Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka. cz. 9, Elektronika, Pomiary oscyloskopowe okiem praktyka
[ Pobierz całość w formacie 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.
78
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
79
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
a)
b)
Rys. 49.
80
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.
R
E
K
L
A
M
A
Elektronika Praktyczna 9/2007
81
[ Pobierz całość w formacie PDF ]