestaw przebie-

gów matematycznych

obejmuje dodawanie

i odejmowanie, czasem

także mnożenie i dzie-

lenie. Przykład zasto-

Rys. 48.

on wynik pomiaru amplitudy za-

szumionego przebiegu prostokątne-

go. Pomiar wykonano oscylosko-

pem Tektronix TDS5032B. Wartość

zmierzonej w sposób automatyczny

amplitudy wynosi 19,2 mV. Na

tym samym ekranie przedstawio-

ny jest pionowy histogram rekordu

akwizycji. W miejscach maksymal-

nych wartości histogramu umiesz-

czono dwa kursory. Różnica pozio-

mów pomiędzy kursorami wynosi

także 19,2 mV. Nie jest to przypa-

dek, gdyż domyślnie, dolny i górny

poziom odniesienia dla pomiarów

amplitudowych, wyznaczany tu

jest na podstawie histogramu. Dla

prostych przyrządów mamy jedy-

nie informację o ilości dostępnych

pomiarów, nie zaś o sposobie ich

realizacji.

Niektóre oscyloskopy oferują moż-

liwość szybkiego wykonania całej

serii pomiarów, które mogą odnosić

się do danego przebiegu. Jako przy-

kład, na rys. 46 przedstawiono re-

zultat wciśnięcia przycisku snapshot

w oscyloskopie serii TDS5000. W po-

lu Measurement context znajduje się

informacja, że poziomy odniesienia

dla pomiarów amplitudowych ( base

i top ) wyznaczono metodą histo-

gramową. Pomiar czasów narostu

i opadania zboczy wykonano pomię-

dzy 10% a 90% wartości ustalonej

przebiegu ( poziomy odniesienia High

Rys. 49.

Elektronika Praktyczna 9/2007

POMIARY

Rys. 50.

Ponadto, nie zawsze

jest on dostępny w po-

staci danych. Zdarza

się, że nawet średniej

klasy oscyloskopy ofe-

rują FFT jedynie jako

obraz na ekranie.

Analiza widmowa

pozwoli np. szybko

ustalić źródło zakłó-

ceń w badanym pro-

totypie. Spójrzmy na

rys. 50 . Na podstawie

przebiegu w dziedzinie

czasu trudno ocenić,

co może powodować

szumy w układzie. Wi-

doczna poniżej analiza

w dziedzinie częstotli-

wości pozwala ziden-

tyﬁkować częstotliwość

źródła zakłóceń. W tym

konkretnym przypad-

ku łatwo było znaleźć

winowajcę, którym

okazała się pracująca

właśnie z częstotliwoś-

cią 250 kHz przetwor-

nica DC/DC. Niestety

bardziej wyszukane

pomiary za pomocą

oscyloskopowej funk-

cji FFT nie są już tak

proste,

o ile w ogóle możliwe.

Widmo sygnału o czę-

stotliwości 10 MHz,

modulowanego am-

plitudowo sygnałem

15 kHz jest widoczne

na rys. 51 . Pomiar wy-

konano oscyloskopem

TDS5032B. Rozróżnie-

nie nośnej od wstęg

bocznych było jeszcze

możliwe, choć czas

pomiaru był nieporównywalnie dłuż-

szy niż w przypadku nawet prostego

analizatora widma. Zmiana często-

tliwości sygnału modulującego na

np. 1 kHz nie pozwoli już niestety

ustawić na tyle wąskiej rozdzielczo-

ści częstotliwości RBW, aby wstę-

gi boczne nie zlewały się z nośną.

O przeprowadzeniu takiego pomiaru

za pomocą FFT w najtańszych mo-

delach można raczej zapomnieć.

Ciekawą odmianą analizy wid-

mowej jest aplikacja UWB, dostępna

dla niektórych oscyloskopów ﬁrmy

Tektronix. Pozwala ona wykonywać

FFT na tyle szybko, że możliwa

jest praca w czasie rzeczywistym.

Nie jest oczywiście tak zaawanso-

wana jak specjalizowane analizatory

widma czasu rzeczywistego, ale od

zwykłej funkcji FFT prostych oscy-

loskopów cyfrowych dzieli ją cała

epoka. Przykład zastosowania jest

widoczny na rys. 52 . Zmiany syg-

nału w dziedzinie czasu widoczne

są w górnym okienku. Poniżej, z le-

wej strony widzimy jak zmienia się

w czasie częstotliwość zaznaczonego

fragmentu sygnału. Kształt aktualne-

go widma widoczny jest po stronie

prawej.

Andrzej Kamieniecki

Rys. 51.

przetworniki analogowo–cyfrowe są

8–bitowe. Analizatory widma, nawet

niespecjalnie wyraﬁnowane, wypo-

sażone są w przetworniki najmniej

12–bitowe. To poważne ogranicze-

nie dynamiki mierzonych sygna-

łów. Stosowanie uśredniania w celu

zwiększenia rozdzielczości znacząco

wydłuża czas pomiaru, a przy okazji

ﬁltruje badany sygnał.

Dostępne dla użytkownika ele-

menty regulacyjne to zazwyczaj je-

dynie typ okna i podziałka skali.

Na rys. 48 przedstawiono bardziej

zaawansowane nastawy dotyczące

analizy widmowej w oscyloskopie

klasy TDS5000. Implementacja FFT

w konkretnych modelach różni się

znacząco. Danymi wejściowymi dla

algorytmu FFT są próbki zapisane

w rekordzie akwizycji. Długość re-

kordu określa możliwą do uzyskania

rozdzielczość w dziedzinie częstotli-

wości. Na rys. 49 przedstawione jest

widmo tego samego sygnału, zmie-

rzone tym samym oscyloskopem, dla

rekordu 10.000 (a) oraz 500 (b) pró-

bek. Dla takiej samej długości rekor-

du akwizycji, długość wyjściowego

rekordu FFT też bywa niejednakowa.

Rys. 52.

Elektronika Praktyczna 9/2007

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: