Siglent etusivulle linkki      Oskilloskoopin valintaan vaikuttavia kriteereitä

Oskilloskooppia hankkiva pohtii usein kysymystä oskilloskoopin taajuusalueesta. Samoin näytteenottonopeus sekä  muistin määrä askarruttaa.  Aloitetaan ns nyrkkisäännöillä joihin kuhunkin otetaan sitten hiukan lisää syvyyttä.

Ennen nyrkkisääntöjä ja tarkempaa tarkastelua voisi sanoa että tavallisen elektroniikan perusharrastajan minimi tai sopiva on nykyaikana 100MHz oskilloskooppi jossa on vähintään 500MSa/s reaaliaikainen näytenopeus kaikille kanaville yhtaikaa. Tämä riittää melko laajalle skaalalle perustason analogista ja digitaalista elektroniikkaa.  Mutta aihe on laaja ja sitä tarkastellaan hiukan tarkemmin.

Joku saattaa sanoa, että eihän minun signaalit ole kuin 1 tai 10MHz, miksi tarvisin 100MHz oskilloskoopin. Mikäli esitän kysymyksen että tarkoitatko vain ja ainoastaan puhtaita siniaaltoja - siitä alkaakin sitten tielle tulla mutkia ja kiviä. Koitetaanpa hiukan niitä mutkia selvitellä ja työnnellä kiviä pois.

Esitys perustuu omaan pitkäaikaiseen kokemukseen sekä muun muassa Tektonix, Agilent-Keysight, sekä R&S esityksiin.

Nyrkkisäännöt -  "vitosen" säännöt:


Nyrkkisääntö   1.   Kaistaleveys eli taajuusalue.

Suhteellisen tasotarkkoihin mittauksiin  (mikäli Gauss tyyppisellä taajuusvasteella  ns -3dB piste on sama kuin taajuusalueen yläraja eli se taajuus joka yleensä lukee oskilloskoopin etupaneelissa.)
Oskilloskoopin kaistaleveys 3 - 5 kertaa mitattavan sinityyppisen signaalin taajuus. Tavallinen katselu onnistuu vähemmälläkin.
Oskilloskoopin kaistaleveys MHz =  1000  ....  1750 / mitattava nousuaika ns kun signaali ei ole sinityyppinen.

Nyrkkisääntö   2.   Tarvittava oskilloskoopin nousuaika. (ellei erikseen mainittu, 10/90% säännöllä)

Suhteellisen  tarkkoihin nousuaikamittauksiin
Oskilloskoopin nousuaika 5 kertaa nopeampi kuin mitattava signaalin nousuaika.
 -Tämä kulkee aika tavalla käsi kädessä tarvittavan kaistaleveyden kanssa.


Nyrkkisäännöt   3a.  3b. ja  3c.  Tarvittava näytenopeus. (sample nopeus)

3a.   Siniaalto tyyppiset signaalit.

Näytetaajuus mitattavan siniaallon taajuus  x 5  mikäli Sin(x)/x interpolointi.
Näytetaajuus mitattavan siniaallon taajuus  x 15 mikäli lineaarinen interpolointi.

3b.   Nousuaikojen mittaukset esimerkiksi "kanttiaalto" signaaleista (10/90% säännöllä)

Kun tiedetään millainen on nopein nousuaika joka esiintyy mitattavassa signaalissa ja joka halutaan mitata kohtuullisella tarkkuudella.
Edellyttäen tietenkin että oskilloskoopin itsensä nousuajasta ei tule estettä.
Tarvittava näytenopeus  GSa/s saadaan:  5 / tRISE (ns) 


3c.   Kanttiaallon tai suorakaideaallon pelkkä visuaalinen tarkastelu (ei mittauksia)

Kun vain katsellaan kanttiaaltotyypisen koko signalin kuvaa  ja halutaan että se edes muistuttaa kanttia jolla tasanko latvana...
Vähintään
5 näytettä jokaista puolijaksoa kohden, mieluummin 10. Jos kyseessä on suorakaideaalto, jossa toinen puolisko on lyhyempi kuin toinen, silloin mennään se lyhyemmän mukaan. Suorakaideaallon (tai pulssin) osalta lasketaan lyhyemmän osan ajallisen pituuden (tSHORTHALF) perusteella.
Siis olkoot jakso kuinka pitkä tahansa sille lyhyemmälle osalle 5 näytettä, tai mieluummin 10.
Vähimmäis samplenopeus GSa/s saadaan:  5 / tSHORTHALF (ns)
Jos siis lyhimmän suorakaideaallon osan pituus on 10ns riittää katselussa 0,5GSa/s. Vielä se ei tietenkään
näytä alkeisoppikirjan "ideaalilta" suorakaideaallolta mutta. Mieluummin kuitenkin olisi 10 näytettä eikä sekään ole paljon.

10 näytteen määrä tasajakoiselle puolijaksolle johtaisi välillisesti käytännössä seuraavaan:

Jos jakson pituus olisi 20ns tarkoittaisi se kanttiaaltoa jonka taajuus on 50MHz.
Tällöin olisi   10 / tSHORTHALF (ns)   joka aiemman mukaan edellyttäisi vähintään 1GSa/s näytenopeutta.
Henkilökohtaisesti vielä tuplaisin tuon. Tietenkin sääntö 3b on syytä pitää mielessä.

Tässä on hyvä huomata että samalla on seurattava toista sääntöä eli kaistaleveyttä.

4. Oskilloskoopin muisti.

Oskilloskoopin muistilla tarkoitan sen muisin pituutta johon AD muuntimelta tulevat näytteet tallennetaan ennen käsittelyä. Usein juuri se oskilloskoopin esitteissä kerrotaan. Tähän voisi antaa nyrkkisäännöksi. Niin paljon kuin mahdollista, kuitenkin huomioiden sen kuinka laite käyttää muistia.
Monesti jo 1-4M alkaa riittää kanavaa kohti mutta lisä ei ole pahasta mikäli oskilloskooppi käyttää viisaasti muistiaan. Lisäksi on syytä myös vielä nykyisinkin tarkistaa onko myös pidempi muisti ns täysnopeaa.

Nyrkkisääntö. Ei alle 1M/kanava. Mieluummin yli 5M/kanava.

Älä aliarvioi samplemuistin määrän merkitystä! Älä myöskään yliarvioi sitä. Aina ei enemmän olekaan parempi. Tässä kohden sitten vaikuttaa se kuinka oskilloskooppi kulloinkin käyttää muistia.




Katsotaan nyrkkisääntöjä  vähän tarkemmin, kokonaisuus on loppujen lopuksi aika kompleksinen.

Asia ei ole noin yksioikoinen kuin nuo nyrkkisäännöt antaa ymmärtää.
Mutta nyt sitten varoituksen sana. Älä ajaudu hifistelemään liian tarkasti. Jos oskilloskoopin on pakko vakavissa mittauksissa täyttää tietyt tarkkuusvaatimnukset on laskettava tarkasti ja laajemmin minkä lisäksi asetetaan ns "varmuuskerroin" ja valitaan oskilloskooppi tai muu mittalaite joka täyttää "varmuuskertoimella" korjatut vaatimukset eli jonkun verran tiukemmat vaatimukset.

Tietenkin toinen tapa on vain yksinkertaisesti hankkia laite joka varmasti ja aina täyttää kaikki vaatimukset. Se tapa on helppo mutta kallis.

Joka tapauksessa kannattaa kirjata vaikka lyijykynällä ruutupaperille ne omat vaatimukset jotka on valmiiksi tiedossa ja katsoa että vähintään ne reunaehdot täyttyy. Niiden osalta kannattaa olla ankara. Jos niiden kohdalla sitten valintaa tehdessä lipsuu ja joustaa on se myöhemmin seinä johon törmää.  Jos siis tiedät että haluat mitata 3ns nousnopeuksia siten että mittausvirhe ei ihan näistä perus asioista tarkastellen ylitä 10% niin älä kuvittele että  voit sen "jotenkin" tehdä 500MSa/s 100MHz oskilloskoopilla. Ei siihen riitä edes 200MHz. Ei vaikka sille luvataankin nousuajaksi 1,75ns.  Silloin tulisi valita 250MHz tai mieluummin 300MHz oskilloskooppi.  Miksi, se valottuu kohta.


Nyrkkisäännöt hiukan laajemmin tarkasteltuna.

Nyrkkisääntö 1. Suhteellisen tasotarkkoihin tarkkoihin mittauksiin  kaistaleveys 5 kertaa mitattavan sinityyppisen signaalin taajuus.

Jos tutkit signaalia jonka taajuus on 100MHz ja signaali on jatkuvaa melko puhdasta siniaaltoa on tilanne aika yksinkertainen. Tarvitset oskilloskoopin jonka kaistaleveys on 100MHz - mutta vain siinä erikoistapauksessa ja vain jos signaalin tason tarkkuudelle riittää mahdollisen virheen suuruusluokka 30%.

Oskilloskoopin nimellinen kaistaleveys tarkoittaa luonnollisestikin aina siniaaltoa. Muuta se ei käytännössä voisi olla.

