Meritve v časovnem prostoru-osciloskop

Transcript

1 Poglavje 6 Merive v časovnem prosoru-osciloskop Dandanes velja osciloskop za najbolj vsesranski splošni elekronski merilni insrumen, ki je na razpolago za znansveno raziskovanje. V razvoju elekronskih insrumenov je osciloskop odigral najpomembnejšo vlogo s em, da je omogočal opazovanje časovnega poeka nekega pojava, obenem z merivijo njegove velikosi. Čeprav so galvanomeri in osali mehanski insrumeni, zmožni kazai dinamične pojave, obsajali že davno prej, so bili o vendar le insrumeni s počasnim odzivom. William Crookes je lea 1897 pokazal, da je z magneom možno odklanjai kaodne žarke v elekronski cevi. Že prej pa so s kaodnimi žarki izzvali fosforescence na seklenem zaslonu elekronske cevi, področja fosforescence pa so konrolirali z uporabo oblikovalnih mask. Cev, ki je vsebovala elemene za fokusiranje elekronskega snopa, ki je vpadal na fosforescenno arčo, je posala znana pod imenom Crookes-ova cev. Ta cev je pozneje dobila ime kaodna cev (Cahode Ray Tube, CRT). Karl F. Braun je lea 1879 s Crookes-ovo cevjo zgradil napravo, ki je bila prvi predhodnik današnjega osciloskopa. Osciloskop je insrumen, ki naj prikaže svelobni xy graf poljubnega vira elekričnih signalov, signal x je priključen na vhod horizonalnega odklonskega sisema in signal y na vhod verikalnega odklonskega sisema. Inenzivnos snopa upravljamo, oziroma moduliramo na vhodu sisema z. V zadnjih leih pa se je definicija osciloskopa spremenila ako, da je a insrumen prvensveno namenjen za prikaz signalov verikalne osi (osi y). Današnji laboraorijski osciloskop je orej merilni insrumen za analizo elekričnih signalov v časovnem prosoru. Funkcija osciloskopa je, da zajame, prikaže in analizira obliko elekričnega signala v časovnem prosoru. Običajno se osciloskop uporablja le za prvi dve funkciji, analiza signala pa osane inženirju ali ehniku, le manjši del analize se izvrši s pomočjo nasavive insrumenovih komand. Nekaeri osciloskopi pa so danes že zmožni kompleksnejših analiz podakov, rezulai so predsavljeni v digialni obliki, drugi pa so v povezavi z računalnikom zmožni najrazličnejših obdelav podakov. 73

2 74 6. Merive v časovnem prosoru-osciloskop 6.1 Analogni osciloskop Osciloskop je sesavljen iz naslednjih glavnih eno: 1. Slikovni del-zaslon (kaodna cev) 2. Verikalni ojačevalnik (obenem s sondo ali prevornikom za elekrični signal) 3. Časovna baza 4. Horizonalni ojačevalnik 5. Sinhronizacijsko vezje (da začne vsak prele v želenem renuku opazovanega signala) 6. Zaporni ojačevalnik (vklaplja oziroma izklaplja elekronski snop) 7. Napajalniki. VHOD SIGNALA A VERTIKALNI OJAÈEVALNIK NAPAJALNIKI ZAPORNI OJAÈEVALNIK KATODNA CEV ZUNANJI SINHRONIZA- CIJSKI VHOD SINHRONIZA- CIJSKO VEZJE ÈASOVNA BAZA ZUNANJI HORIZONTALNI VHOD HORIZONTALNI OJAÈEVALNIK Slika 6.1: Blok shema osciloskopa Laboraorijske osciloskope klasificiramo na različne načine. Glede na frekvenčni odgovor jih delimo na nizkofrekvenčne (do 10 MHz) in visokofrekvenčne (včasih s časom vzpona pod 1 ns) in vzorčne osciloskope (s kaerimi lahko opazujemo periodične signale do 18 GHz). Glede na karakerisike kaodne cevi pa ločimo med osciloskopi s sandardnim fosforjem, kjer moramo sliko ohranjai in osciloskopom s spominskim zaslonom, kjer slike določen čas ni reba obnavljai, ker osane na analogen način shranjena na zaslonu.

3 6.1 Analogni osciloskop Verikalni sisem Najpomembnejše lasnosi verikalnega sisema pri osciloskopu so: ševilo kanalov odklonski fakor rejekcijski fakor čas vzpona oziroma mejna frekvenca. Pri frekvenčnem odgovoru osciloskopa podajo izdelovalci običajno zgornjo frekvenčno mejo, o je frekvenco, pri kaeri pada občuljivos osciloskopa za 3 db pod občuljivos za enosmerni signal. Ker uporabljamo osciloskop zelo pogoso za analizo impulzov, pa je pomembno vedei čas vzpona osciloskopa in njegov vpliv na opazovani čas vzpona impulza. Čas vzpona impulza je definiran ko čas, ki je poreben, da se impulz vzpne od 10% do 90% svoje končne vrednosi. Večina ojačevalnikov za osciloskope je grajena ako, da najmanj popačujejo impulze (prevzpon in zvonjenje je maksimalno 2%). Zvezo med pasovno širino in časom vzpona impulza τ r lahko zapišemo B = K τ r (6.1) kjer je K konsana in se giblje med 0.3 in 0.5 (0.35 je za en sam pol ojačevalnika). Če merimo čase vzpona, ki so blizu času vzpona osciloskopa, nasopi napaka, ki jo moramo kompenzirai. Velja τ rd = τrs 2 + τr0 2 (6.2) kjer je τ rd skupni čas vzpona, ki ga opazujemo na zaslonu osciloskopa τ rs čas vzpona signala τ r0 čas vzpona osciloskopa. Torej je čas vzpona signala τ rs = τ 2 rd τ 2 r0. (6.3) Ponazorimo si s primerom; osciloskop naj ima podan čas vzpona 10 ns, na zaslonu osciloskopa pa opazujemo 18 ns, edaj je dejanski čas vzpona signala enak 15 ns, če pa bi bil opazovani čas vzpona 13 ns, bi bil čas vzpona signala približno 8.3 ns.

4 76 6. Merive v časovnem prosoru-osciloskop Čeprav je osnovna zgradba pri nizkofrekvenčnih (DC-10 MHz) in visokofrekvenčnih (nad 10 MHz do 500 MHz) v glavnem enaka, pa so nizkofrekvenčni osciloskopi običajno občuljivejši (manjši odklonski fakor), u so pomembni šumni nivo plazenje (drif) rejekcijski fakor. Pri visokofrekvenčnih osciloskopih pa je pomembno: hiros pisanja kaodne cevi majhen čas vzpona dober visokofrekvenčni impulzni odziv zmožnos hire sinhronizacije. Visokofrekvenčni osciloskopi imajo v verikalnem sisemu še zakasnilno linijo, zao da lahko opazujemo začeni del signala. To je porebno zaradi zakasnive med verikalnim ojačevalnikom in časovno bazo, ki znaša okrog 50 ns. Tipičen verikalni ojačevalnik za laboraorijski osciloskop ima napeosno ojačanje 2000, na vhodu pa ima aenuaor, ki ima območje do 500:1 ali več. Če kaodna cev zaheva 20 V za delec odklona, lahko s preklapljanjem napeosi delilnika dosežemo vhodne odklonske fakorje od 10 mv na delec do 5 V na delec običajno v zaporedju 1, 2, 5, 10 id. Ojačanje je lahko precizno nasavljeno z vijačnim poenciomerom, označenim z Gain Cal. Zvezno nasaviev ojačanja omogoča poenciomeer, ki je označen z Vernier. Tipične očnosi aenuaorja so v območju ±3%. Uporabljamo kompenzirani RC napeosni delilnik zao, da dušimo enako pri vseh frekvencah (slika 6.2). Razmerje med izhodno napeosjo U o in vhodno napeosjo U i je dano z U o U i = Z 2 Z 1 + Z 2 = R 2 (1 + jωr 1 C 1 ) R 2 (1 + jωr 1 C 1 )+R 1 (1 + jωr 2 C 2 ) (6.4) Če izberemo, da dobimo R 1 C 1 = R 2 C 2 U o U i = R 2 R 1 + R 2. (6.5)

5 6.1 Analogni osciloskop 77 Vhodna upornos za večino osciloskopov je 1 MΩ±1%. Vhodna kapaciivnos pa je od 10 pf do 80 pf. C 1 U i Z 1 U o U i U o R 1 C 2 Z 2 R 2 Slika 6.2: Enosopenjski kompenzirani delilnik Slika 6.3 prikazuje izvedbo napeosnega delilnika, ki deli z 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200 in 500. Vhodna upornos je 1 MΩ, vhodna kapaciivnos pa 10 pf na vseh območjih. Nasavljivi kondenzaorji so porebni za kompenzacijo in nasaviev vhodne kapaciivnosi na vsakem območju.

6 78 6. Merive v časovnem prosoru-osciloskop VHOD SIGNALA 8.5 p 8.9 p p 900 k p 990 k 111 k 10.1 k 5p 100p 5p 8p 8-12 p 500 k p 800 k 1M 250 k VHOD OJAÈEVALNIKA 1M 10 p Slika 6.3: Tipična izvedba visokoohmskega napeosnega delilnika

7 6.1 Analogni osciloskop 79 Kaodna cev z elekrosaičnim odklonom ima dve plošči za verikalni odklon, ki sa krmiljeni proiakno. Verikalni ojačevalnik mora imei orej diferencialni oziroma proiakni izhod, vhod pa je lahko diferencialen oziroma simeričen ali pa udi nesimeričen (single ended). Slika 6.4 prikazuje diferencialni ojačevalnik s proiaknim izhodom. Za a ojačevalnik lahko definiramo proifazno ojačenje A p,kije A p = U o1 U o2 U i1 + U i2 (6.6) kjer je U o izhodna napeos, ko je definirana na sliki 6.4, napeos U i1 pa je enaka proifazni napeosi U i2 U i1 = U i2 (6.7) U i1 U i1 R E1 R B U i1 U o1 URAVNO- TEZENJE 1k R E V CC U O U U O 1 O 2 U i2 U o2 R E2 R B U i2 U i2 Slika 6.4: Diferencialni ojačevalnik s simeričnim izhodom Sofazno ojačenje je definirano kjer sa napeosi U i1 in U i2 enaki, v fazi A s = U o1 U o2 U i (6.8) U i = U i1 = U i2. (6.9) Razmerje med proifaznim in sofaznim ojačanjem imenujemo rejekcijski fakor CMRR =20log ( Ap A s ). (6.10) Ta fakor naj bo za kvaliene diferencialne ojačevalnike čim večji ( db).

8 80 6. Merive v časovnem prosoru-osciloskop Večkanalni verikalni sisemi Večkanalni verikalni sisemi so zelo korisni, saj omogočajo isočasno opazovanje in primerjanje več signalov. Običajno je horizonalna časovna skala enala za vse kanale, nasavive za ampliudo in pozicijo pa so ločene za posamezne kanale. Za isočasni prikaz dveh kanalov uporabljamo dva načina časovnega mulipleksa izmenjalni (Alernae) in sekalni (Chopped). Razmere pri izmenjalnem načinu prikazuje slika 6.5. Pri em načinu se oba verikalna ojačevalnika izmenjujea ako, da se prikaže na zaslonu najprej slika kanala 1 v času celonega prelea žarka, za drugi prele žarkapasevključi kanal 2. PRELET POVRATEK OS X KANAL 1 OS Y KANAL 2 IZKLOP ZARKA VKLOP ZARKA OS Z Slika 6.5: Razmere za dvokanalni ojačevalnik v izmenjevalnem načinu Razumljivo je, da bomo izmenjalni način uporabili za opazovanje visokofrekvenčnih pojavov, kjer je ponavljanje slike večje od 50 na sekundo, ako, da dobimo vis, da sa oba kanala isočasno vključena in da slika miruje. Kadar pa želimo opazovai počasne pojave in uporabljamo majhne hirosi prelea žarka, uporabljamo meodo sekanja. V em načinu se prvi in drugi kanal izmenjujea v krakih časovnih presledkih. Časovne razmere pri akem delovanju prikazuje slika 6.6. Dvokanalni osiloskopi nudijo še naslednje možnosi kombiniranja kanalov A in B samo kanal A (channel A)

9 6.1 Analogni osciloskop 81 OS X PRELET ZARKA POVRATEK ZARKA ZADRZEVANJE ZARKA OS Y OS Z Slika 6.6: Razmere za dvokanalni ojačevalnik pri razsekanem delovanju samo kanal B (channel B) oba kanala izmenično (Alernae) oba kanala sekano (Chop) vsoa obeh kanalov (A+B) Seševanje in odševanje obeh kanalov izvedemo s preikalom, ko kaže slika 6.7. PREDOJAÈE- VALNIK KANALA A VERTIKALNI ODKLONSKI OJAÈEVALNIK KATODNA CEV PREDOJAÈE- VALNIK KANALA B Slika 6.7: Seševanje in odševanje kanalov A in B

10 82 6. Merive v časovnem prosoru-osciloskop Horizonalni sisem Časovna baza Za časovno bazo porebujemo generaor napeosi, ki linearno narašča s časom. napeos vodimo na horizonalni odklonski sisem kaodne cevi. Tako žagaso Dobra časovna baza pokriva območje od 10 ns na delec do 5 ns na delec, s očnosjo boljšo od 3% in linearnosjo boljšo od 1%. S povečanjem ojačanja horizonalnega ojačevalnika s fakorjem 10 aka časovnabazadoseže 1 ns na delec. Vezje na sliki 6.8 generira žagaso napeos, ki je priključena diferencialno na odklonske plošče kaodne cevi. Ko napeos linearno narašča, se kondenzaor polni s konsannim okom in se pomika žarek od leve proi desni srani zaslona. Zaporni ojačevalnik vključi svelobo žarka v času prelea žarka. V času povraka žarka, ko se kondenzaor prazni, pa zaporni ojačevalnik izključi svelobo žarka. S 1 U O I C R S 1 S 2 ZAPRTO ODPRTO ODPRTO ZAPRTO S 2 U O PRELET POVRATEK Slika 6.8: Vezje za generacijo žagase napeosi Za generacijo žagase napeosi uporabimo Millerjev inegraor, ki prevarja sopničaso funkcijo v žagaso. Slika 6.9 shemasko prikazuje izvedbo Millerjevega inegraorja. Najpomembnejše elemene časovne baze prikazuje slika Enoa za proženje generira sinhronizacijske impulze ako, da iz verikalnega ojačevalnika ali pa iz zunanjega izvora vodi napeos na komparaor, ki mu lahko spreminjamo nivo proženja. Sinhronizacijski impulzi prožijo zaporni generaor (gae generaor) s kaerim krmilimo Millerjev inegraor. Ko je prele končan, se sproži Schmiov rigger, ki vrne zaporni generaor v začeno sanje po preeku zadrževalnega časa (Hold off). Običajno vključuje vezje še enoo, imenovano Auo, ki po preleu določenega časa po preleu avomasko generira sinhronizacijski signal, če ni bilo nobenega signala iz verikalnega ojačevalnika ali iz zunanjega sinhronizacijskega vhoda. Ta čas je običajno 20 ms. Tak način riše ničelno linijo na zaslonu osciloskopa, če ni verikalnega signala.

11 6.1 Analogni osciloskop 83 D 1 IZHOD ZAPORNEGA OJAÈEVALNIKA C 0 1 D R Slika 6.9: Generaor žagase napeosi EN PRELET RESET f ZADRZEVANJE PROSTOTEKOÈA BAZA e a PROZENJE b ZAPORNI c GENERATOR d AUTO SINHRONIZACIJSKI SIGNAL MILERJEV INTEGRATOR g HORIZONTALNI OJAÈEVALNIK Slika 6.10: Blok shema časovne baze Načini preleov Načine preleov lahko opredelimo na: ena časovna baza (slika 6.12) dve časovni bazi; zakasnjen način časovna zakasniev (delay sweep), slika 6.13

12 84 6. Merive v časovnem prosoru-osciloskop U NIVO PROZENJA a ZAPORNI GENERATOR OS Z RESET b c d e ZADRZEVANJE f PRELET g Slika 6.11: Časovni poeki v posameznih očkah časovne baze PROZILNI SIGNAL X VHOD Slika 6.12: Poek žagase napeosi za eno časovno bazo

13 6.1 Analogni osciloskop 85 PROZILNI SIGNAL NASTAVLJENA ZAKASNITEV GLAVNI PRELET ZAKASNJENI PRELET Slika 6.13: Poek žagasih napeosi za glavno in zakasnjeno časovno bazo

14 86 6. Merive v časovnem prosoru-osciloskop zakasniev proženja (riggerable afer delay inerval), slika 6.14 PROZILNI SIGNAL NASTAVLJENA ZAKASNITEV GLAVNI PRELET ZAKASNJENI PRELET ZAKASNITEV Slika 6.14: Poek žagasih napeosi za glavno in zakasnjeno časovno bazo s proženjem dve časovni bazi; mešalni način (mixed sweep), slika 6.15 PROZILNI SIGNAL GLAVNI PRELET ZAKASNJENI PRELET X ODKLON Slika 6.15: Poek žagase napeosi za mešani mačin

15 6.1 Analogni osciloskop 87 dve časovni bazi; preklopni način, slika 6.16 PROZILNI SIGNAL A PRELET B PRELET Slika 6.16: Prelea obeh časovnih baz Zakasnilna linija Namen zakasnilne linije je, da zakasni verikalni signal za oliko časa, da se sproži horizonalni prele žarka. Na sliki 6.17 so navedeni ipični zakasnilni časi posameznih eno osciloskopa. 0 VERTIKALNI PREDOJAÈEVALNIK 10 ns ZAKASNILNA LINIJA 160 ns VERTIKALNI ODKLONSKI OJAÈEVALNIK 40 ns +210 ns 0 SINHRONIZACIJSKI OJAÈEVALNIK 20 ns OS Y OS X +150 ns 0 TRIGGER GENERATOR 20 ns ÈASOVNA BAZA 80 ns HORIZONTALNI ODKLONSKI OJAÈEVALNIK 30 ns Slika 6.17: Zakasniev posameznih eno osciloskopa Prve zakasnilne linije so bile zgrajene iz koncenriranih elemenov, ko kaže slika Dandanes se zakasnilna linija izvede kar na iskanem vezju, kar prikazuje slika Zakasnilna linija vnese napake, ki jih kaže slika 6.20:

16 88 6. Merive v časovnem prosoru-osciloskop Slika 6.18: Zakasnilna linija s koncenriranimi elemeni Slika 6.19: Zakasnilna linija na iskanem vezju T d T d 2T d 1 2 A B C D PREDOJA- ÈEVALNIK OJAÈEVALNIK TRIGGER Slika 6.20: Napake zakasnilne linije napaka 1 nasane zaradi nezakasnjenega sklopa med očko A in D, ki je kapaciiven ali pa zaradi segrevanja linije, napaka 2 se imenuje predvzpon, nezveznos, ki nasane zaradi nepravilnih faznih zakasniev, napaka 3 se imenuje predvzpon in zvonenje. Obe napaki sa funkciji konsrukcije zakasnive linije in zaključivenih impedanc, napaka 4 nasane zaradi sklopa med očko D in očko A,

17 6.2 Osciloskopi z vložki 89 napaka 5 pa nasane zaradi nepravilne zaključive linije. 6.2 Osciloskopi z vložki Osciloskopi z vložki omogočajo veliko prožnos in razne merive. Običajno vsebuje glavno ogrodje (main frame) poleg napajanja in kaodne cevi še horizonalni ojačevalnik in zaporni ojačevalnik, menjai pa je možno razne verikalne ojačevalnike in časovne baze. 6.3 Vzorčni osciloskop Verikalni vzorčevalnik prikazuje slika R F U i R vh S1 S2 V.O. (1) C vh STIKALO ZA OBNOVO NAPETOSTI C 3 (1) VERTIKALNI OJAÈEVALNIK Slika 6.21: Blok shema verikalnega vzorčevalnika Vezje deluje akole: v renuku vzorčenja se sklene sikalo S 1 in napolni kondenzaor C vh vendar le na malo procenov vhodne vrednosi, ker je sikalo odpro le za kraek čas. Nao se vklopi sikalo S 2, ki osane sklenjeno dalj časa, ako, da se kondenzaor popolnoma napolni. Ojačanje ojačevalnika je ako prirejeno, da se kondenzaor C s napolni na vhodno napeos. Napeos na kondenzaorju C s vodimo preko upora R F nazaj ako, da na vhodno napeos napolnimo še vhodno kapaciivnos C vh. Tako deekiramo pri naslednjem vzorcu le spremembo nivoja. Primer: Denimo, da je vhodna napeos 1 V. V renuku vzorčenja nabijemo vhodni kondenzaor le na 5%, orej na 0.05 V. Ojačenje ojačevalnika je 20, edaj je na izhodu ojačevalnika 1 V, orej napolnimo kondenzaor C s na 1 V. Preko povranega upora R F pa nabijemo še vhodni kondenzaor na 1 V. Slika 6.22 prikazuje izvedbo vzorčnega sikala. Učinkovios vezja definiramo z razmerjem med vhodno napeosjo in napeosjo na vhodnem kondenzaorju po vzorčenju, če je bila prej napeos na kondenzaorju 0 V η = U vz U vh (6.11)

18 90 6. Merive v časovnem prosoru-osciloskop VZORÈEVALNI IMPULZ VHOD IZHOD Slika 6.22: Izvedba vzorčnega sikala Mejna frekvenca vezja je predvsem funkcija hirosi vzorčevalnih diod in časovne konsane vzorčevalnika Časovna baza Časovna baza se pri vzorčnem osciloskopu razlikuje od običajne, saj mora poleg pomika žarka generirai še komando za vzorčenje za verikalno vezje. Blok shemo vzorčevalnega osiloskopa kaže slika Horizonalni sisem sesoji iz sinhronizacijskega vezja in časovne baze, ki krmili verikalni vzorčevalnik. Časovna baza generira žagaso in sopničaso napeos. Koincidenca med žagaso in sopničaso napeosjo daje vzorčne komande, slika Točka na zaslonu se orej ne pomika zvezno ampak poskakuje od vzorca do vzorca Naključno vzorčenje Razmere, ki vladajo pri osciloskopu z naključnim vzorčenjem, ponazarja blok shema na sliki 6.25 in časovni diagram na sliki 6.26.

19 6.4 Osciloskop s spominsko cevjo 91 R S 1 R vh S 2 V.O. (1) C vh C 3 (1) VERTIKALNI OJAÈEVALNIK (2) HORIZONTALNI OJAÈEVALNIK SINHRONIZACIJSKO VEZJE ÈASOVNA BAZA H.O. (2) Slika 6.23: Blok shema vzorčevalnega osciloskopa Slika 6.24: Poek žagase napeosi za vzorčni osciloskop 6.4 Osciloskop s spominsko cevjo Dva principa pomnenja ločimo pri spominski cevi: pomnenje na fosforju pomnenje na siu Oba principa lahko služia za scan prevornike, pri cevi s siom pa imamo lahko udi spremenljivo perzisenco in sveljivos. Pri cevi s fosfornim pomnilnikom pa lahko isočasno razdelimo zaslon na področje pomnenja in konvencionalnega delovanja.

20 92 6. Merive v časovnem prosoru-osciloskop VROZÈEVANJE POMNILNIK Y NAKLJUÈNO VZORÈENJE ZAKASNITEV PROZENJE ÈASOVNA BAZA POMNILNIK X Slika 6.25: Blok shema vzorčnega osciloskopa z naključnim vzorčenjem a b c 3' 5' 2' 4' 1' 6' d e X Slika 6.26: Časovni diagram naključnega vzorčenja Princip delovanja: Slika 6.27 prikazuje razmerje sekundarne emisije v odvisnosi od energije vpadnih elekronov.

21 6.4 Osciloskop s spominsko cevjo 93 RAZMERJE SEKUNDARNE 2 EMISIJE 1 e V c e V k Slika 6.27: Sekundarna emisija v odvisnosi od energije vpadnih elekronov Vidimo, da je pri energiji e V k o razmerje veliko večje ko 1, edaj bo dielekrik izgubil elekrone in osal poziivno naelekren. Slika 6.28 prikazuje presek kaodne cevi s pomnilnim sisemom. USMERJEVALNA ELEKTRODA PISALNI ELEKTRONSKI TOP BRALNI ELEKTRONSKI TOP KOLEKTORSKO SITO POMNILNO SITO ZASLON S FOSFORJEM Slika 6.28: Pomnilni sisem kaodne cevi

22 94 6. Merive v časovnem prosoru-osciloskop Elekronski op pisalnega snopa usmerja elekrone skozi kolekorsko sio na pomnilno sio. Energija eh elekronov je olikšna, da je razmerje močno nad 1. Tedaj se orej slika zapiše v obliki poziivnih nabojev na dielekriku, slika V C Slika 6.29: Branje slike poziivnih nabojev Elekroni bralnega snopa imajo majhno energijo. Usmerjevalna elekroda jih usmeri v obliki oblaka, ki pouje paralelno. Tisi elekroni, ki naleijo na poziivno naelekreno sio, se prebijejo do fosforja in am usvarijo sliko, isi, ki pa naleijo na negaivno naelekreno sio, pa se obrnejo in prisanejo na kolekorskem siu, ki ima usrezen poziivni poencial. Sčasoma se vzorec, nakopičen v obliki poziivnega naboja, degradira zaradi ega, ker se nakopičijo poziivni ioni, ki jih generira bralni oblak elekronov. Tedaj posane ves zaslon osveljen. Ta pojav se imenuje poziivno senčenje. Če želimo sliko zbrisai, priključimo poziiven impulz na pomnilno sio. Sedaj ima pomnilno sio enak poencial ko kolekorsko, zaradi kapaciivnega sklopa pridobi a poencial udi dielekrik. Elekroni imajo sedaj energijo, ki zadošča za razmerje sekundarne emisije večje od ena, zao pridobi ves dielekrik sčasoma poziiven poencial, enak napeosi kolekorskega sia. Višja poziivna napeos ni mogoča, ker se vsa sekundarna emisija vrne nazaj na sio. Ko se napeos pomnilnega sia vrne na izhodiščni poencial, se zaradi kapaciivnega sklopa na isi poencial posavi udi dielekrik, ki pa si začne počasi pridobivai poencial 0 V, poencial bralnega opa, saj je sedaj sekundarna emisija manjša od 1. Ponovno dvignemo poencial sia na V, emu sledi dielekrik, vendar hiro (v 200 ms) doseže poencial 0 V. Nao ponovno vrnemo sio v izhodiščni poencial, zaradi kapaciivnega sklopa ima sedaj ves dielekrik negaiven poencial, slika 6.30.

23 6.5 Digialni osciloskop V 13.3 V +3.3 V 0V -10 V POTENCIAL SITA POTENCIAL DIELEKTRIKA Slika 6.30: Razmere pri brisanju 6.5 Digialni osciloskop Delovanje digialnega osciloskopa Čeprav je ehnologija izdelave analognih osciloskopov dosegla zavidljivo raven so nekaere dodane nove funkcije, ki jih omogočajo digialni osciloskopi popolnoma zasenčile uporabo analognih osciloskopov. Takšne funkcije so: pomnenje signalov za poljuben čas, konrola nasaviev z računalnikom, avomaizacija meriev, dodane funkcije. Kljub množici dodanih funkcij in cenenosi moramo za učinkovio uporabo dobro poznai delovanje digialnega osciloskopa, saj le ako lahko preprečimo napake pri merjenju ki so zaradi specifičnosi naprave povsem mogoče. Slika 6.31 kaže blokovni diagram digialnega osciloskopa. Primerjava z blokovnim diagramom analognega osciloskopa pokaže, da je po signala do verikalnega odklonskega sisema kaodne cevi ločena od vhodnih ojačevalnikov. Poleg ega nameso krmiljenja kaodne cevi z ojačenim vhodnim signalom signal vzorčimo, shranimo in nao rekonsruiramo na zaslonu. Ta koncep sicer ni nov; uporabljali so ga analogni vzorčni osciloskopi.

24 96 6. Merive v časovnem prosoru-osciloskop y 1 y 2 x ATENUATOR ATENUATOR ATENUATOR VERTIKALNI OJAÈEVALNIK VERTIKALNI OJAÈEVALNIK SINHRONO VZORÈENJE PROZILNI KOMPARATOR A/D A/D ŠTEVEC ZAMIKA A/D DRIVER????? A/D DRIVER????? STOP ŠTEVEC A/D SPOMIN A/D SPOMIN P SISTEM ÈASOVNA BAZA RASTRSKA CRT Slika 6.31: Blokovni diagram digialnega osciloskopa

25 6.5 Digialni osciloskop 97 Zakaj je bilo porebno oliko časa, da so se razvili digialni osciloskopi do e mere ko jih poznamo danes? Predvsem zaradi cene. V preeklosi so bili hiri A/D prevorniki, pomnilniki, procesorji id. zelo dragi in relaivno počasni. Z razvojem ehnologije se je siuacija pomembno spremenila. Nekaj osnovnih koncepov digializacije Preden opišemo delovanje digialnega osciloskopa, si na krako oglejmo nekaere koncepe, na kaerih sloni. Pomembne karakerisike signalov so: frekvenca, faza in kvaliea signala, ki jo določajo oblika in ampliuda signala. V originalnem članku iz lea 1924 je Nyquis formuliral eorem, ki pravi: Če vzorčimo signal s frekvenco 2 f, lahko rekonsruiramo signal z najvišjo frekvenco f Z drugimi besedami, da bi lahko razločili signal s frekvenco f ga moramo vzorčii najmanj s frekvenco 2 f. Ali o pomeni, da moramo vzorčii najmanj s frekvenco, ki je dvojna glede na pasovno širino osciloskopa? Ne! To bi bila napačna inerpreacija vzorčenja. Eden od mejnih pogojev Nyquisovega eorema predposavlja da mora vzorčenje rajai neskončno dolgo časa v obe smeri, če želimo kompleno rekonsruirai signala iz približno dveh vzorcev na periodo. Ker digialni osciloskop ne more vzei neskončnega ševila vzorcev v načinu single sho in mora še vedno prikazai signal, so proizvajalci morali omejii velikos ševila vzorcev. To omejuje očnos rekonsrukcije. Druga možnos je povečano ševilo vzorcev na periodo (več ko 2). Ker ehnologija omejuje hiros vzorčenja, so proizvajalci zmanjšali pasovno širino osciloskopa, da bi dobili več vzorcev na periodo. Z drugimi besedami, če vzorčimo le dvakra v eni periodi omejen čas, omejimo očnos rekonsrukcije signala. S hirejšim vzorčenjem lahko signal rekonsruiramo bolj očno. Tako nekaeri proizvajalci npr. HP in Tekronik omejujejo pasovno širino pri single-sho vzorčenju na 4 vzorce na periodo signala pri mejni frekvenci. Vzemimo analogni osciloskop s pasovno širino 100 MHz. Če nanj priključimo pravokoni signal s frekvenco 100 MHz, na zaslonu vidimo popačeno sinusoido, ki je posledica dejsva, da je pravokoni signal sesavljen iz osnovne in velikega ševila oslabljenih višjih harmoničnih komponen. Z vzorčenjem, ki ima mnogo višjo frekvenco ko je frekvenca signala, je rekonsrukcija relaivno enosavna; aka siuacija nasane, ko je frekvenca signala, ki ga merimo, nižja od pasovne širine osciloskopa. Ko se približujemo pasovni širini, se približujemo le 4 vzorcem na periodo, kar zadošča za rekonsrukcijo sinusoide. Kaj pa če je signal pravokone oblike? V em primeru osciloskop omeji pas na 100 MHz, orej je siucija podobna ko pri analognem osciloskopu; A/D prevornik vzorči in digializira popačen sinusni signal. Pri 4 ali več vzorcih na periodo lahko signal na zalonu rekonsruiramo dovolj naančno udi v omejenem času. Kako vzorčimo V principu lahko vzorčimo na 2 različna načina. V realnem času, kar pomeni, da prevarjamo in shranjujemo vzorce ko se pojavljajo v realnem času pri čemer moramo vzorčii z zelo visoko frekvenco glede na frekvenco signala. Takemu vzorčenju pravimo vzorčenje v realnem času. Druga možnos je da iz vsake periode signala vzamemo enega ali več vzorcev.

26 98 6. Merive v časovnem prosoru-osciloskop Vzorčenje v realnem času Slika 6.32 prikazuje primer vzorčenja v realnem času. Signal vzorčimo sekvenčno akoj zaem, Slika 6.32: Vzorčenje v realnem času ko se pojavi pogoj za proženje. Večje ko je razmerje med vzorčno frekvenco in signalom, ki ga opazujemo, boljša je rekonsrukcija slike na zaslonu. Nekaeri osciloskopi poleg ega še maemaično inerpolirajo vmesne očke. Vzorčenje v realnem času omogoča prikaz dogodkov, ki so se zgodili pred nasopom pogoja za proženje, kar pomeni, da lahko opazujemo signal v negaivnem času. Ponavljajoče vzorčenje V em primeru signal na zaslonu sesavimo iz vzorcev, ki jih je osciloskop odvzel pri večkranem prehodu signala (večkrano proženje). To seveda zaheva, da je signal ponavljajoč oziroma periodičen. Ker smo vzorce dobili iz več period signala o pomeni, da Nyquisov krierij v em primeru ne velja direkno; velja ako imenovani splošni Nyquisov eroem, ki določa, pod kakšnimi pogoji lahko navidezno rekonsruiramo signal, ki ima višjo frekvenco od frekvence vzorčenja. Vzorčevalna frekvenca je nižja ko je frekvenca signala; akšen način so uporabljali ako imenovani vzorčni analogni osciloskopi. Na ak način je mogoče prikazovai le periodične signale, ki imajo lahko višjo frekvenco, ko je pasovna širina osciloskopa. Naključno ponavljajoče vzorčenje Slika 6.33 prikazuje primer naključnega ponavljajočega vzorčenja. V em primeru osciloskop vzorči PROZENJE Slika 6.33: Naključno ponavljajoče vzorčenje konsanno, ne da bi čakal na prožilni signal. Ob vsakem pojavu prožilnega signala osciloskop shrani nekaj vzorcev in si zapomni udi čas odvzema vzorca glede na prožilni signal. Ob sesavljanju slike se vsak vzorec posavi na usrezno meso glede na relaivni čas, v kaerem je bil odvze. Ker

