Z życia elektronika – #11 – Pomiary oscyloskopem

Na rozgrzewkę:

Oscyloskop to niezbędne narzędzie pracy każdego elektronika począwszy od pomiarów prądów czy napięć, poprzez pomiary strat mocy na półprzewodnikach, skończywszy na analizie protokołów komunikacyjnych. W tym wpisie przekażę/przypomnę Ci trochę informacji kluczowych przy wyborze oscyloskopu czy przeprowadzaniu pomiarów.

Zakres wpisu:

  • Paramtery oscyloskopu ważne dla elektronika pracującego w domowym zaciszu
  • Pomiary
  • Sondy pomiarowe
  • Tryby akwizycji
  • Analiza protokołu komunikacyjnego I2C

Parametry oscyloskopu:

  • Pasmo oscyloskopu: oznaczane jest przez częstotliwość, przy której amplituda mierzonego sygnału spada o -3dB. Wraz ze wzrostem częstotliwości ampituda sygnału mierzonego spada. Należy stosować oscyloskopy o paśmie 5 razy szerszym niż największa mierzona częstotliwość.
  • Długość rekordu: czyli ilość próbek jaka jest potrzebna do zapełnienia ekranu oscyloskopu przebiegiem. Jeśli oscyloskopem będą mierzone np. sygnały zakłóceniowe, sygnały szybkie wtedy niezbędny jest oscyloskop z krótkim rekordem. Jeśli oscyloskop będzie służył do pomiarów przebiegów o niskiej częstosliwości używamy oscyloskopów z długim rekordem. W oscyloskopach z krótkim rekordem istnieje krótki czas martwy pomiędzykolejnymi pomiarami. Czas martwy czyli czas oscyloskopu na przetworzenie zebranych próbek.
  • Czas narastania: czyli czas podawany w nocie katalogowej oscyloskopu. Jeśli mierzony będzie idealny sygnał prostokątny o czasie narastania równym 0 to i tak zmierzony czas narstania na oscyloskopie będzie równy wartości z noty katalogowej oscyloskopu. W tym parametrze należy uwzględnić parametry sondy jaką wykonywany jest pomiar.
  • Szybkość próbkowania: wyrażona w ilości zbieranych próbek na sekundę, powinna być minimum dwa razy większa niż największa mierzona częstotliwość. Producenci oscyloskopów często deklarują określoną szybkość próbkowania przy ilości włączonych kanałów. 

Pomiary:

Wskazówka I:

Jeśli wykonujemy pomiary szybkich przebiegów należy wykorzystywać niższe wartości podstaw czasowych. Zmiana podstawy czasu w oscyloskopie powoduje zmianę szybkości próbkowania czyli ilości próbek na sekundę. W związku ze zmianą szybkości probkowania zmienia się pasmo częstotliwościowe oscyloskopu. Zmiany powyższe są powodowane stałą długością rekordu. Jeśli przy zmianie podstawy czasowej nie zmieniałaby się szybkość próbkowania to rekordy albo byłyby szybko zapełniane, albo nie zapełniane do końca. Przy pomiarach, w których zależy nam na usunięciu  szumów z badanego przebiegu należy zmniejszyć długość rekordu.

Wskazówka II:

Pomiary poziomu napięcia względem „pływającej masy”, np. pomiar sygnału bramkowego w gałęzi składającej się z dwóch tranzystorów. Sposób pomiaru zamieszczony na poniższym rysunku będzie skutkował uszkodzeniem oscyloskopu, a przynajmniej sondy pomiarowej. 

Masa pomiarowa oscyloskopów zasilanych z sieci jest zwykle połączona z uziemieniem instalacji elektrycznej, z ktorej zasilany jest przyrząd pomiarowy. Zatem pomiar sygnału bramkowego górnego tranzystora będzie powodował zwarcie uziemienia instalacji z źródłem Us (w czasie załączenia tranzystora). Istnieje kilka sposobów na pomiar sygnału względem „pływającej masy”:

  • Pomiar z użyciem transformatora separującego, przez który zasilony jest oscyloskop. Podczas tego pomiaru należu zachować ostrożność gdyż masa oscyloskopu znajduje się na wysokim potencjale co grozi porażeniem osoby wykoującej pomiar.
  • Pomiar za pomocą dwóch sond z użyciem funkcji odejmowania, jedną sondą mierzymy sygnał bramkowy, drugą podłączamy do źródła tranzystora. Masy sond można spiąć razem. Rozwiązanie to skutkuje zawężeniem częstotliwościowego pasma pomiarowego.
  • Zewnętrzna sonda różnicowa: w tym przypadku potrzebny będzie tylko jeden kanał pomiarowy. Odjęcie sygnałów od siebie realizowane jest w sondzie.

Sondy pomiarowe

Sondy napięciowe pasywne: zbudowane są z elementów biernych rezystorów i kondensatorów. Sondy bierne produkowane są z różnymi wartościami rezystancji na wejściu; najpopularniejsze to: 1:1, 10:1 czy 100:1. Wartość rezystancji wejściowej sondy definiuje wejście jakie powinno być użyte w oscyloskopie 50Ω czy 1MΩ. Sondy o rezystancji wejściowej od 0 do setek Ω powinny pracować z wejściem oscyloskopu 50Ω. Sondy charakteryzujące się rezystancją wejściową rzędu MΩ pracują z wejściami wysokoimpedancyjnymi 1MΩ. Sondy o niskiej impedancji wejściowej mają szerokie pasmo częstotliwości rzędu GHz, lecz powodują znaczne obciążenie obwodu mierzonego.

Na co dzień wykorzystywane są sondy pracujące z wejściami wysokoimpedancyjnymi oscyloskopu, które nie obciążają mierzonego obwodu. Konstrukcję przedstawia poniższy rysunek:

 

Sonda zbudowana jest z:

  • rezystancji wejściowej Rs rzędu MΩ (w zależności podziału),
  • pojemności kompensacji Cs, która służy do zmniejszenia pojemności wejściowej oscyloskopu od strony obwodu mierzonego,
  • przewodu koncentrycznego, który w środu ma umieszczony drut oporowy tłumiący odbicia sygnału,
  • pojemności regulowanej, ktora służy do kompensacji niedokładonści wykonania sondy. Kompensację należy wykonywać przed pomiarami, w nowych oscyloskopach wyposażonych w sondy aktywne wykonuję się automatycznie za pomocą funkcji oscyloskopu. W starych oscyloskopach sondy mają pokrętełko, które służy do kompensacji wejściowej. W celu wykonanania kompensacji sondę podłącza się do sygnału wzorcowego umieszczonego na zewnętrznym panelu oscyloskopu.
Sondy napięciowe aktywne: zbudowane z elementów półprzewodnikowych. Posiadają dużo szersze pasmo pracy niż sondy pasywne, dużo wyższą impedancję wejściową w szerszym zakresie częstotliwości.
Sondy prądowe pasywne: zbudowane z transformatora, dla którego mierzony obwód jest uzwojeniem pierwotnym, dlatego tego typu sondy pozwalają mierzyć tylko i wyłącznie prąd zmienny.
Sondy prądowe aktywne: ich zasada działania opiera się ne efekcie Halla, tzn. prąd płynący przez mierzony obwód powoduje napięcie na płytce półprzewodnikowej. Pomiar wykonywany sondą prądową jest galwanicznie odseparowany od mierzonego obwodu. Sonda powoduje obciążenie mierzonego obwodu jako równoległa rezystancja o wartości mniejszej niż 1Ω oraz indukcyjności mniejszej niż 5µH. Jeśli sonda pracowała w obwodzie gdzie płynął duży prąd należy rozmagnesować rdzeń sondy. Służy do tego zwykle przycisk umieszczony przy gnieździe wejściowym do oscyloskopu.

Tryby akwizycji

  • Próbkowanie (Sample): wykorzystywane są próbki zebrane w określonym interwale czasowym pozostałe próbki są odrzucane. Kolejnym rodzajem tego trybu próbkowania jest wybór losowych probek, zwiększając podstawę czasu dostarczane jest więcej próbek.
  • Detekcja wartości szczytowej (Peak Detect): tryb ten zapisuje wartości maksymalne i minimalne z mierzonego przebiegu, ewentualnie zapisywanie naprzemiennie w kolejnych momentach akwizycji wartości maksymalnej i minimalnej. Przy długich podstawach czasowych każda probka jest obliczana na podstawie wszystkich zebranych próbek z maksymalną częstotliwością. Tryb ten służy do pomiarow wąskich szpilek, występujących w przebiegu.
  • Szeroka rozdzielczość (Hi resolution): próbki zbierane przez oscyloskop są uśredniane w każdym zapisie, lecz wiążę się to z zawężeniem pasma oscyloskopu. Tryb ten filtruję badany przebieg  już na etapie pozyskiwania próbek. Tryb ten wykorzystywany jest do redukcji szumów z badanego przebiegu. 
  • Obwiednia (envelope): jest to tryb pracujący na podstawie trybu detekcji wartości szczytowych, lecz uwzględniając kilka cykli akwizycji, których liczbę definiuję użytkownik.
  • Uśrednianie (Average): zebrane próbki są uśredniane. Pierwszy przebieg pochodzi z trybu sample, zaś kolejny nie nadpisuje obecnego, wynikiem jest ich uśrednienie. Tryb ten jest użyteczny do pomiarów, w których chcemy wyeliminować przypadkowy szum.

Analiza protokołu komunikacyjnego I2C

We wpisie zaprezentuję analizę protokołu komunikacyjngo za pomocą oscyloskopu. Do analizy użyłem protokół komunikacyjny I2C, opisany we wpisie Dominika (link).

Na powyższym rysunku umieszczony jest zdekodowany protokół I2C. Dekodowanie może odbywać się heksadecymalnie lub binarnie. Na zdekodowanym przebiegu obserwujemy poszczególne części ramki komunikacyjnej protokołu I2C. Podczas analizy protokołów na początku należy zdefiniować kanały odpowiedzialne za konkretną linię. W mojej analizie kanał 1 przypisałem linii SCL, zaś kanał nr 2 do linii SDA. 

Przydatną funkcją podcza analizy protokołów komunikacyjnych jest wyzwalanie na konkretny adres ramki komunikacyjnej co prezentuje powyższy oscylosgram. Do wyzwalanie można użyć także konkretnego adresu oraz danych umieszczonych w ramce czy samych danych, co obrazuje poniższy oscylogram.

Autor artykułu
Mateusz Pluta

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *