OSCILLOSCOOP · 2020. 2. 2. · Oscilloscoop meettechniek van A tot Z/Engels (vertaald uit het...

OSCILLOSCOOP■ -m.

■

;ESI PRCKAOOHCWLCTT SJTSOA ■; covrnoi. - •-=: :j ■ ' r-TORAGtosenuiscan

■. —■ ■I.-

DE MUIDERKRING

ii.t-

1

:

i

i

13&2JL VWeesp TPi n?r "'

Bibliotheekn.v.h.fl

0SCILL0SC00P Meettechniek van A tot Z

5

— t *- W..V.&8,

BIBLIOTHEEKn.v.h.r,H. ENGELS

OSCILLOSCOOP

ZMeettechniek totvanMethodenBegrippenEigenschappen

©! DE MUIDERKRING B.V.-WEESP

UITGEVERIJ VAN TECHNISCHE BOEKEN EN TIJDSCHRIFTEN

I□!

Zetwerk, opmaak en omslagontwerp : MK Studio, Weesp

De omslag kwam tot stand dankzij de medewerking van Hewlett Packard te Amstelveen.

CIP-GEGEVENS KONINKLIJKE BIBLIOTHEEK, DEN HAAG

Horst Engels

Oscilloscoop meettechniek van A tot Z/Engels (vertaald uit het Duits door H.E. Leydens-Batray)- Weesp: Uitg. De Muiderkring, ill.Vert. van Oszilloskop Messtechnik von A-Z- München, Franzis Verlag

ISBN 90 6082 373 7 NUGI 832

© Franzis Verlag, München © 1993, De Muiderkring, Weesp

Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotocopie, microfilm, magneetdrager, CD (ROM) of op welke andere wijze dan ook zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.Vermelde merken en/of fabrikaten houden geen kwaliteitswaardering in noch van de schrijver, noch van de uitgever. De uitgever en auteur stellen zich niet aansprakelijk voor de (gevolgen van eventuele) schade ontstaan door het gebruik van gegevens en afbeeldingen in deze uitgave.

ISBN 90 6082 373 7

Voor België: Maklu Uitgevers, Somersstraat 13-15, 2018 Antwerpen!

BIBLIOTHEEKN.V.H.R,

Voorwoord

Oscilloscopen behoren reeds lang tot de standaarduitrusting van ontwikkelings-, beproevings- en service-laboratoria. Met dit soort instrumenten kan de meettechnicus op betrekkelijk eenvoudige wijze tijdsafhankelijke, elektrische signalen kwalitatief en kwantitatief onderzoeken. Behalve in het tijddomein kunnen in de XY-modus functies en afhankelijkheden van meetgrootheden worden weergegeven en geanalyseerd.

De prestaties van oscilloscopen zijn met de ontwikkeling van de digitale geheugenoscilloscoop aanzienlijk verbeterd. Bij de 'klassieke' prestatiekenmerken als ingangsgevoeligheid en bandbreedte komen bij digitale apparaten nog eens eigenschappen als sample- frequentie, geheugenomvang, sample-systeem, ruimere signaal- analysefuncties, computerkoppeling en registratiemogelijkheden. De eigenschappen van de moderne krachtige digitale geheugenoscilloscoop benaderen vandaag de dag al dicht die van de analoge oscilloscoop - afgezien van de prijs althans. Veel fabrikanten van meetapparaten combineren de voordelen van analoge en digitale oscilloscopen in één enkel apparaat, dat - afhankelijk van de meetopdracht - het te meten signaal naar keuze analoog of digitaal kan weergeven.

Daarnaast completeren multiscopes, als oscilloscoop gebruikte PC's, en transient-recorders het scala van toepassingsmogelijkheden. Deze apparaten vallen echter buiten het bestek van deze uitgave.

Dit boek geeft de meettechnicus tips en wenken voor het praktisch gebruik van oscilloscopen. Ook worden belangrijke termen en functies uit de moderne meettechniek met oscilloscopen verklaard. De alfabetische rangschikking van de begrippen maakt het boek voor de in de praktijk werkzame man of vrouw overzichtelijker, en gemakkelijker de gezochte vakuitdrukkingen snel terug te vinden. Afbeeldingen, schakelingen en blokschema's stellen de toegelichte vakbegrippen aanschouwelijk voor.

Veel begrippen, functies en definities geleden zijn zowel op analoge oscilloscopen (AO) als op digitale geheugenoscilloscopen (DGO) van toepassing. De afkortingen' AO' en 'DGO' geven aan of de vakterm op analoge, digitale of op beide oscilloscoop- technologieën van toepassing is.

5

Oscilloscoop meettechniek van A tot Z

In de vakliteratuur overheersen in de de oscilloscoop-meettechniek Engelse vakuitdrukkingen en om die reden is achterin deze uitgave een woordenlijst opgenomen, waarin de Engelstalige begrippen verklaard. Daar waar overeenkomstige Nederlandse begrippen gebruikelijk zijn, worden de bestaande definities met gelijke betekenis naast elkaar vermeld en gebruikt.

Bij de samenstelling van dit boek bleken applicatiebulletins en documentaties van de fabrikanten Gould, Hameg, Hewlett- Packard, LeCroy, Nico let, Philips en Tektronix waarde vol le hulpmiddelen. De schrijvers zijn deze bedrijven zeer erkentelijk voor het beschikbaar stellen van hun documentatiemateriaal.

Uitgever en schrijvers stellen alle suggesties die tot optimalisering en vormgeving van dit boek kunnen bijdragen op prijs.

Auteurs:

Dipl.-Ing. (FH) Horst EngelsIngenieurbüro für technische Weiterbildung, Esslingen

Dr.-Ing. Norbert Schmidt Freiberg am Neckar

Belangrijk

Bij de in dit boek behandelde schakelingen en systemen is geen acht geslagen op de patentstatus ervan. Ze zijn uitsluitend bedoeld voor amateur- en studiedoeleinden en mogen niet commercieel worden gebruikt. Voor commercieel gebruik is vooraf toestemming van de eventuele licentiehouder vereist.

6

Inhoud

Inleiding 9

Meettechnische begrippen van A tot Z. 11

191Appendix

Selectiecriteria voor een DGO 191

193Veiligheidsklassen AO & DGO

Veiligheidswenken en -maatregelen AO & DGO 195

196Overspanningsbeveiliging AO & DGO

199Woordenlijst Engels - Nederlands

209Literatuuroverzicht

7

Inleiding

Oscilloscoop-meettechniek van A tot Z

In dit boek worden vaktermen uit de oscilloscoop-meettechniek op overzichtelijke en begrijpelijke wijze toegelicht.

De alfabetische rangschikking van bij de oscilloscoop gebruikte meettechnische uitdrukkingen maakt dat de gezochte begrippen snel terug te vinden zijn.

Digitale geheugen- osci1loscoop

Analoge osei 1loscoop

VVoorversterker

Signaalingangskoppeling DC of AC Meetkoppen

TijdbasisIngangsimpedantie

enzovoort

Afb. 1 Enkele componenten en vaktermen uit de meettechniek met analoge en digitale oscilloscopen.

Veel schakelbegrippen, elektronische circuits en vaktermen komen in de oscilloscoop-meettechniek bij zowel analoge als digitale apparaten voor. Afbeelding 1 laat enkele punten van overeenkomst zien, terwijl ook enkele trefwoorden en gelijksoortige componenten zijn afgebeeld.

9


Punten van overeenkomst, respectievelijk verschillen, zijn door een betreffende aanwijzing aangegeven. Zo betekent bijvoorbeeld:

AO: het trefwoord heeft betrekking op analoge oscilloscopen, DGO: het trefwoord heeft betrekking op digitale geheugenoscil- loscopenAO & DGO: het trefwoord heeft betrekking op beide soorten apparaten.

Voorts worden verwijzingen van begrippen aangeduid met een * achter dit begrip. Hierover wordt dan onder de beginletter nadere uitleg gegeven. De cijfers tussen [ ] hebben betrekking op de geraadpleegde literatuur uit de lijst, die achterin deze uitgave is opgenomen.

10

ADD-modus AOEen speciale modus waarover moderne tweekanaalsoscilloscopen voor het samenvoegen van signalen beschikken, is de mogelijkheid de signalen Y1 en Y2 bij elkaar op te tellen.

wr: fi drevs.wvf ATT: 588 W/dl*CPl: DC OFS: 8.8 0nn: 280 as/div

8 di» HJtS: 58 ./dl»VRS: 25.0 ./di*DN: Nok 13:57:88 01/27/92

mJU T -ftT DLY: wr: IA • Iii

ATT: 5 V/di*7 I X I CPl: DC;i ors: 0.0 vNTl: 200 o/JiiDL?: 0 dl»KXS: 50 ./di»WB: 25.0 ./di»DN: Hok 11:26:35 03/05/52

IM n ii i iwr: 0 letl.wfATT: 2 V/di»CPL: ICors: 0.0 VHTB: 1 s/divDl?: 0 di»KRS: 188 ./di»UPS: 182.1 ./di»DN: Hok 11:19:50 07/29/91

i

LU... I. iTT71! ' 'I nvi

Afb. 2a links Twee afwisselend weergegeven signalen. Afb. 2b rechts De som van beide signalen in afb. 2a.

Omdat bij de meeste oscilloscopen de kanalen onafhankelijk van elkaar geïnverteerd kunnen worden (INV-schakelaar), kunnen ook de verschilsignalen* (Y1 - Y2) of (Y2 - Yl) worden weergegeven.

Afsluitweerstand, HF-metingen AO & DGOBij het gebruik van passieve meetkoppen met hoge impedantie hebben ingangscapaciteit en -weerstand daarvan invloed op de bronimpedantie van het meetobject. En wel zo dat bijvoorbeeld elke capaciteitstoename de gemeten stijgtijd van het meetobject vertraagt, waar bij de evaluatie rekening mee moet worden gehouden. Naarmate de frequentie toeneemt, komen daar nog

11


weer andere invloeden bij. Bij passieve meetkoppen werkt niet alleen de zelfinductie van de aarddraad van de meetkop begrenzend op het meetbereik maar ook de zelfinductie van de meetpen en van de coaxiale kabel waarmee het signaal aan de oscilloscoop wordt toegevoerd. Op grond daarvan worden bij HF-metingen speciale klein uitgevoerde meetkoppen met speciale meetkabels gebruikt. Daarmee zijn metingen tot in het 300 MHz-bereik mogelijk [5]. Wil men dit bereik nog vergroten dan moet er op worden gelet dat de totale door het signaal afgelegde weg, vanaf het meetpunt via de meetkabel naar de ingang van de oscilloscoop, hoogfrequent verantwoord opgebouwd en afgesloten is. Bij frequenties van 300 MHz komt een golflengte van circa 1 m in het luchtledige al in de buurt van de bij meetkoppen gebruikelijke kabellengten. Worden de hierna beschreven voorwaarden niet in acht genomen, dan kunnen looptijdeffecten en reflecties optreden. Bij HF-metingen is het dan ook bij frequenties, lager dan de genoemde frequentie van 300 MHz, vanaf circa 100 MHz raadzaam verliesarme, voor hoge frequenties geschikte meetkabels met een gedefinieerde karakteristieke impedantie (50 ohm) te gebruiken en de meetkabel met een aangepaste weerstand, eveneens 50 ohm, af te sluiten. Dit betekent dat de ingang van de oscilloscoop, die immers de afsluiting van de kabel vormt, op een gedefinieerde ingangsweerstand van 50 ohm moet worden ingesteld. Als de ingangsweerstand niet omschakelbaar is, moet een speciale 50 ohm BNC-afsluitweerstand op de ingang van de oscilloscoop aangesloten worden. Is er namelijk geen gedefinieerd laagohmig en aangepast meetsysteem beschikbaar dan treden aan de over-

1PF IIIMeetpen

450 R4

50 R

I 50 R

I

Ii

Osei 1loscoopIngangsverzwakker voor HF-metingen |

Afb. 3 HF-meetkop/verzwakker.

12

A

gangen, bijvoorbeeld aan het uiteinde van de meetkabel, reflecties op die tot verminking van het signaal kunnen leiden en bruikbare metingen onmogelijk maken. Meetkabels van HF- meetkoppen worden dan ook uitsluitend in verliesarme 50 ohm- techniek uitgevoerd. Weliswaar hebben deze laagohmige meetkoppen aan de meetpen een zeer lage capaciteit, maar dit gaat ten koste van een relatief hoge weerstandsbelasting. Afbeelding 3 toont een karakteristieke hoogfrequentmeetkop voor metingen tot in het GHz-bereik met lage impedantie in een meetcircuit zien, samen met het vervangingsschema [1].

De bij HF-metingen gewoonlijk toegepaste 50 ohm-techniek optimaliseert weliswaar het frequentiebereik van het meetsysteem, maar de lage afsluitweerstand van 50 ohm vormt in weerwil van de lOx meetkop/verzwakker, een merkbare belasting voor het meetobject. Uitkomst daarbij bieden actieve meetkoppen*. Deze hebben het voordeel dat ze de gevoeligheid van de oscilloscoop maar weinig verminderen, hoewel ze op grond van hun hoge impedantie toch ook weer een capacitieve component introduceren. In weerwil van alle genoemde voor- en nadelen is het gewoonlijk het beste bij metingen vanaf circa 100 MHz, respectievelijk bij stijgtijden van minder dan 3,5 ns, de 50 ohm- stand te gebruiken [5].

Aliasing-effect DGO

Aliasing treedt op bij verkeerd gekozen sample-frequentie van signalen en kan worden vertaald als 'informatiefout' [1]. Wordt het ingangssignaal van een digitale geheugenoscilloscoop bemonsterd met een sample-frequentie die lager is dan volgens het sample-theorema* vereist zou zijn dan kan het voorkomen dat op het beeldscherm een signaal verschijnt met een aanzienlijk lagere dan de echte frequentie. Afbeelding 4 laat zien hoe het aliasing-effect tot stand komt. Het driehoekige ingangssignaal met een frequentie van 1,25 kHz wordt bemonsterd en gemeten met een frequentie van 1 kHz. In de afbeelding is de plaats van de sample-punten als functie van de tijd uitgezet op het oorspronkelijke signaal. Omdat de sample-frequentie te laag is ten opzichte van de frequentie van het ingangssignaal, verschijnt op het beeldscherm van de digitale geheugenoscilloscoop het signaal als in afbeelding 4 met een schijnbare (alias) frequentie van 250 Hz.Om dergelijke verkeerd gekozen verhoudingen tussen sample- en signaalfrequentie te voorkomen, stuurt men bijvoorbeeld het

13I


fingang =1,25 kHzTingang = 0,8 ms

Tsample= lms fsample = 1 kHz

J,\ \// \\ / \7^ -V V\ / \/ /\/N

'l {

——Tschijnbaar = 4 ms——fschijnbaar = 250 kHz

Afb. 4 Ontstaan van aliasing bij een te laag gekozen sample-frequentie.

te meten signaal vóór de bemonstering door een laagdoorlaatfilter met steile flank (anti-aliasingfilter) dat de bandbreedte van het signaal begrenst op de Nyquist-frequentie* die overeenstemt met de ingestelde sample-frequentie. Anti-aliasingfilters zijn meestal naar keuze inschakelbaar. Ook hier moet men soms nadelen op de koop toe nemen respectievelijk daar op de juiste wijze rekening mee houden (door met een hogere frequentie te bemonsteren). Onderzoekt men bijvoorbeeld een blokspanning* dan moet men er, op grond van het frequentiespectrum ervan, rekening mee houden dat door het laagdoorlaatfilter signaalcom- ponenten hoger dan de Nyquist-frequentie onderdrukt worden en een getrouwe reconstructie van het oorspronkelijke signaal niet meer mogelijk is. Een eenvoudige manier om aliasing te voorkomen, is dat men de ENVELOPE-modus* (omhullende-weergave) kiest, waarbij altijd een getrokken omhullende op het beeldscherm wordt weergegeven, wat op de aanwezigheid van hogere frequenties wijst [36].

14

A

Alternate/Alternerende modus AOIn de tweede tijdmultiplex-modus, de zogenaamde alternerende of Alternate-/(ALT-)modus, wordt de elektronische schakelaar (zie afb. 11) niet door de vaste chopper-frequentie gestuurd, maar door de tijdbasis. Deze modus wordt door sommige fabrikanten ook wel aangeduid met DUAL-modus.

Afb. 5 Beweging van de elektronenstraal in de alternerende modus.

Eerst wordt het signaal Y1 van kanaal 1 over de hele breedte van het scherm geschreven. Nadat de elektronenstraal de rechter- beeldrand bereikt heeft, wordt overgeschakeld naar kanaal 2 en wordt tijdens de afbuiging van de elektronenstraal door de tijdbasis signaal Y2 geschreven. Beide signalen, Y1 en Y2, worden dus alternerend, dat wil zeggen beurtelings, telkens over de volle breedte van het scherm, weergegeven. Afbeelding 6 laat zien hoe het signaal tijdens de ALT-modus wordt weergegeven.

Bij de ALT-modus is het van belang dat de juiste trigger-bron wordt gebruikt wanneer een tijdsafhankelijk verband tussen beide signalen moet worden weergegeven. Dit is alleen mogelijk wanneer:

1. de triggering voortdurend vanuit hetzelfde kanaal plaatsvindt,

2. Y1 en Y2 periodieke signalen zijn, en

3. tijdsynchroon met elkaar verlopen, wat wil zeggen dat de frequenties hele veelvouden van elkaar zijn.

15


i T T4 4 4 4- 4/4- - ^ 4~ 44;4 4- -

4tt

- 4 "t 4- 4\+ 4 -4 4-4- 4--N*■ 4" 4" 4" 4- 4" 4-4- +4- - -4 + 4 4t4-f4-4---4-4-4-

A & B = alternerende weergave4-4 4-------A

_ n11 1I_____ j

11

1T T = 10 x Time/DIV + Hold Off

1

1—rT T Ts - + f44 44+4+-- 4 44 + 4 + + + + -

//// 4- -//

^Hn+4-M-=ri4 4 -- + 44+-I-+ + 4 + -- 4- +M- + 4- + +I+4--'

• —* ^ ■ ' 1 : 1 1 yvH>4 + + + + 4-4 + + 4 + + +/ T ' -4 4 -+4-4 + 4+ -+• --H44 -t -t - “T -f| + + + T 414 -+ - -+■ 1- + + 4 4 + -t 4 -

c C = chopper-modus

”4—r 4-4-I 111 1

1/fchop

Afb. 6 Gelijktijdig weergeven van twee signalen in de ALTERNATE-modus.

In alle andere gevallen gaat het tijdsafhankelijke verband verloren. Voert men bijvoorbeeld in plaats van selectief te triggeren het ALT-geschakelde signaal aan het trigger-circuit toe, dan ontvangt dat na elke afbuigingscyclus beurtelings de signalen Y1 van kanaal 1 en Y2 van kanaal 2. Daarbij wordt de tijdbasis eerst door signaal Y1 en dan door signaal Y2 steeds op de ingestelde flank getriggerd. Een eenduidige tijdsafhankelijke triggering is bij deze vorm van weergave niet langer mogelijk.

16

A

Amplitudekwantisering DGOOnder kwantiseren verstaat men het omzetten van spanningswaarden in binaire getallen.Onder besturing van de tijdbasis neemt de A/D-converter uit het mogelijke bereik van de aangelegde ingangsspanningen een spanningswaarde en kent daaraan een binair getal toe. De tijddiscrete punten worden door de tijdbasis bepaald. Deze genereert de nodige pulsen voor het activeren van de A/D-converter.

Sample-punten

Sample-punten

Afb. 7 Kwantiseren van analoge signalen.

De frequentie waarmee dit gebeurt, wordt aangeduid met sample- of digitaliseringsfrequentie*. De A/D-converter kan uitsluitend spanningswaarden binnen zijn resolutiebereik (FS) onderscheiden. Dit heeft tot gevolg dat de gekwantiseerde spanningswaarde die aan de A/D-converteruitgang verschijnt maar een deelbereik van mogelijke spanningen vertegenwoordigt. Onderstaande diagram laat zien hoe analoge waarden op de sample-punten door bits gekwantiseerd worden voorgesteld, en welke fundamentele overwegingen aan de kwantisering ten grondslag liggen (15). Terwijl de als vector voorgestelde analoge spanning aangroeit, kruist die de overgangen of 'beslissingsniveaus' (streeplijnen), waarop de ADC van toestand verandert (trapjeskromme).

17


Bij een ideale ADC, die aan deze schets beantwoordt, vinden de toestandsveranderingen steeds plaats halverwege twee beslissingsniveaus, waarvan de afstanden door Q-waarden gekarakteriseerd zijn en die ook wel met bit- of kwantiseringssprongen aangeduid worden. Maar ook in dit theoretische geval kleeft aan een ADC een 'kwantiseringsfout*' omdat men ook bij een zeer lage Q-waarde altijd met een eindig bereik te maken heeft, waarbinnen een of andere analoge waarde kan liggen. De kwantiseringsfout bedraagt ±0,5LSB. Een ander gevolg van deze fout laat afbeelding 9 zien.

Analoge ingang

FS

VB

6/0

5/8 _-----r

V 8

B/8

2/8 zr[71/8T T Digitale uitgang000 010 100 110

001 011 101 111

Afb. 8 Kwantiseringsstappen van een ideale ADC.

Zoals de afgebeelde kwantiseringsfout laat zien, kan men zich het uitgangssignaal van de ADC voorstellen als een signaal met een daarop gesuperponeerde kwantiseringsruis. Hoe groter het aantal bits van de betreffende ADC, hoe minder geprononceerd de ruis. Deze overwegingen zijn natuurlijk zuiver theoretisch omdat het bij ADC's in de praktijk bij de beslissingsniveaus niet

lijnen gaat, maar om zuivere banden. Voor een analoge waarde binnen een van deze banden kan de ADC derhalve de ene of de andere discrete equivalente waarde afgeven.

om

18

A

Ook is het mogelijk dat als gevolg van lineairiteits- en verster- kingsafwijkingen de afstanden Q tussen de beslissingsniveaus van ADC's verschillen. Bij kwalitatief hoogwaardige ADC's is geen van deze fouten groter dan ± LSB/2. (15)

+ LSB/2

N J\ SpanningNN NN \LSB/2

Afb. 9 Kwantiseringsfout.

Analoog/digitaal-converter, algemeen DGOIn de meettechniek zijn de meeste signalen in analoge vorm beschikbaar. In een A/D-converter wordt het analoge ingangssignaal omgezet in een digitaal uitgangssignaal, dat wil zeggen in een met het analoge signaal proportioneel digitaal getal.

10 10 1 10 0 10 0 0 0 1 1 10 0 11 0 110 1

Analoog -> Digitaal Converter

Sample-punt 0 0 11110 10 0 0 0 111

/Datawoord

Afb. 10 Schematische opbouw van een A/D-converter.

Andere gangbare aanduidingen voor analoog/digitaal-converters zijn:

Analoog/digitaal-omzetter A/D-converter of ADC.

Bij de conversie wordt met een bepaalde sample-frequentie* de op dat moment heersende waarde van het analoge signaal bepaald. Deze sample-waarden worden vervolgens omgezet in een digitaal signaal en gecodeerd.

19


Een A/D-converter voert dan ook altijd drie stappen uit:

1. tijdsafhankelijk bemonsteren van het analoge signaal2. kwantiseren van de signaalamplitude3. coderen van de gekwantiseerde waarde van de amplitude.

Deze stappen worden of achter elkaar of ten dele gelijktijdig uitgevoerd. [21]

In de oscilloscoop-meettechniek worden voor het digitaliseren van analoge signalen diverse methoden toegepast. De hier beschreven methoden blijven beperkt tot de drie belangrijkste methoden, en wel:

Stapsgewijze benadering* of Successive Approximation Parallel-converters*A/D-converters* met CCD-componenten

Analoge oscilloscoop, blokschema AOAfbeelding 11 toont de principiële opbouw van een tweekanaalsoscilloscoop en de voornaamste onderdelen ervan.

Voorversterker Signaal 1 Signaal 1(2), CHOP, ALT, ADD

> Elektronischeschakelaar!^h oAfbuigversterker

>Ingangen -o

I> Elektronen- straalbuisy, o StuurschakelingPul s- bereiding Z-asVoorversterker

Signaal 2 111 raII — JJUl —Klokpulsgenerator

Trigger-schakelingTrigger-signaal ingang

j >O Horizontale afbuigversterkerZaagtandgenerator

Afb. 1 Ia Blokschema van een analoge oscilloscoop.

20


De ingangssignalen Y1 en Y2 worden via de ingangsverzwakker, de voorversterker, de elektronische schakelaar die de signalen 1 en/of 2 in verschillende modi doorgeeft, en de Y-afbuigversterker toegevoerd aan de verticale afbuigplaten. Om het signaal tweedimensionaal te kunnen weergeven, moet het ook in horizontale richting worden afgebogen. De afbuiging in de X-richting is in eerste instantie tijdsafhankelijk. Deze afbuiging moet in de XY-modus*, maar ook door een ander signaal tot stand kunnen worden gebracht. Om in de X-richting een lineair met de tijd aangroeiende spanning te genereren, worden zaagtandgene- ratoren toegepast waarvan het signaal via de trigger-schakeling en de horizontale afbuigversterker op de horizontale afbuigplaten van de elektronenstraalbuis wordt aangelegd.

Een stilstaand oscillogram verkrijgt men echter pas wanneer tussen horizontale afbuiging en Y-signaal een vaste tijds- en faserelatie bestaat. Daarvoor dient de trigger-schakeling die de zaagtandspanning op een bepaald niveau en op een bepaalde flank van het meetsignaal start (triggert).

Behalve deze interne triggering die door het meetsignaal zelf wordt geactiveerd, kan het afbuigproces ook door een van buitenaf toegevoerd signaal worden gestart (externe triggering). Afhankelijk van de snelheid van de zaagtandspanning en van de tijdsrelatie van het ingangssignaal worden een of meer trillingen op het beeldscherm van de oscilloscoop weergegeven. Dit onderdeel van een oscilloscoop noemt men ook wel de tijdbasis, waarmee diverse tijdfactoren in s/DIV kunnen worden ingesteld. De helderheid waarmee het signaal wordt geschreven, wordt gestuurd via een stuurrooster (de wehnelt-cilinder) van de elektronenstraalbuis* en kan bovendien via de Z-as-sturing* worden gevarieerd.

Auto-Setup-functie/Instellen DGOModerne oscilloscopen zijn uitgerust met een hele reeks nuttige en praktische voorzieningen waarmee de gebruiker over instel- hulpmiddelen beschikt die hem/haar zelfs op tal van punten van de bediening ontlasten. Vanaf Auto-Intensity en Auto-Focus, die onafhankelijk van de instellingen steeds voor dezelfde helderheid en een scherp gebundelde elektronenstraal zorgen, tot en met de Auto-Range-functie waarmee het apparaat de tijdfactor automatisch zo kiest en instelt dat circa 1,5 tot 5 perioden van het meetsignaal op het beeldscherm worden weergegeven [5]. Daar-

22

A

bij komt nog de tegenwoordig standaard ingebouwde Auto- Triggering. Deze functies assisteren bij standaard meetopdrach- ten bij het maken van de eerste parameterinstellingen van de oscilloscoop en dragen er over het algemeen toe bij dat zeer snel een stabiel beeld op het scherm wordt weergegeven. Zo heeft men met name bij gebruik van de uitgebreide Auto-functies geen last meer van 'ontbrekende' golfvormen [5]. Een toppunt van comfort vormen instrumenten die over een Auto-Setup beschikken. Met de betreffende knop worden automatisch ingesteld of vastgesteld:

de actieve signaalingang,1.

2. de afbuiggevoeligheid,

3. de tijdfactor, en

4. het trigger-niveau

De automatisch in te stellen waarden worden bij apparaten die over een dergelijke functie beschikken bij handmatige instelling niet meer met draaischakelaars gekozen, maar met tiptoetsen of softkeys die, door ze ingedrukt te houden, een toe- of afnemende bereikomschakeling mogelijk maken. De met tiptoetsen ingestelde actuele tijd- respectievelijk spanningsfactor wordt bijvoorbeeld in LCD-displays aangegeven of op het beeldscherm zichtbaar gemaakt. Alle met Auto-Setup automatisch gegenereerde instellingen van het instrument kunnen achteraf met de hand naar believen worden gewijzigd.

23

DD

Bandbreedte, eigenstijgtijd van de Y-voorversterker AO & DGO

De bandbreedte van een oscilloscoop, en daarmee de mogelijkheden ervan voor het weergeven van signalen met een zo groot mogelijke bandbreedte, wordt voornamelijk bepaald door het transmissiegedrag van de verticale voorversterker. Daaraan worden de volgende eis gesteld: driftarme gelijkspanningsverster- king bij een zo groot mogelijke bandbreedte. De Y-afbuiggevoeligheid van een elektronenstraalbuis ligt in de orde van grootte van circa 0,1 DIWV. Als laagste afbuigfactor wordt bijvoorbeeld een waarde van 0,1 pV/DIV gebruikt. Bij een meetraster dat 8 schaaldelen hoog (8 DIV) is, volgt daaruit de maximale spanningszwaai voor het Y-kanaal 80 V. Voor de totale versterking volgt hieruit voor de versterkingsfactor v=5000. De totale door het Y-kanaal te leveren versterking kan niet dooréén enkele versterker worden geleverd, maar wordt over de voorversterker en de afbuig versterker geleverd, zoals afbeelding 1 la laat zien. In veel apparaten worden zelfs drie versterkers toegepast om een voldoend hoge totale versterking te bereiken. In het volgende wordt nader ingegaan op het transmissiegedrag van de voorversterker in het door de bandbreedte gekarakteriseerde frequentiebereik. Over het algemeen wordt onder de bandbreedte het frequentiebereik verstaan tussen de punten waarbij de signaalamplitude met 3 dB is afgenomen. De frequentie welke de bandbreedte B aan de bovenkant begrenst, is de bovenste grensfrequentie f0. Bij de oscilloscoop wordt deze bovenste grensfrequentie gewoonlijk aangeduid met bandbreedte. Deze geldt alleen voor sinusvormige signalen omdat bij het weergeven van pulsen of blokspanningen* een andere benadering geldt. Bij f0, of het '3 dB-punt', is de amplitude van het meetsignaal op het scherm van de oscilloscoop nog slechts 0,707 van de waarde van de amplitude van aanzienlijk lagere frequenties. Afbeelding 12a toont de frequentiekarakteristiek van bijvoorbeeld een verticale versterker met de kenmerkende amplitude- afname bij frequenties hoger dan f0.

De meettechnicus moet goed beseffen dat, wanneer de frequentie van het signaal de frequentie f0 nadert, hij/zij de resultaten van kwantitatieve amplitudemetingen met het nodige voorbehoud moet beoordelen omdat bij f0 al met afwijkingen tot 30 %

25


rekening moet worden gehouden. Het amplitudeverloop van metingen in de buurt van de bovenste grensfrequentie is in afbeelding 12b wat gedetailleerder uitgezet door het gebied van 0 tot 3 dB vergroot af te beelden. Langs de X-as is de op de bovenste grensfrequentie fG genormeerde frequentie fnorm = f/f0 van het meetsignaal uitgezet. Op grond hiervan ondergaat een 100 MHz-signaal bij een 100 MHz-oscilloscoop een verzwakking van bijna 30 %. Anderzijds kan in afbeelding 12b ook die frequentie worden afgelezen die een bepaalde verzwakking ondergaat.

V/volt

100 %

ir - 3 dB-punt70,7 %

f.Hz

DC

Afb. 12a Frequentiekarakteristiek van de voorversterker.

Voorbeeld:Bepaal de frequentie die een nog toelaatbare verzwakking van 3 % ondergaat. Daarvoor zoekt men in afbeelding 12b het punt waar het 97 %-niveau van de bandbreedtekromme en de frequen- tielijn elkaar snijden en vindt dan fnorm= 0,3 = f/fG. Bij een oscilloscoop van de 100 MHz-klasse zou op grond hiervan de frequentie waarbij een oscilloscoop-bepaalde amplitudedaling van 3 % optreedt, circa 30 MHz bedragen.

Als vuistregel geldt dat wanneer de amplitude niet meer dan 3 % mag dalen men een oscilloscoop kiest waarvan de bandbreedte circa viermaal zo groot is als de hoogste te meten frequentie.

26

B

100 %

95 %

90 %

\85 %

DJc:

80 % K3M \7 2,5 %

-3dB= 70,7%

0.8 1.00.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Afb. 12b Bruikbare bandbreedte.

Voor pulsmetingen gebruikt men in plaats van de bandbreedte de eigenstijgtijd ta osc van de oscilloscoop omdat dit een 'beter hanteerbaar' criterium is voor het gebruik van het apparaat. Beide waarden - de bandbreedte en de eigenstijgtijd - beschrijven dezelfde eigenschap van het instrument en staan in een bij benadering vaste relatie tot elkaar, namelijk [1]:

. B = 0,35taOSC

Zo bedraagt bijvoorbeeld de eigenstijgtijd van een 100 MHz- oscilloscoop circa 3,5 ns. Aan de hand van deze, voor het apparaat specifieke waarde, kan de praktijkman/vrouw beoordelen of bij stijgtijdmetingen met de eigenstijgtijd van de oscilloscoop rekening moet worden gehouden, of niet. Voor de digitale oscilloscoop geldt een ander criterium voor het beoordelen van het transmissiegedrag van het verticale systeem. In dat geval spreekt men van de bruikbare (geheugen-)bandbreedte. De begrippen analoge bandbreedte en bruikbare bandbreedte hebben niets met elkaar te maken, omdat bij de digitale geheugenoscilloscoop de bruikbare bandbreedte bepaald wordt door de snelheid van de A/D-conversie en de daarop volgende reproduktie van het signaal [1].

27


Bandbreedte en maximale sample-frequentie DGOBij de toelichting op de sample-frequentie is beschreven hoe deze verandert met de ingestelde tijdfactor en de gekozen inter- polatievorm* en afhankelijk is van de lengte van de golfvorm, respectievelijk van de op het beeldscherm weergegeven lengte in rasterdelen. De resolutie van het beeldscherm laat maar één weergave met een eindig aantal punten/lijnen toe. De gespecificeerde bandbreedte of bovenste grensfrequentie hangt bij de digitale oscilloscoop dan ook onmiddellijk samen met de wijze waarop gedigitaliseerde waarden (punten) tot een golfvorm samengesteld kunnen worden. Onder Interpolatie is beschreven welke grenswaarden voor de afzonderlijke systemen gelden. Hier wordt nogmaals het algemene verband gelegd tussen bandbreedte en de wijze waarop het beeld van het signaal wordt samengesteld. Als voorwaarde geldt daarbij dat de dynamische eigenschappen van de Y-versterker van de digitale geheugenoscilloscoop beter zijn dan de aan de weergave van sample- waarden gebonden beperkingen. De genoemde relaties zijn overigens enigszins willekeurig en worden door enkele fabrikanten ten dele verschillend beoordeeld. In de meettechniek hebben ze echter hun nut bewezen terwijl ze in de praktijk algemeen erkend worden.

Puntweergave: Bp = f.

Lineaire interpolatie: BLI = fabt.max/10 (pulsweergave)

Sinusinterpolatie: BSI = f.

/95abt-max'

/2,5ab max

Beeldschermen - een vergelijking AO & DGOBij een vergelijking van de resolutie van beeldschermen zijn bij een analoge oscilloscoop de grafische resolutie en bij een digitale geheugenoscilloscoop de resolutie van de A/D-converter en de geheugenomvang van belang.

Zo gelden:

1. In horizontale richtingIn horizontale richting heeft het beeldscherm van een elektronenstraalbuis een resolutie van 1000 punten. De resolutie wordt mede bepaald door het gezichtsvermogen van de meettechnicus, afbeelding 13.

28

B

Bij digitale opslag heeft de geheugenomvang, respectievelijk de registratielengte als niet de maximale geheugenomvang gebruikt wordt, invloed op de horizontale resolutie van een digitale geheugenoscilloscoop [15]. Meestal heeft een digitale geheugenoscilloscoop een geheugenomvang van 4098 punten (4 K) en sommige apparaten zelfs van 65.536 punten (16 K) of meer. Om de afzonderlijke sample-punten op het beeldscherm te kunnen beoordelen, moet het geheugen met een snellere tijdbasis worden uitgelezen, wat wil zeggen dat alleen delen van de geheugeninhoud op het scherm worden afgebeeld. Om de hele inhoud van het geheugen weer te geven -wat in de standaardmodus het geval is - wordt bijvoorbeeld elk tiende sample-punt, of minder, op het scherm weergegeven. Signalen die met 4000 punten of meer worden weergegeven, zijn niet meer leesbaar.

J-+ 4--H- + 4 44 4' ■4 4 + 4 -t i 4-4- ■tt+ + + H—h ■+ + •-+74■tt4+ + t-f t ■ + 4+ f1+ t -t"t~

400 lijnen

i800 lijnen

i500 lijnen

1000 lijnen

Afb. 13 Resolutie van een analoge oscilloscoop.

2. In verticale richtingIn verticale richting bedraagt de karakteristieke resolutie van het beeldscherm van een elektronenstraalbuis 800 punten, afbeelding 14. Bij digitale opslag werkt alleen de resolutie van de A/D-converter beperkend. In de meeste gevallen worden 8-bits A/D-converters met 256 kwantiseringsstappen gebruikt. Deze gelden voor het hele verticale weergavebereik (FS). Bij een A/D-converter met een resolutie van 12 bits worden 4096 datapunten weergegeven.

29


ResolutieA/D-converter

Geheugenomvang: 1 KB - 64 KB

Afb. 14 Resolutie bij een digitale geheugenoscilloscoop.

Blokspanningen, Weergeven van AO & DGOHet meten en weergeven van blokspanningen behoort tot de standaardmetingen waarbij de oscilloscoop wordt toegepast. Een

♦ uSom

• Theoretische blokvorm = |^de som van al le ,j spanningscomponenten tot y f = oneindig

Grondfrequentie f

Hogereharmonischen

315» 17191111

0.5 ms

-U

»1 2

Afb. 15 Uit sinusspanningen opgebouwde blokspanning.

30

■Ml

B

Fourier-analyse van een blokspanning laat zien dat een blokspanning als in afbeelding 15 wordt gevormd door de som van een oneindig groot aantal sinusvormige trillingen met oneven veelvouden van de grondfrequentie en met steeds kleinere amplitude.

Deze basiseigenschap van puls- of blokspanningen mag bij het weergeven en in het bijzonder bij het evalueren van pulsen en blokspanningen met de oscilloscoop niet uit het oog worden verloren en zonodig moet er rekening mee worden gehouden. Oorzaken van meetfouten zijn de onvermijdelijke ingangs- en bedradingscapaciteiten van de voorversterker die deel uitmaken van de gespecificeerde ingangscapaciteit Cm en die samen met de ingangsweerstand de frequentie-afhankelijke ingangsimpedantie vormen. Hoewel deze effecten in de lagere frequentiebereiken niet optreden worden ze met toenemende frequentie al snel merkbaar, ook als de bovenste grensfrequentie van de oscilloscoop nog lang niet bereikt is. Daarbij kunnen zowel amplitude- fouten als vervormingen van de signaalflanken optreden. Beide foutmogelijkheden hangen voornamelijk samen met de eindige bandbreedte B, respectievelijk de bovenste grensfrequentie f0 van de voorversterker van de oscilloscoop. Afbeelding 16 laat de oscillogrammen zien van een 15 MHz-blokspanning, eenmaal opgenomen met een oscilloscoop met een bandbreedte van 30 MHz en eenmaal met een 60 MHz-apparaat. Uit een kwalitatieve vergelijking van beide schermbeelden blijkt onmiddellijk dat de 60 MHz-oscilloscoop een getrouwere weergave van de blokspanning geeft dan het apparaat van 30 MHz; een frequentie die altijd nog twee keer zo groot is dan de signaalfrequentie.

Terwijl afbeelding 16b een sinusachtige kromme met een frequentie gelijk aan de grondfrequentie laat zien, is in het oscillo-

b)a) i -4-++ +-4 4 4 4^- 4 4 4 4 - ■ 4y -f 41 ■■ 4\4 4—t’ ■

4 +H-4 4 --4 -l-H -h F--4 -T + -t--ï-+-ï + -t- -- I±J- -+ t -“ 4 -4- +

1 ii i i J__ I__ LI__ I

B = 30 MHzB= 60 MHz

Afb. 16 Bandbreedtevergelijking van verschillende Y-versterkers.

31


gram in afbeelding 16a, in weerwil van doorslingeringen, toch nog de rechthoekige vorm te onderscheiden, hoewel de bovenste grensfrequentie van de oscilloscoop bij lange na niet bereikt is. Hieruit blijkt dat hogere harmonischen van pulsen blokspanningen door de eindige bandbreedte heel snel onderdrukt worden, wat aanleiding geeft tot meetfouten. Als vuistregel geldt dat om de steile flanken van een blokspanning, die veel hogere harmonische bevatten, weer te geven de bovenste grensfrequentie van de oscilloscoop circa tienmaal zo groot moet zijn als de grondfrequentie van het gemeten signaal. In de meettechnische praktijk wordt in plaats van de bovenste grensfrequentie voor de karakterisering van de dynamische eigenschappen van de voorversterker de stijgtijd taosc gespecificeerd, zodat er bij het meten van stijgtijden van signalen rekening kan worden gehouden met de relatie tussen eigenstijgtijd tosc = 0,35/fo en stijgtijd ta van het signaal. Uit onderzoek blijkt dat een fout van circa 2 % te verwaarlozen is wanneer de eigenstijgtijd een vijfde bedraagt van de stijgtijd van het signaal. Het vloeiende verloop van de kromme, zonder hoeken en steile flanken (afb. 16b) duidt erop dat er in het weergegeven signaal nauwelijks nog hogere harmonischen voorkomen. Dergelijke krommen verlopen vloeiender naarmate ze de grondfrequentie dichter benaderen[5].Voorts ontstaan nog vervormingen als gevolg van fasefouten. Bij blokvormige spanningen worden deze, naarmate de frequentie ervan de grensfrequentie f0 nadert, in toenemende mate zichtbaar als amplitudeverval en wijzen ze op de differentiërende werking van de ingangscapaciteit. Amplitude- en fasefouten worden op elkaar gesuperponeerd en verminken beide het meetsignaal.

32

CCD-componenten DGOEnkele fabrikanten van digitale geheugenoscilloscopen gebruiken CCD-componenten als tussengeheugen voor de daarop volgende A/D-converter. CCD's zijn snelle, achter elkaar geschakelde ladingsgekoppelde halfgeleidercomponenten.

CCD (Charge Coupled Devices) laat zich het beste vertalen door ladingsgekoppelde componenten.

Het signaal wordt met de ingestelde sample-frequentie gemeten en voor tussenopslag in de CCD-elementen geladen. Deze tussenopslag maakt het gebruik mogelijk van tragere, goedkopere A/D-converters.

CCD

T T T T O O O O TTA/D-converter

Data-uitgangIngangsversterker Klok

Sample-frequentie

Afb. 17 Opbouw van een CCD-component.

De data worden op dezelfde wijze verzameld als bij een schuif- register. Bij de eerste sample-puls wordt de eerste cel geladen. Met de tweede puls wordt de informatie van cel 1 overgeheveld naar cel 2 en is cel 1 weer gereed om de volgende puls op te nemen. Deze procedure wordt herhaald tot de hele geheugenke- ten met informatie gevuld is. Vervolgens worden de data serieel ingelezen in een A/D-converter, die dan nog maar in het kHz- bereik hoeft te werken, geconverteerd en tenslotte opgeslagen in een geheugen. Het voordeel van het gebruik van snelle CCD's schuilt daarin dat toch heel hoge sample-frequenties mogelijk zijn terwijl tegelijkertijd goedkope, langzame A/D-converters

33


met hoge resolutie gebruikt kunnen worden. Sample-frequenties van circa 250 MHz bij een geheugenomvang van circa 4096 woorden behoren tot de mogelijkheden. CCD-componenten onderscheiden zich van andere, vergelijkbare componenten door hun gunstige prijs/prestatie-verhouding. CCD-componenten werden oorspronkelijk ten behoeve van de TV- en de videosector ontwikkeld. Zo wordt bijvoorbeeld bij moderne TV-ontvangers het uitgezonden TV-beeld tussentijds opgeslagen in CCD-componenten en vervolgens voor een tweede maal afgebeeld. Op die manier wordt een beeldfrequentie van 100 beelden per seconde verkregen.

T T T

yf + \+ ++ +ï/* t + +\-h-f-+/- -t -t +hV +•-t -i-ï -r-N/++ +— ■-t + t + t+-++t -+ +- -f -+- 4- 4- +-H- + + -I--

4- A & B = alternerende weergave44-

A— ~i

ii iI_____j

i i ii i ii

T l T «= 10 x TIME/DIV + Hold Offri

TT T✓-+f4-44-+444-■4444+4444-

✓//I /4 4 -//

--H^4 4 4-+-h4 4- - + 4-H-h+t4t --++LmzJ^4 +lrh rjr -

I

II I

-/+ ^ 4 4 ^—f 4 + ■‘4 4 4 4 + + 4 /{-4 4 444444 4- -4 4 4 -4 4s4/4 4 4-

4+44 414 4 - 44+4+44“

4 -

c C = Chopper-modus

*4*+l 4J4-i i ii___ ii

1/fchop

Afb. 18 CHOPPER-modus.

34

T I

c

CHOPPED, modus AO & DGOWanneer in een tweekanaalsoscilloscoop - in de praktijk de meest gebruikte oscilloscoop - twee signalen tegelijk moeten worden weergegeven, is dat alleen mogelijk in de tijdmultiplex- modus. Daarbij maakt men gebruik van de traagheid van het menselijk oog en schakelt elektronisch heen en weer tussen de beide voorversterkte signalen Y1 en Y2 (zie afb. 11).

Een van de twee mogelijke modi daarbij is omschakelen met een vaste frequentie, de zogenaamde 'CHOPPED'-modus. De gebruikelijke CHOP-frequenties lopen van enkele honderden kilo- hertz tot 5 MHz. Afbeelding 18 toont de onderlinge relaties aan de hand van een voorbeeld met een sinusvormige en een blokspanning. Gedurende de eerste halve periode van het chopper- signaal wordt eerst kanaal Y1 doorgelaten en gedurende de tweede halve periode kanaal Y2.

CHOPPED-frequentie

1/fchop

Afb. 19 Beeldschermweergave in de Chopper-modus.

35


De modus CHOPPED is vooral geschikt voor betrekkelijk trage afbuigsnelheden, dat wil zeggen voor signaalfrequenties van 50 kHz...100 kHz, omdat alleen dan schijnbaar naadloze golfvormen kunnen worden weergegeven wanneer de omschakelfrequentie voldoende hoog is ten opzichte van de beide signaalfrequenties. Daarbij is het van belang dat de faserelatie van de boven elkaar weergegeven golfvormen behouden blijft en een als functie van de tijd eenduidige evaluatie van de krommen gegarandeerd is. Tijdens het omschakelen van het ene signaal naar het andere wordt de elektronenstraal onderdrukt, zodat bij het heen en weer springen tussen de beide meetsignalen geen verticale lijnen verschijnen. Wordt het gechoppte signaal voor triggering gebruikt dan moet er rekening mee worden gehouden dat dan meestal op de omschakelfrequentie getriggerd wordt, voor zover er althans van de zijde van de apparatuur niet voor gezorgd is dat in dat geval de triggering op dezelfde wijze tot stand komt als bij de verticale modus ADD.

Componenten testen met de oscilloscoop AO & DGOMet behulp van een componententester en een oscilloscoop kunnen niet alleen losse halfgeleiders, weerstanden, condensatoren en spoelen worden getest, maar vaak ook zonder die uit de schakeling te hoeven solderen. Onderdelen met aansluitdraden, of een te testen schakeling worden aangesloten via twee meetsnoeren. Vooral bij reparaties van elektronische apparaten is de componententester een handig instrument waarmee in een oog-

oYo 1(XJ

i ;j iComponent onder testi !

° h"VTe = 8.5 V1 k

°Y2o

Afb. 20 Principeschema van een componententester.

36

c

wenk een goed-/foutuitspraak mogelijk is. Ook kunnen op die manier snel vergelijkende tests met referentie-onderdelen worden uitgevoerd. Daarenboven kunnen onderdelen ook in ingesoldeerde toestand worden getest, voor zover het althans mogelijk is de golfvorm te vergelijken met die van een onberispelijk werkende schakeling.

Het principe is eenvoudig. Van de nettransformator wordt een sinusvormige spanning afgenomen die wordt toegevoerd aan het component onder test met daarin in serie geschakeld een weerstand (XY-modus*). Zoals uit het principeschema blijkt, is een componententester eenvoudig te bouwen. Met de nominale test- spanning Vcff=8,5V kunnen componenten tot V, = 12V in voorwaarts- en tegenwaartsrichting worden getest. De serie- weerstand is erop berekend de stroom te begrenzen tot 8 mA.

Werkt de oscilloscoop in de XY-modus dan wordt het signaal door de positieve halve golf van de sinus weergegeven in het eerste kwadrant.

JL Ohmse weerstandA

(♦)

V/volt-----------

(-)

Afb. 21 Weergavemodus. Afb. 22 Karakteristieken van ohmse weerstanden.

De weergave in het derde kwadrant komt tot stand door de negatieve halve golf van de sinus. Is het component onder test een reële grootheid (bijvoorbeeld een weerstand) dan zijn beide afbuigspanningen in fase. Op het beeldscherm wordt dan de weerstandskarakteristiek weergegeven. Door de meetsnoeren kort te sluiten, ontstaat een verticale lijn. Bij open klemmen daarentegen ontstaat een horizontale lijn.

37


l

Schakelaar geopend Kortsluiting

Afb. 23 Rechts: kortsluiting. Links: onderbreking.

Condensatoren en spoelen zorgen voor een faseverschuiving tussen stroom en spanning, dus ook tussen de afbuigspanningen. Als gevolg daarvan ontstaan ellipsvormige beelden. De schuine stand en de breedte van de ellips zijn kenmerkend voor de grootte van de reactantie.

C = 33 pF

Afb. 24 Karakteristiek van een condensator.

Halfgeleiders herkent men aan de spanningsafhankelijke knik in de karakteristiek bij de overgang van geleidende naar niet- geleidende toestand. Voor zover de voedingsspanning dat toelaat, worden voorwaarts-en tegenwaartskarakteristiek weergegeven (bijvoorbeeld van een Z-diode met een zenerspanning van minder dan 8 V, enzovoort). Omdat het hierbij altijd om twee-

38

c

pooltesten gaat, is het bijvoorbeeld niet mogelijk met een componententester de versterking van een transistor te meten.

I

Diode, ZO hoger dan 12 V

ZD kleiner dan 8 VGermaniumdiode

Afb. 25a-c Diodekarakteristieken.

Het is mogelijk de afzonderlijke PN-overgangen van halfgeleiders te testen zonder de grenswaarden ervan te overschrijden, omdat op de te testen component een spanning van maar enkele volts wordt aangelegd. In veel gevallen is het mogelijk rechtstreeks in de schakeling te testen; overigens zorgt parallelschakeling met andere componenten voor een opmerkelijke springende verandering in het testbeeld. Met enige ervaring, of door rechtstreekse vergelijking met functionerende schakelingen, kunnen foutieve componenten echter snel worden opgespoord. In geval van twijfel moet het component aan één zijde worden losgesoldeerd.

39


Voorbeelden van andere testbeelden:

T

PNP-transistor; CE-trajectNPN-transistor; CE*traject

Afb. 26 Testbeelden van NPN- en PNP-transistors.

1/IBE-traject

Afb. 27 Basis-emittertraject van een bipolaire transistor.

Thyristor, gate en anode

Afb. 28 Thyristor- en diodekarakteristiek.

2 diodes, antiparallel

40

c

>*-> IVAA-T£ i•" Mf-

i

<LD

* 00 CO03 O

O) c"O •'■EN

C O ZC C O fO L O q.4-1 in

c IoI

c WWV!-*-c : 4O)

z*:Iu :o

00 . J Hf

?!! 22? Ilï

1gI 1

lI4J40 L .03

4-> (Vai

03O -Co u

00 i/>rX®

I I

1 IC- --JJ$vvt 1 a*4 c oc ~2jI o rvCL I ^ 03

rC >■ cn u— c

c03z CLI - I 00> >

V o£8

-ASU

t

Afb. 29 Schema componententester HZ 65, HAMEG.

41


Overigens doet men er goed aan bij de afzonderlijke MOS- componenten de gebruikelijke voorzichtigheid ten aanzien van statische lading of wrijvingselektriciteit in acht te nemen. Bij hoogohmige MOS- en CMOS-componenten moeten de juiste voorzorgsmaatregelen worden getroffen om vernieling van de componenten door hoge statische spanningen te voorkomen[30].

Cursor-metingen DGOOnder een cursor verstaat men een in het schermbeeld ingemengde en door de bediener met de hand verplaatsbaar kruis- of lijnvormig merkteken. Hiermee kan hij/zij willekeurige details van golfvormen, zoals bijvoorbeeld nuldoorgang of piekwaarde, markeren en deze voor digitale meting tussen een referentiepunt en het merkteken gebruiken. Krachtige digitale geheugenoscilloscopen werken meestal met twee paar cursors, waarvan één paar voor horizontale metingen en een ander paar voor verticale metingen worden gebruikt. Deze meestal lijnvormige cursors dienen als referentie- en meetmarkeringen waarmee spannings- en tijdintervallen gemeten of frequentiemetingen uitgevoerd kunnen worden. De meetresultaten van verschilmetingen worden als getalwaarden aan de boven- of aan de onderrand van het beeldscherm afgebeeld. Om met cursors te kunnen meten, zijn in de digitale geheugenoscilloscoop bovendien digitale meetinstrumenten voor spanning en frequentie/tijd ingebouwd. De keuze en de verplaatsing van de cursors gebeurt door de betreffende menu's op te roepen, dan wel met draaiknoppen waarmee bijvoorbeeld bij stijgtijdmetingen de verticale 10 %- respectievelijk 90 %-punten worden ingesteld. Het op die manier gemeten tijdverschil komt exact overeen met de stijgtijd, maar kan nu als getalwaarde van het beeldscherm worden af gelezen. Een voorbeeld voor het meten van spanningsverschillen is de Vpp-meting aan een sinusvormig signaal. Referentielijn en meetcursor worden op respectievelijk de minimum- en de maximumwaarde ingesteld. De betreffende piek-piekwaarde is onmiddellijk als getalwaarde afleesbaar. Ook zijn verhoudingsmetingen ten opzichte van vrij kiesbare referentiegrootheden mogelijk. Bij cur- sormetingen dient men er op toe te zien dat de punten op de golfvorm waartussen gemeten wordt, geschikt gekozen worden, om zo goed mogelijke meetresultaten te verkrijgen. Zo moet bij tijdmetingen de meetcursor waar mogelijk op het steilste deel van de flank van het signaal worden gezet. De periodeduur van

sinusvormig signaal is het beste te meten tussen tweeeen

42

c

nuldoorgangen [36]. Hieronder volgen de voornaamste metingen die met de cursor-meetfunctie bijzonder praktisch kunnen worden uitgevoerd [5]:

1. Absolute spanning (V, referentiecursor is GND)2. Verschilspanning (V, bijvoorbeeld piep-piekwaarde)3. Spanningsverhouding (V %, bijvoorbeeld relatieve door-

slingering)4. Spanningsverhouding (dB, referentiegrootheid kiesbaar)5. Tijdverschil (t, bijvoorbeeld stijgtijd ta)6. Frequentiemeting (1/t)7. Faseverschuiving (fase)

Hoewel de met de cursor gemeten waarden vaak met 3*/2 of zelfs met meer cijfers worden gepresenteerd, moet het voor de meettechnicus duidelijk zijn dat daarmee meetfouten niet tot het verleden behoren. Bij spanningsmetingen worden weliswaar interpolatiefouten van de bediener en fouten van de beeldbuis vermeden, maar mogelijke fouten van de ingangsverzwakker, de Y-voorversterker, fouten als gevolg van de A/D-conversie of door belasting van het meetobject voorkomt men er niet mee. Andere fouten waarmee men natuurlijk rekening moet houden, zijn de fouten van de aanvullend ingebouwde meetapparaten (digitale multimeter/frequentieteller). Is een meetkop aangesloten dan komt daar nog de eigenfout van dit hulpstuk bij, die in de orde van grootte van 1,5 % ligt. Al met al moet met meetfouten van 2 tot 3 % rekening worden gehouden [5]. In de specificaties van de fabrikant zijn de fouten soms afzonderlijk vermeld; bijvoorbeel ± 1 digit voor de digitale multimeter, en ± 2,5 % van de afgelezen waarde voor het verticale systeem. De fout langs de X-as is daarentegen duidelijk kleiner omdat de tijdbasis van een digitale oscilloscoop van een heel nauwkeurige kristalgestuurde tijdbasis wordt afgeleid. De relatieve fout bij het meten van tijdverschillen hangt af van het aantal punten waarmee deze interval gemeten wordt en van het totale aantal beeldpunten over de breedte van het scherm [5].

Voorbeeld:Een meetsignaal wordt op de digitale geheugenoscilloscoop weergegeven op een beeldscherm met 1000 punten. De breedte van het beeldscherm bedraagt 10DIV. Bij een cursor-meting wordt een detail van 3 DIV gemarkeerd. In de tijdmeting treedt dan een meetfout op van ± 1/(3 DIV . 100/DIV) = 0,33 %.

43

Decibel, dB Analoog & DGOIn de elektrische meettechniek worden specificaties voor verzwakking, versterking, niveaus, frequentiekarakteristieken en dynamisch bereik heel vaak uitgedrukt in decibels (dB's). Daarbij gaat het om een logaritmische maatstaf voor de verhouding tussen twee elektrische grootheden. Men geeft daarmee de verhouding aan tussen een gemeten grootheid en een referentiegrootheid. Een voorbeeld daarvan is de bij de bandbreedte van de voorversterker besproken grensfrequentie, waarbij volgens de definitie de amplitude ten opzichte van die van de ingangsfre- quentie met 3 dB is af genomen. In de telecommunicatietechniek of elektrotechniek/elektronica kan bijvoorbeeld een demping ‘a’ worden uitgedrukt als de verhouding tussen de amplitude van stroom, spanning of vermogen aan de uitgang van een vierpool en de overeenkomstige amplitude aan de ingang ervan.

I2Zi I1{ o

P2V, II V2 Z2VgiO

!o

Afb. 30 Vierpool met karakteristieke in- en uitgangsgrootheden.

Daarin zijn:

VI, 11 lngangsspanning, -stroom V2,12 Uitgangsspanning, -stroom PI lngangsvermogen

P2 Uitgangsvermogen Z1 lngangsimpedantie Z2 Afsluitimpedantie

Als vierpool wordt schematisch elk elektrisch netwerk aangeduid dat zowel aan zijn ingang als aan zijn uitgang twee klemmen heeft [27]. Al naar gelang de interne opbouw kan een vierpool versterken of verzwakken. Als vierpolen kunnen trans- missieketens, zoals bijvoorbeeld leidingen, zenders, ontvangers, versterkers, verzwakkers (bijvoorbeeld ingangsverzwakkers), filters, enzovoort worden beschouwd [24]. Er is van versterking sprake wanneer < 1. Verzwakking treedt op bij V2/V { > 1.

45


Voor de verhouding tussen transmissiegrootheden gebruikt men de logaritme met het grondtal 10. Daaruit volgen de volgende vergelijkingen:

Vermogen: a = 10 . log P2/P, dB

Spanning: a = 20 . log V2/V, dB

Stroom: a = 20 . log I2/I, dB

Specificaties in dB-waarden hebben verschillende voordelen: enerzijds zorgen logaritmen voor handzame getallen, ook wanneer de verhoudingen die eraan ten grondslag liggen zeer groot of zeer klein zijn. Anderzijds mogen, wanneer het binnen een transmissieketen om versterkers gaat, dB-waarden eenvoudig bij elkaar worden opgeteld, of van elkaar worden afgetrokken als het om een verzwakkend netwerk gaat.

i

Voorbeeld 1:De ingangsspanning van een vermogensversterker bedraagt 0,1 V, als uitgangsspanning wordt 100 V gemeten.

Gevraagd: de versterking in dB.Oplossing: a = 20 log 100 V/0,1 V = 20 log 1000 = 60 dB

Voorbeeld 2:Afbeelding 31 toont een aantal achter elkaar geschakelde bouwgroepen met de daarbij behorende dB-waarden.

15.85 mV =U«3,5Sn>VSO.UpV 5.012mV

Tl—*— -o'""U ♦ 13 dB- 6 dB ♦ 40dB - 3dBTransmissieketen

Ra = Re

Afb. 31 Transmissieketen.

Gevraagd: de totale versterking in dB.Oplossing: Door de dB-waarden van de afzonderlijke elementen van de transmissieketen bij elkaar op te tellen, vindt men de totale versterking: a,ol = + 37 dB

46

D

Als hulpmiddel bij het om- en terugrekenen van gespecificeerde dB-waarden gebruikt men een tabel van spannings- respectievelijk vermogensverhoudingen. Tussenliggende waarden kunnen daaruit worden afgeleid door bijvoorbeeld de betreffende spanningsverhouding in factoren te ontbinden en de dB-waarden eenvoudig bij elkaar op te tellen.

Vermogens-dBverhouding

dBSpanningsverhouding

1 011,261,12 1

1,26 1,59 21,41 2 3

62 49,53 9103,16 10

4 15,9 1213204,47145 251863,17,92010010264002029,589129,830100031,6342500504010000

1000000100

601000

Voorbeeld 3:De spanningsverhouding bedraagt 50.

Gevraagd: de dB-waarde.Oplossing: V2/V, = 50 = 5 . 10 => 14 dB + 20 dB = 34 dB

Voorbeeld 4:Stel de demping van een spanningsdeler bedraagt 25 dB.

Gevraagd: Met welke factor wordt een spanning verzwakt? Oplossing: 25 dB = 20 dB + 3 dB + 2 dB = 10.1,41.1,26= 17,8. De spanningsverhouding bedraagt derhalve 17,8.

Behalve de hier genoemde dB-definities worden in de telecommunicatietechniek en akoestiek nog andere decibeldefinities

47


respectievelijk niveaus gehanteerd die samenhangen met de referentiegrootheden die er aan ten grondslag liggen. Zo worden bijvoorbeeld in de telecommunicatietechniek als absoluut spanningsniveau de grootheid dB/jV met als referentiespanning 1 pV, of als absoluut niveau dBm ten opzichte van 1 mW over een afsluitweerstand Ra = 600 ohm en andere niveaudefinities gebruikt. Ook in de akoestiek werkt men met niveauspecificaties. Zo is bijvoorbeeld voor het geluidsdrukniveau Lp de onderste gehoorgrens met Peff0 = 2 . 10'5 Pa als referentiegeluidsdruk vastgelegd [12].\

i >

Differentiaal-modus AO & DGOOscilloscoop-gebruikers moeten vaak metingen verrichten waarbij noch het ene noch het andere meetpunt op aardpotentiaal ligt. Men spreekt in dat verband van een zwevende meting. Een 'koud' aansluitpunt kan soms een spanning van enkele honderden volts ten opzichte van aarde voeren. Ook moet bij veel van die metingen een sterk 'common-mode'-signaal onderdrukt worden om een zwak signaal te kunnen onderzoeken. De populairste manier om vrij van aarde te meten is de "quasi- differentiaal- methode'. De meeste tweekanaalsoscilloscopen beschikken behalve over de ADD-modus*, waarbij de signalen van beide kanalen bij elkaar worden opgeteld, nog over de mogelijkheid twee signalen van elkaar af te trekken zodat aan één kanaal het verschilsignaal verschijnt.

Voorbeeld:In de afgebeelde fase-aansnijschakeling moet de spanning over de diac gemeten worden. De punten A en B liggen niet aan massa. Bij gebruik van een meetkop zou met de massa-aanslui- ting van het meetsnoer punt A of punt B kortgesloten worden. In de tweekanaalsmodus wordt de spanning op punt A aan signaalingang Y, gelegd en met de signaal ingang Y2 de spanning van punt B afgenomen. Beide spanningen worden ten opzichte van massa gemeten.

De oscilloscoop werkt daarbij in de differentiaal-modus, dat wil zeggen dat beide signalen van A en B van elkaar worden afgetrokken. Op die manier wordt dus de spanningsval over de diac gemeten. De modus differentiaalmeting kan problemen opleveren wanneer men probeert zwakke signalen in aanwezigheid van hoge common-mode-spanningen te onderzoeken. Hier is het common-mode-bereik beperkt en de common-mode-on-

48

D

Ri

{ }o

1K5

y/ 220 k

== 0.1 uF *=±= 22 n F

O-

Afb. 32 Fase-aansnijschakeling, meetpunt A en B.

derdrukking gering. Echte differentiële meetmogelijkheden zijn mogelijk met versterkers die speciaal voor een goede common- mode-onderdrukking zijn ingericht en uitsluitend het verschilsignaal aangeven (20).'Differentiaalversterkeringangen'* en Tsolatieversterkeringan- gen'*

Digitale geheugenoscilioscoop, blokschema DGOTussen analoge oscilloscopen en digitale geheugenoscilloscopen bestaan vanuit het oogpunt van de opbouw van en de samenwerking tussen de afzonderlijke bouwgroepen overeenkomsten omdat beide soorten instrumenten tot taak hebben golfvormen als functie van tijd weer te geven. Afbeelding 33 toont het blokschema met de voornaamste componenten en bouwgroepen van een tweekanaals digitale geheugenoscilioscoop. De ingangssignalen worden eerst toegevoerd aan de voorversterker en de ingangsverzwakker die voor aanpassing van de amplitude van het signaal aan de grootte van het beeldscherm zorgen. Eigenschappen en modi zoals ingangsimpedantie, ingangskoppeling, afbuiggevoeligheid, voorversterker, enzovoort komen overeen met die van de analoge oscilloscoop. De parameters van de betreffende modi

49


zijn meestal instelbaar door middel van softkeys/tiptoetsen. Na de uitgang van de voorversterker verschillen de Y-kanalen van digitale geheugenoscilloscopen echter aanzienlijk van die van analoge apparaten. Na de voorversterker wordt het signaal in de sample-and-hold-schakeling bemonsterd en tussentijds opgeslagen. In de daarop volgende analoog/digitaal-converter (ADC) volgt de omzetting van de analoge sample-waarden in datawoorden van de juiste lengte, die weer een maatstaf is voor de spanningsresolutie van het instrument. Belangrijk daarbij is dat de digitale geheugenoscilloscoop voor elk kanaal over een eigen ADC beschikt zodat geen onnodig tijdverlies optreedt door multiplexen tussen twee kanalen waardoor het gebruik van het instrument in zijn frequentiebereik beperkt zou worden. Na kwantisering van de sample-waarden door de ADC komen de datawoorden eerst in een buffergeheugen en vervolgens in het hoofdgeheugen, waarin ze telkens onder bepaalde adressen worden opgeslagen. Moderne instrumenten hebben zowel een buffergeheugen als een hoofdgeheugen omdat bij slechts één als hoofdgeheugen fungerend geheugen voor de juiste tijdsafhankelijke relatie tussen schrijf- en leesfasen gezorgd moet worden. Zodra de sample-waarden gedigitaliseerd en als datawoorden opgeslagen zijn, kunnen ze met vaste frequentie uit het hoofdgeheugen worden gelezen en toegevoerd aan de digitaal/analoog- converter (DAC), die de binair getallen weer omzet in analoge waarden en deze op het beeldscherm presenteert. Zowel de DAC als het hoofdgeheugen bezitten een analoge respectievelijk digitale uitgang. Bij het hoofdgeheugen fungeert deze interface ook als ingang. De tijdbasis wordt ingesteld via een programmeerbare frequentiedeler waarvan het uitgangssignaal wordt afgeleid van een stabiele kristaloscillator (fout ±0,1 %). Deze componenten sturen enerzijds de digitalisering en anderzijds, in samenwerking met de adressentellers, het in- en uitlezen van de data in/ uit het geheugen. De X-afbuiging moet een vaste tijdsrelatie met de bemonstering en weergave van de signaalspanning op het beeldscherm hebben. De DAC voor de X-sturing heeft onder controle van de programmasturing samen met de kristaloscillator tot taak de gegenereerde trapvormige helling weer om te zetten in een analoog signaal voor het sturen van de X-afbuiging en heeft een analoge uitgang voor bijvoorbeeld het aan sturen van een schrijver. De programmasturing coördineert het logische en tijdsafhankelijke verloop van alle processen in het instrument. Zowel de tijdsafhankelijke als de verticale data van het meetsignaal kunnen voorbereid, verwerkt en in de tekengenerator gewijzigd worden voordat ze op het beeldscherm weergegeven worden. Vooreen flikkervrije weergave van het meetsignaal worden beeldfrequenties van ± 70 Hz gebruikt.

.:»h

50

D

x>-cna> cc0303 cncn

+J

=53

CCc - XC

ZD 5ooCD

03 O 03 03E CEcn03 4- i- 3 03 4-3 O

s5ï *X3 Cl <

i O* T? 3 **- Cl O £ I

S.x

-22

■SUi

CNO)

4->QJ. s

U O'Cl 3

O-

-2

25iI03 c*c co4-3 2 i

Üo aC/> T-□ i_ co

cor 200 aUio. -oo. -o 'UcEE03 O W OÖ XUi o03 Ui a03UiWo8 X

§cCD 1/3CD4—> 03CD *3-QCDE CD "OE 03030303 -a03

CDQ. 03 aiï Cl -5QJ CL 0303tt 55 4-»4J t-N 05ï Ï > > > cn°nI 4-3 4LUOJ>- >-

51


Digitaal systeem voor het meten en verwerken van analoge signalen DGO

In de meettechniek komen veel meetgrootheden voor als analoge, in tijd veranderlijke, periodieke of puls vormige signalen. Om deze signalen digitaal te kunnen verwerken, moeten ze daarvoor in diverse trappen van de schakeling eerst geschikt worden gemaakt. Omdat een dergelijk systeem voor het meten en verder verwerken van analoge signalen, deel uitmaakt van elke digitale geheugenoscilloscoop, transiënt-recorder of logica-analysator dient het systeem op grond van het fundamentele belang ervan voor digitale geheugenoscilloscopen voor wat betreft de verwerking van het signaal nader te worden toegelicht. Afbeelding 34 toont schematisch de gang van zaken bij de signaalverwerking dooreen dergelijk systeem. Bij veel meetinstrumenten wordt het analoge, respectievelijk periodieke meetsignaal x(t) om aliasing* te voorkomen eerst toegevoerd aan een laagdoorlaatfilter met stijle flank (anti-aliasing-filter met een demping van > 40 dB/ decade) bij frequenties hoger dan f0 (afb. 34a). De begrenzing zorgt voor gedefinieerde frequentieverhoudingen tussen sample- frequentie en Nyquist-frequentie* zodat het signaal niet vervormd raakt en bij de weergave ervan de tijdsrelaties niet verkeerd beoordeeld wordt.

Overigens kleven er aan de bandbegrenzing door filteren ook bepaalde bezwaren. Enerzijds treden er in het doorlaatbereik van het filter extra dempingen van verschillende grootte op, terwijl anderzijds als gevolg van de bandbegrenzing het spronggedrag van pulsvormige signalen aanzienlijk verandert [5], omdat componenten van het signaal met frequenties hoger dan de grensfrequentie van het laagdoorlaatfilter onderdrukt worden. Na het filter wordt het in bandbreedte begrensde signaal x'(t) toegevoerd aan een sample-and-hold-schakeling (afb. 34b) waarin het wordt omgezet in analoge, tijddiscrete sample-waarden.

Amplitude-kwantisering en codering worden verzorgd door de A/D-converter in afbeelding 34 die de tijddiscrete sample-waarden omzet in digitale getallen met n binaire posities. Het gekozen aantal bits (8, 10, 12... bits) is hier bepalend voor het aantal kwantiseringsstappen (256, 1024,4096 ...) van de amplitude van het meetsignaal. Daarbij ontstaat ook de onvermijdelijke kwantiseringsfout*, die maximaal gelijk is aan de helft van de kleinste stapgrootte van de LSB (Least Significant Bit), en 1/2 LSB bedraagt. Voor de A/D-conversie worden diverse systemen toegepast. Een bijzonder snelle conversie wordt bereikt met het

52

o

Analoge signaalingang

o ■o

laagdoorlaat- fi1 ter

Aliasing- Fil ter•)

b) Sample-and-hold- versterker Tijd-

kwantiseringt

^ j j Sample-frequentieu

N // . /\/A/D-converterc) Amplitude- kwantisering

r\ /

Nr1Coda

100

Algoritmed) Digitale processor

Interface011010

001

000

D/A-converter•)

Ym// \Deglitcher(J Track-and-hold-

versterker//

/« /

ivf tLaagdoorlaatfi1 terData-

reconstructie

Afb. 34 Systeem voor digitale verwerking van analoge signalen.

53


parallelsysteem volgens het principe van de Flash-converter. De daarna als digitale getallen beschikbare sample-waarden worden opgeslagen en kunnen in het processor-systeem verder bewerkt, of voor verdere verwerking via interfaces aan een andere computer doorgegeven worden (afb. 34d). Om het meetsignaal op de elektronenstraalbuis zichtbaar te maken, moeten de in digitale vorm beschikbare meetgegevens in een D/A-converter (afb. 34c) in analoge signalen worden omgezet, voor zover althans geen andere soorten beeldschermen (bijvoorbeeld raster-displays) gebruikt worden, waarop hier verder niet wordt ingegaan. Om conversiefouten in het tijddomein te voorkomen, doorloopt het analoge, weer in tijd gekwantificeerde, signaal een andere sample-and-hold-versterker (afb. 34f) met daarachter een Iaagdoor- laatfilter die de in de trapspanning aan de uitgang van de D/A-converter nog aanwezige ongewenste frequentiecomponenten onderdrukt. Tenslotte wordt het analoge signaal toegevoerd aan de Y-versterker en de elektronenstraalbuis waarop het signaal als functie van tijd in de vorm van een reeks punten wordt afgebeeld.

Donkerschakeling AO & DGONa elke voltooide schrijfbeweging moet de elektronenstraal van de rechterkant van het beeldscherm naar de linkerkant worden teruggebracht om het beeld opnieuw te kunnen schrijven. In afbeelding 35 is de terugslag van de elektronenstraal schematisch voorgesteld.

1 1 r~+ -+-+-+

■+ ■+T "t Terugslag-+J: av ,■"-f -+ -A+ -t -f + --t4+V-M-/ï+- —t—I—l- A-t ■+ ■+■ ■--+ -+-+-ï

+ --t-i-Wachttijd

4-4--*--l

Afb. 35 Oscillogram met terugslag van de elektronenstraal.

Tijdens de terugslagtijd wordt de elektronenstraal door de wehnelt-cilinder geblokkeerd en is derhalve niet meer zichtbaar. Op

54

D

die manier kan de terugslag niet de eigenlijke golfvorm verminken en/of de waarnemer van het meetsignaal irriteren. De terugslagtijd is ongeveer 0,1 van de waarde van de heenslagtijd.

Dot-joining (puntverbinding) Smoothing (afvlakken) DGO

Voordat het bemonsterde, gedigitaliseerde en opgeslagen signaal weer op het beeldscherm van de digitale oscilloscoop gepresenteerd kan worden, moeten de in het geheugen opgeslagen sample-waarden weer worden omgezet in analoge signalen. Dit is de taak van de digitaal/analoog-converter, die de daarna weer analoge waarden voor presentatie op het beeldscherm doorgeeft. Bij het in puntvorm weergeven van signalen met hogere frequenties, of van signalen met steile flanken, wordt al vrij snel de grens van een duidelijke weergave van het signaal bereikt omdat het aantal punten, naarmate de tijdbasis verder wordt uitgerekt, steeds geringer wordt zodat tussen de punten open tussenruimten blijven bestaan. Anderzijds heeft een en ander bij steile flanken vaak tot gevolg dat deze helemaal niet afgebeeld worden omdat bijvoorbeeld alleen sample-waarden van de boven- of van de onderzijde van de puls beschikbaar zijn (zie ook afb. 88) pulspa- rameters*.

Bij sterk uitgerekte tijdbasis kunnen deze bezwaren door verschillende manieren van interpoleren, door berekening of door het invoegen van extra waarden worden opgeheven en de bruikbare geheugenbandbreedte* worden vergroot. Een andere eenvoudige manier om duidelijke golfvormen te verkrijgen, is de spanningssprongen aan de uitgang van de digitaal/analoog-converter door vertraging af te vlakken zodat het lijkt alsof de punten met elkaar verbonden zijn.Deze met dot-joining (puntverbindend) aangeduide methode is echter alleen bij niet al te kleine aantallen punten bruikbaar. Afbeelding 36 toont ter vergelijking een golfvorm met en zonder dot-joining. Veel fabrikanten spreken ook van smoothing (afvlakken) hoewel het begrip niet exact gedefinieerd is en vloeiend verlopende krommen ook op andere manieren verkregen kunnen worden. Een van deze fabrikanten verstaat onder 'smoothing' een methode die in de envelope-modus* wordt toegepast. In deze modus voor piekwaardeherkenning verschijnen in het weergegeven signaal afwisselend minima en maxima die verbonden zijn door vectoren. Zoals afbeelding 36b/curve B laat zien, ontstaat

55

Oscilloscoop meettftfthniplf^jjn A In» 7

!+-A' .~s. •••••

• /V

II j3

Afb. 36 Met en zonder dot-joining opgenomen golfvormen.

AVI =2.48 v AT=68 8msSREF I 3 SAVEACurve *+►

A

7 \\ VKy\Z7■

c

*>EAK0ET- 5ms2V

Afb. 36b Omhullenden ofpiekwaarde-herkenning.

een sterk getand verlopende kromme die op de waarnemer een storende indruk maakt. Bij instrumenten van dit fabrikaat worden door een speciaal afvlaksysteem aangrenzende sample- waarden volgens een bepaalde algoritme vergeleken en anders gerangschikt/verwisseld alsmede door extra in te voegen afvlak- vectoren geïnterpreteerd [15]. Door een dergelijk signaal op die manier te bewerken, ontstaat een gesloten kromme (afbeelding 36b/curve C, als in curve B) waarbij in tegenstelling tot curve A de mogelijkheid spanningspieken in de vorm van glitches* vast te houden en weer te geven volledig behouden blijft.

56

Vuïóei^»*weVse'aar»

\N< *~r-

Elektronenstraalbuis AO & DGO

De elektronenstraalbuis, in Engelstalige literatuur aangeduid met Cathode Ray Tube (CRT), speelt in de oscilloscoop een centrale rol omdat deze de eigenlijke taak van het apparaat, namelijk het weergeven van een tijdsafhankelijke spanning, op zich neemt. De prijs van een oscilloscoop wordt in feite bepaald door de eigenschappen en de opbouw van de elektronenstraalbuis. Afbeelding 37 toont schematisch de opbouw van een elektronenstraalbuis met de belangrijkste onderdelen ervan.

Naversnel 1ingsanodeY-as O

X-asoWehneltci1inder Hulpanode Anode

/V-Orara

o D -■O■r G1oeïdraad~ ~

CUoo

/6 X

Kathode LCZfl L_ gzjHelderheid Focus Fluorescerende laagY

Afb. 37 Elektronenstraalbuis.

De elektronenstraalbuis moet luchtledig zijn zodat de electronen zich vrij door de ruimte kunnen verplaatsen zonder dat ze hun bewegingsenergie vroegtijdig verliezen als gevolg van botsingen met gasmoleculen [17,12]. De elektronen komen door thermische emissie vrij aan de voorzijde van een cilindervormige kathode die door een gloeispiraal indirect sterk verhit wordt (T± 800°C). Het sterke elektrische veld van de anodespanning versnelt de geëmitteerde elektronen in de richting van de anode. De anode is een aan één zijde open holle cilinder met daarin een opening waar de elektronen doorheen vliegen. Een deel van de elektronen vloeit echter door de anode af en is daarmee verloren voor de elektronenstraal. Dit is ongewenst. De elektronenstraal wordt dan ook door het elektrische veld van de wehneltcilinder zo gebundeld dat de elektronen door de opening in de anode naar buiten treden. Door de negatieve spanning tussen kathode en

57


wehneltcilinder te variëren, kan de intensiteit van de elektronenstraal en daarmee de helderheid van de lichtstip op het beeldscherm zo worden geregeld dat deze geheel wordt onderdrukt (Donkerschakeling*, Z-modulatie) [17]. Andere elektroden zorgen met hun bijbehorende spanningen voor de juiste focussering van de elektronenstraal. De afbuiging van de elektronenstraal door het meetsignaal vindt plaats door loodrecht ten opzichte van elkaar opgestelde Y- en X-platenparen. Eerst wordt de elektronenstraal in de Y-richting en daarna in de X-richting afgebogen. Door de elektrische velden tussen deze platenparen wordt de elektronenstraal afhankelijk van de momentele waarde van de signaalspanning in de Y-richting, dan wel afhankelijk van de tijd in de X-richting afgebogen [12]. In afb. 38 a) en b) is schema-

‘ i

! i. !

1

YI

■+ + +

t -t f + 7-1- + + + -4 -t { TTtt *

■ ■+ “+ -f -+■ + T t -ï -r H—b —j—i—|—I—I—

O

QJ

O

a)Y

TijdbasisspanningO

—I-t-+-+ + 4+H + --t+ + -+ + + T+ _l"'-+-M-H-4-H+-+ + -

-H-f-H-t-H-------X- f “b + + 4“ 1—f ■+ + “ -t+H + + t4 + -- + + •»- + +

\ X —-\\

\ it\ b)JI l

Afb. 38 XY-platen van de elektronenstraalbuis.

58

E

tisch voorgesteld hoe de elektronenstraal in X- en Y-richting wordt afgebogen en hoe de lichtstip zich daarbij over het beeldscherm verplaatst. Op de in de vorm van een grafietspiraal aan de binnenzijde van de conus aangebrachte naversnellingsanode wordt de naversnellingsspanning aangelegd die de elektronenstraal, nadat die het afbuigsysteem doorlopen heeft en daarbij een deel van zijn bewegingsenergie verloren heeft, nogmaals versnelt. Door de rotatiesymmetrische uitvoering van de naversnellingsanode heeft dit geen invloed op de focussering van de elektronenstraal terwijl de hoge versnellingsspanning voor een voldoend helder beeld zorgt. Bij een anodespanning van circa 2 kV...4 kV heeft de naversnellingsspanning waarden van 5 kV...20 kV [5].

De fluorescerende laag van het beeldscherm, die uit een fosfor bestaat, straalt wanneer die door de elektronenstraal getroffen wordt zichtbaar licht uit (fluorescentie). Afhankelijk van de samenstelling van het materiaal van de laag licht deze na (fosfo- rescentie) omdat de energie van de invallende elektronen kortstondig wordt opgeslagen en geleidelijk in de vorm van licht weer wordt afgegeven [17].

Envelope-modus, omhullende-/piekwaardemodus DGO

De envelope-modus, ook wel omhullende- respectievelijk piekwaardemodus genoemd, is een speciaal sample-systeem voor het onderscheiden van aliasing en voor het weergeven van omhullenden met daarin veel extreme waarden [5]. Voorbeelden van dergelijke signalen zijn ruis, signalen van wobbelmetingen of amplitudegemoduleerde signalen. Terwijl tijdens normaal bedrijf een digitale geheugenoscilloscoop het meetsignaal digitaliseert met een frequentie die met de ingestelde tijdfactor overeenstemt, wordt in de envelope-modus altijd met de hoogst mogelijke digitaliseringsfrequentie bemonsterd. In het ingangs- circuit van de A/D-converter wordt daarbij niet zoals bij normale metingen een sample-and-hold-versterker gebruikt, maar een track-and-hold-schakeling die de tussen twee sample-waarden optredende extreme waarden van het meetsignaal bepaalt. Dit principe wordt ook toegepast bij het detecteren van glitches. Daarbij worden per sample twee datawoorden gemeten, één voor de maximale waarde en één voor de minimale waarde. Voorts kunnen tussen beide extreme waarden nog vectoren ingevoegd

59


worden. Bij deze methode ontstaan twee krommen met de opgetreden extreme waarden die het mogelijk maken een omhullende te meten waarmee bijvoorbeeld in ruis verzonken of amplitudegemoduleerde signalen beter worden weergegeven dan bij eenvoudige real-time meting tijdens normaal bedrijf mogelijk zou zijn [5, 6].

: f18375 SBC FWJ751 U/41*: 1 a«.

: K CPl: DCOFS: 8.00 UMB 20 as/dlvDLï: 0 dl*BES: 56 pnt/dlw DW: WIL 19:38:28. 85/26/91

L

Afb. 39 Omhullenden, rechts met glitch-detectie.

60

Faseverschilmeting in de tweekanaalsmodus AO & DGO

Bereiken twee wisselstroomgrootheden (stroom en spanning) met gelijke frequentie op verschillende tijdstippen hun nulwaar- den en op verschillende tijdstippen hun topwaarden dan zijn die signalen in fase verschoven. De grootte van de faseverschuiving wordt aangegeven met de fasehoek pi. Een faseverschil tussen twee ingangssignalen met dezelfde frequentie is in de tweekanaalsmodus gemakkelijk te meten. De tijdbasis wordt daarbij getriggerd door het signaal dat als referentiegrootheid fungeert (fase = 0). Het andere signaal kan daarop voor- of naijlen.

Betekenis:

T = periodetijd van beide signalen

a = afgelezen faseverschuiving.

/

(p.= (a/T) . 360°

Afb. 40 Twee ten opzichte van elkaar in fase verschoven spanningen.

Bij frequenties > 1 kHz wordt voor alternerende kanaalomscha- keling gekozen. Bij frequenties < 1 kHz is de chopper-modus beter geschikt.

Fluorescerende laag AO & DGODe fluorescerende laag van het beeldscherm van oscilloscopen bestaat uit een mengsel van fluorescerende en fosforiserende stoffen. De eerste stof dient voor een snelle reactie op signalen en de tweede om de lichtemissie te verlengen. De kleur van het uitgestraalde licht hangt eveneens af van de samenstelling van de fluorescerend stoffen. Voor elektronenstraalbuizen zijn er in feite drie soorten beeldschermen gestandaardiseerd. Deze onder-

61


scheiden zich in nalichttijd en elektronenstraalstroom [5]. Om blijvende beschadiging van de fluorescerende laag van het beeldscherm te voorkomen dient men er beslist op te letten dat:

De beeldbuis niet gedurende langere tijd achtereen met stilstaand beeld en hoge elektronenstraalstroom wordt gebruikt.

1.

2. De beeldbuis niet met stilstaande of langzaam bewegende lichtstip en hoge elektronenstraalstroom wordt gebruikt.

!

Fouten AO & DGOHet doel van een meting is het meetresultaat. Bij het meten wordt een speciale waarde (meetwaarde) bepaald van een natuurkundige grootheid als veelvoud van een referentiewaarde, bijvoorbeeld een Sl-eenheid [8]. Voor het maken van een dergelijke vergelijking gebruikt men een meetapparaat dat de meetwaarde in de eenheid van de gemeten grootheid aanwijst. De over het algemeen met fouten behepte meetwaarde wordt uitgedrukt in een produkt van numerieke waarde en eenheid, bijvoorbeeld 8,2 V of 2,5 mA. Het vermenigvuldigingsteken wordt weggelaten. Met fouten behepte meetresultaten zijn enerzijds een gevolg van onvolkomenheden in de meetmethode, in het meetapparaat en van omgevingscondities, en anderzijds van subjectieve tekortkomingen van de waarnemer. Daarbij onderscheidt men systematische, door het meetsysteem bepaalde, fouten en toevallige (of statistische), door de waarnemer bepaalde, fouten. Systematische fouten kunnen bijvoorbeeld worden vastgesteld door een ambtshalve ijking* door het Meetinstituut. Toevallige fouten kan men verminderen door de meting meerdere malen te herhalen (en een gemiddelde te bepalen) of door de meting door diverse personen uit te laten voeren. Kenmerkend voor toevallige fouten zijn meetwaardespreidingen die voor wat betreft grootte en voorteken rond een meest voorkomende waarde schommelen [12]. Meetfouten worden gespecificeerd als absolute of relatieve fouten. Onder een absolute fout verstaat men het verschil tussen een met een fout behepte meetwaarde (iswaarde) Xj en de juiste waarde xr (streefwaarde):

Fabs = Xi - Xr

De absolute fout wordt uitgedrukt in de eenheid van de gemeten grootheid. Omdat de absolute fout niet noodzakelijk een bewijs-

62

F

krachtige maatstaf voor de nauwkeurigheid van de meting is, hanteert men in de meettechniek meestal de relatieve fout Frcl. Deze geeft de afwijking ten opzichte van de juiste waarde aan:

Frcl = Fabs / Xr

De relatieve fout wordt meestal uitgedrukt in procenten (%). Ook oscilloscopen leveren, net als andere elektronische meetapparaten, met fouten behepte meetresultaten. De fouten van deze apparaten zijn op grond van de hele constructie en de talrijke bouwgroepen tussen signaalingang en meetwaardepresentatie zelfs wezenlijk groter dan van de meeste andere elektrische meetapparaten [5]. Om fouten bij het meten met de oscilloscoop exact te specificeren, moet men rekening houden met diverse fouten zoals die beschreven zijn onder de afzonderlijke trefwoorden. In het volgende zijn nog eens de soorten fouten en foutbe- oordelingen opgesomd die bij het praktisch gebruik van de oscilloscoop van belang zijn. Andere verwijzingen naar de meettechnische eigenschappen van oscilloscopen, en de experimentele vaststelling daarvan, zijn vastgelegd in IEC-norm 315, deel 1 en 2. Een overzichtelijke samenvatting van karakteristieke oorzaken van meetfouten bij oscilloscopen vindt men in de literatuur [5].

Soorten fouten bij het meten met de oscilloscoop:

Afleesfouten (toevallige fouten)Deze fouten treden op als parallax- en interpolatiefouten. Paral- laxfouten kunnen worden beperkt met een inwendig aangebracht meetraster*. De restfout bedraagt circa 0,5 %... 1 %. Een verdere verbetering van de afleesnauwkeurigheid kan worden bereikt als de waarnemer zijn/haar oog op gelijke hoogte met het afleespunt brengt en steeds voor een zo groot mogelijke, beeldschermvullende weergave zorgt.

Interpolatiefouten ontstaan bijvoorbeeld wanneer een markeringspunt van het raster niet precies samenvalt met het te meten signaal (bijvoorbeeld de nuldoorgang van een sinus) en derhalve geschat moet worden. Foutgrootte ligt op ± 0,75 %. Interpolatiefouten kunnen worden verminderd door belangrijke details van het signaal met behulp van de POS-knoppen met de horizontale of de verticale rasterlijnen in dekking te brengen. Voorts moet men er rekening mee houden dat focussering en intensiteit van de elektronenstraal niet te groot gekozen worden, omdat anders foutieve waarden worden af gelezen.

1.

63


2. Fouten in de verticale afbuiging (systematische fouten) Deze fouten zijn samengesteld uit de afzonderlijke fouten van de diverse bouwgroepen zoals ingangsverzwakker, Y-voorverste- ker en afbuigversterker. Bij de digitale geheugenosciiloscoop komen daar als andere foutbronnen nog de A/D- en de D/A- converter* bij. Gebruikelijke waarden voor het hele Y-kanaal liggen tussen 2 % en 4 %. Bij apparaten met extra Y-versterking komt bovenop de basisfout eventueel nog een extra fout in de orde van grootte van 1 %...2 %. Ook moet men bij het gebruik van meetkoppen behalve met de bestaande fout van het Y-kanaal nog met de fout van de meetkop van circa 2 % rekening houden. Bij digitale geheugenoscilloscopen moet men er rekening mee houden dat de resolutie in verticale richting, die voornamelijk bepaald wordt door de resolutie* van de A/D-converter, niets zegt over de eigenlijke grootte van de Y-fout. Als gevolg daarvan is de door de resolutie van een 8-bit A/D-converter bepaalde kwantiseringsfout* van ± Vi LSB = Vi. 1/28 = 0,195 % niet tevens de meetfout in Y-richting. In plaats daarvan vindt men bij digitale geheugenoscilloscopen fouten in dezelfde orde van grootte als bij analoge apparaten met waarden tussen 2 % en 5 %. Ook de fouten in de X-richting komen bij analoge en digitale apparaten overeen [15].

3. Fouten in de X-afbuiging (systematische fouten)Fouten in de X-richting zijn een gevolg van toleranties in de tijdbasisgenerator (meettijdfluctuaties*), in de X-afbuigversterker en in de afbuiggevoeligheid van de elektronenstraalbuis [5]. Orde van grootte van de totale fout: ±3 %. Bij ingeschakelde tijdbasisvergroting (X-MAGN.) moet men met een extra fout van 1 %...2 % rekening houden.

4. Lineairiteitsfouten van de beeldbuis Lineairiteitsfouten van de beeldbuis zijn voornamelijk een gevolg van het feit dat de afbuiggevoeligheid niet over het hele beeldscherm constant is, maar varieert met de afbuiging van de elektronenstraal. Door de fabrikant wordt het meetapparaat zo afgeregeld dat de lineairiteit in het midden van het beeld het grootst is. Men doet er dan ook goed aan meetwaarden niet aan de rand van het beeldscherm af te lezen. Deze fout bedraagt circa 2 %, maar wordt door de meeste fabrikanten niet gespecificeerd.

5. Nulpuntsfout*

6. Fouten als gevolg van de ingangsimpedantieFouten als gevolg van de werkelijke ingangsweerstand* van de oscilloscoop komen vooral tot uiting bij metingen aan hoogo-

64

F

hmige bronnen/gemeten schakelingen en zijn afhankelijk van de verhouding tussen ingangsweerstand Rm van de oscilloscoop en de inwendige weerstand Rj van de bron/gemeten schakeling. Het resultaat is altijd een negatieve fout, wat wil zeggen dat op het meetapparaat altijd een te lage spanning wordt af gelezen. De relatieve fout bedraagt

Frci = - R, / (R, + RJ

Voorbeeld: Inwendige weerstand van de spanningsbron: Ri = 50 kilo-ohm; ingangsweerstand van de oscilloscoop: Rm = 1 megohm

=> F„, = -5 %

Van de dynamische fouten waarin de frequentie-afhankelijkheid van de oscilioscoopingang tot uitdrukking komt, dienen genoemd te worden:

Frequentie-afhankelijkheid van de ingangsimpedantie van de Y-versterker*.

1.

2. Fouten bij het meten van blokspanningen*.

3. Fouten als gevolg van een verkeerd gekozen ingangskoppeling* bij laagfrequent signalen.

4. Fouten als gevolg van ruis.

Ruis: De effectieve ruisspanning over een weerstand R wordt bepaald door de absolute temperatuur T en de bandbreedte B ervan en bedraagt:

VR = V4 . K . T . R . B)

waarin K de Boltzmann-constante van 1,38 . 10'23 Ws/K voorstelt.

Omdat de ruisspanning recht evenredig is met de vierkantswortel ui

OSCILLOSCOOP · 2020. 2. 2. · Oscilloscoop meettechniek van A tot Z/Engels (vertaald uit het...

Documents

Transcript of OSCILLOSCOOP · 2020. 2. 2. · Oscilloscoop meettechniek van A tot Z/Engels (vertaald uit het...