27 6.5 Digialni osciloskop 99 so odvzei vzorci nesinhroni v primerjavi s prožilnim signalom, je vzorčenje naključno glede na čas proženja. Ker vzorce odvzemamo pred in po prožilnem signalu, pomeni da lahko opazujemo dogodke v negaivnem času. Sekvenčno vzorčenje Slika 6.34 prikazuje primer sekvenčnega vzorčenja. Tudi v em primeru signal sekvenčno vzorčimo, PROZENJE Slika 6.34: Primer sekvenčnega vzorčenja vendar na drugačen način. Vzorčevalnik čaka na prožilni signal, vzorec pa odvzame ob vnaprej določenem času, ki je določen z nasavivami osciloskopa. Ob vsakem naslednjem pojavu prožilnega signala se zakasniev poveča za vnaprej določen čas, ki je določena z nasavivami osciloskopa in narašča zvsakimnovimpojavomprožilnega signala. Po določenem ševilu prehodov lahko osciloskop rekonsruira sliko na zaslonu ako, da zloži usrezne vzorce na usrezno meso. Takšno vzorčenje je različno od prejšnjega predvsem v em, da so shranjeni vzorci vedno odvzei po prožilnem signalu, zao ne moremo opazovai negaivnih časov. Zaradi načina vzorčenja in proženja pa je mogoče uporabii počasen A/D prevornik z veliko ločljivosjo Verikalni kanali Če si ponovno ogledamo blokovni diagram digialnega osciloskopa na sliki 6.31 ugoovimo, da ima ločene poi za vsak vhodni kanal, kar je drugače ko velja za večino analognih osciloskopov, ki so imeli le en verikalni odklonski sisem. Z ločenimi pomi za vsak kanal je omogočeno odvzemanje vzorcev vseh kanalov hkrai. Tako ko analogni osciloskop, ima udi digialni vhodne aenuaorje, vhodne predojačevalnike, ki služijo enakemu namenu. Nameso da bi z ojačanim vhodnim signalom direkno krmilili verikalni odklonski sisem kaodne cevi, s em krmilimo A/D prevornik, ki signal vzorči in digializira Analogno digialna prevorba Obsajajo različne vrse A/D prevorbe. Digialni osciloskopi ipično uporabljajo eno od naslednjih možnosi: bliskovni prevornik ali pa prevornik ki deluje na principu zaporednih aproksimacij. Prvega uporablja osciloskop za kvanizacijo v realnem času ( single sho ) in ima veliko hiros, relaivno majhno ločljivos in je relaivno kompleksen (zaheva 2 N 1 napeosnih komparaorjev za N biov ločljivosi; N je običajno 6 do 8). Drugega lahko uporabimo pri sekvenčno ponavljajočem

28 Merive v časovnem prosoru-osciloskop vzorčenju; a ima večjo ločljivos (N = 12 14), je mnogo počasnejši in relaivno enosaven za realizacijo Spomin Takoj za A/D prevorbo, ki opravi vzorčenje in kvanizacijo, se podaki shranijo v spomin. Hiros spomina mora bii vsaj enaka ko je hiros A/D prevorbe. To pri hiros prevorbe npr. 200 MHz pomeni, da mora imei spomin pisalni čas krajši od 5 ns. Poem, ko je zadosno ševilo vzorcev shranjenih v spomin, lahko sliko na zaslonu rekonsruiramo in ohranjamo poljuben čas Procesor Vsi digialni osciloskopi vsebujejo enega ali več mikroprocesorjev. Njihova naloga je: prikaz rezulaov na zaslonu, ki poeka ločeno od akvizicije signalov, opravlja različne maemaične operacije na signalih, krmili povezovanje z zunanjim sveom: iskalnik, risalnik, računalnik Kaodna cev Kaodna cev, ki jo uporabljajo digialni osciloskopi, je enosavnejša v primerjavi s kaodno cevjo, ki jo uporabljajo analogni osciloskopi. Bisvena razlika je v porebni hirosi, saj pri digialnem osciloskopu na zaslon piše mikroprocesor z veliko manjšo hirosjo, ko je hiros spreminjanja signala. S em se poveča zanesljivos in očnos, zmanjša se cena, poveča pa se udi življenska doba, poleg ega pa v zadnjem času proizvajalci dodajajo dodane funkcije (npr. barvni izpis) ki omogoča večjo preglednos rezulaov. 6.6 Specifikacije in merjenje Specifikacije insrumena so namenjene uporabnikom, da bi lahko uporabljali insrumen čim bolj učinkovio. Pomembno je razumei, kako se specifikacije insrumena odražajo pri merjenju in kaj določa očnos merilnih rezulaov Verikalna ločljivos Pomemben podaek je ločljivos A/D prevornika v digialnem osciloskopu. Npr. 1 bini kvanizaor lahko loči2nivoja,2biniširi, 3 bini 8 nivojev id. V splošnem lahko kvanizaor loči 2 N

29 6.6 Specifikacije in merjenje 101 diskrenih nivojev vhodnega signala. Ločljivos pomeni koliko diskrenih nivojev lahko loči kvanizaor oziroma A/D prevornik. Ko primer vzemimo signal z ampliudo 1 V pp,kigaprikažemo na zaslonu osciloskopa. 6 bini A/D prevornik ima v em primeru ločljivos 1LSB= U in 2 N 1 = 1V pp =15.9 mv. (6.12) 15.9 mv pomeni minimalni napeosni korak, ki ga lahko s akim osciloskopom ločimo (LSB je kraica in pomeni leas significan bi). V našem primeru 6 binega A/D prevornika je 1 LSB=15.9 mv. V idealnem primeru je ako največja napaka enaka ± 1 LSB. Če bi želeli opazovai signal z ločljivosjo, 2 ki je boljša ko 15.9 mv bi morali povečai ločljivos A/D prevornika er zmanjšai noranje šume insrumena; o je drag in zapleen posopek Efekivna verikalna ločljivos Kako lahko določimo verikalno ločljivos osciloskopa, če a vključuje udi druge izvore šumov? Najboljša definicija je isa, ki vključuje vse šume in jo imenujemo efekivna ločljivos in pomeni, kakšna je realna ločljivos A/D prevornika, ki vključuje ako idealno ločljivos, ko udi vse noranje šume, izražena z ločljivosjo A/D prevornika. Efekivna ločljivos osciloskopa je vedno manjša ko deklarirana ločljivos A/D prevornika, zao deklarirana ločljivos A/D prevornika ne pove zadosi o resnični verikalni ločljivosi osciloskopa. Pogosa meoda merjenja efekivnega ševila biov ločljivosi je sledeča: sinusni signal z zelo sabilno in znano frekvenco in ampliudo priključijo na osciloskop. Digializirane vzorce prenesejo v računalnik, ki primerja dobljene vzorce z idealnimi. Razlika služi ko osnova za izračun efekivnega ševila biov Šum prelea Zaradi omejenega ševila nivojev A/D prevornika pri digialnem osciloskopu je v splošnem analogni osciloskop navidezno boljši ko digialni pri opazovanju nizkih nivojev šuma, ki so superponirani signalom. Prikaz enosmerne napeosi na digialnem osciloskopu izgleda ko ravna čra, ki preskakuje med dvemi ali remi nivoji. Na analognem osciloskopu bi signal izgledal pri močno zvišani inenziei žarka ko o prikazuje zgornji del slike Del signalov, ki seže iznad horizonalnih čr, v resnici na zaslonu ne vidimo zaradi prevelike hirosi. Spodnji del ise slike prikazuje, kako izgleda slika na digialnem osciloskopu (obe sliki sa v različnem merilu). Izgleda, ko da analogni osciloskop prikazuje manjši šum, o pa le zao, ker je kaodna cev prepočasna in ne prikaže vseh hirih prehodov. Šum ki ga vidimo na zaslonu je sesavljen po N Zaslon = N Merjenec + N Insrumen (6.13) Iz prikazanega šuma ne moremo določii dejanskega šuma merjenca, razen če vemo, da je šum insrumena deklarirano manjši. Če bi pusili digialni osciloskop v ako imenovanem spominskem načinu bi dobili čro sesavljeno iz 3 nivojev 0 in ±1 LSB, ko o prikazuje spodnji del slike 6.35.

30 Merive v časovnem prosoru-osciloskop Slika 6.35: Prikaz šuma na analognem in digialnem osciloskopu Meriev časovnih inervalov Nekaj najosnovnejših meriev v časovnem prosoru predsavlja merjenje časovnih inervalov, ko so merjenje časa vzpona in padanja, frekvence, periode id. Pri analognem osciloskopu o pomeni prikaz signala v zaželjenem področju in šeje usreznih oznak na zaslonu; o je zamudno in nenaančno opravilo. Pri digialnem osciloskopu je seveda a posopek avomaski; vključii moramo le usrezno funkcijo. Meriev sipanja (jier) jeežavna z analognim osciloskopom in enosavna z digialnim. V prvem primeru prikažemo prehod in nao opazujemo, kako se a prehod premika po časovni skali; Na zaslonu analognega osciloskopa je o opazovanje zamudno, nezanesljivo in nenaančno, medem ko je pri digialnem osciloskopu dokaj enosavno. Na zaslonu prikažemo usrezen prehod in vključimo funkcijo INF. PERSISTENCE. Slika na zaslonu izgleda približno ako, ko o kaže slika Slika 6.36: Prikaz sipanja signala na zaslonu digialnega osciloskopa Večkanalni prikaz Mnogo aplikacij zaheva prikaz vsaj 2 kanalov isočasno na zaslonu osciloskopa. Pri analognih osciloskopih je a problem rešljiv z dvemi žarki v eni kaodni cevi o so ako imenovani dvožarkovni

31 6.6 Specifikacije in merjenje 103 osciloskopi; so izjemno dragi, zao jih redko srečamo. Pri kaodni cevi z enim samim elekronskim opom lahko prikazujemo 2 kanala na način ALT oz. CHOP (glej prejšnje poglavje). Večina analognih osciloskopov deluje na em principu. Problem akega načina je, da lahko zaradi prekljapljanja kanalov na en ali drug način izgubimo del informacije. Digialni osciloskop vzorči vsak kanal posebej in shrani rezulae vsakega kanala v svoj spomin. To se zgodi isočasno za oba kanala. Na a način ohrani relacijo med signali er vzorči in digializira oba kanala na enak način Shranjevanje slike Pri analognem osciloskopu slika na zaslonu osane omejen časa. Problem so reševali osciloskopi s spominsko cevjo (glej prejšnje poglavje), ki pa je draga in lahko shrani podake na fosforju le omejen čas; ako sliko lahko opazujemo le opično in ni dosopna osalim digialnim insrumenom. Digialni osciloskop shranjuje vzorčen in kvaniziran signal v pomnilnik, od koder ga lahko prikazujemo na zaslonu poljuben čas v nespremenjeni obliki ali pa ga pošljemo na iskalnik ali v pomnilnik računalnika v nadaljno obdelavo id...

32 Merive v časovnem prosoru-osciloskop