Kaistaleveys määritellään usein niin että  asetetaan referenssiksi jokin matalahko taajuus ja asetetaan sen tasoksi jokin ja "sovitaan" että tuo on vertailusignaali ja sen taso on dB asteikon 0 kohta johon sitten verrataan ja ero siihen ilmaistaan desiBeleinä koska Bel olisi liian suuri käyettäväksi.
Referenssitaso voisi olla esimerkiksi 600mV huipusta huippuun. (muodoltaan puhdas siniaalto jolle ilmoitetaan myös taajuus, esimerkiksi 10kHz tms, kunhan se vaan ilmoitetaan jotta mittaukset ovat vertailukelpoisia).
Asetuksella 100mV/div signaali on korkeudeltaan 6 ruutua (div) oskilloskoopin näytöllä. (Perinteinen ja vakiintunut tapa kun näytön maksimi korkeus on 8 ruutua). 
tapa 1. Nostetaan signaalin tasoa 3dB ja nostetaan taajuutta kunnes signaalin korkeus on pudonnut takaisin 6 ruudun korkuiseksi. Sillä taajuudella meillä on -3dB piste. 
tapa 2.Voidaan tehdä myös niin että pidetään signaalin taso samassa kuin se oli referenssitasoa mitatessa. Nostetaan vain taajuutta kunnes signaalin taso on pudonnut noin 30% eli tarkemmin sanoen arvoon 0.708 * referenssitaso eli nyt noin 4.25 ruutua. 

Luonnollisesti mittaus edellyttää että signaali saadaan tasotarkasti oskilloskoopin tuloliittimeen (Siitä pisteestä sen taso tulisi mitata). Näinhän ei useinkaan ole. Usein se katsotaan vain siitä mitä lähtee signaaligeneraattorista. Testaajan arvioitavaksi jää se kuinka luotettavana mittausta voi pitää. Taajuuden kasvaessa vaikeusaste lisääntyy olennaisesti. Jo 100MHz oskilloskoopin kanssa asia on kaikkea muuta kuin helppo mikäli pyritään alle 1dB todelliseen tarkkuuteen. Taajuuden kasvaessa impedanssisovituksen laatu yms alkaa vaikuttaa paljon.  ON aivan varma ettö mikäli 300MHz oskilloskoopissa on 1Mohm/15pF tulot ja siihen laitetaan T haaralla signaali ja T haaran yhteen piippuun 50 ohm päätevastus on tilanne kaikkea muuta kuin ideaalinen varsinkin siellä 300MHz tuntumassa. Ns feed thru eli läpi menevä päätevastus ei sekään pelasta tilannetta vaikka onkin edellistä parempi. Miksi. Koska sen päätevastuksen skoopin puolella on reaktanssi, sekä induktiivista ettö varsinkin kapasitiivista reaktanssia sekä päälle se resistanssi joka on lähes merkityksetön.


Alla muutama dB arvo. (esim.: Jos vertailutasosta 1V on pudotettu tasoon 0.316V on pudotusta 10dB.)

Taulukko 2            
-1dB -2dB -3dB -4dB -5dB -6dB -10dB
0,891 0,794 0,708 0,631 0,562 0,501 0,316



Oskilloskoopin kaistaleveyden  jatkeeksi pitää myös käsitellä samaan asiaan liittyviä muita seikkoja.  Kokonaisuuteen jolla signaalia mitataan kuuluu itse oskilloskoopin lisäksi se kuinka signaali tuodaan tuloliittimeen. Usein, mutta ei aina, käytetään oskilloskoopin mittaapäätä - probea.
Toinen tapa on tuoda signaali välikaapelilla jonkin tutkittavan laitteen liittimestä. Tällöin on huolehdittava impedanssisovituksesta tuon siirrron osalta. Kun mennään taajuuksissa ylöspäin alkaa monet seikat vaikuttaa. Ei tarvi kuin katsoa reaktanssikarttaa. Esimerkiksi oskilloskoopin tulon 20pF kapasitanssin reaktanssi taajuudella 50MHz on noin 160 ohmia ja 100MHz luonnollisesti puolet siitä jne!  Mitä ihmettä, sen tulonhan piti olla 1 Mohm...  niin se onkin - tasajännitteellä!


Kaistaleveyden lisäksi myös taajuusvasteen muodolla on merkitystä. Useinmiten edullisemman pään ja alle 500MHz - 1GHz oskilloskoopeissa taajusvasteen muoto on "Gauss" tyyppinen.  On myös olemassa esimerkiksi mahdollisimman tasainen ("maximum flat") nimellistaajuuteen saakka ja sen jälkeen jyrkkä pudotus (Tällöin joskus puhutaan myös "brick wall" tyyppisestä vasteesta).

Taajuusvasteen muodossa saattaa olla myös mutkia ylös ja alas eri taajuuksilla. Niiden on kuitenkin pysyttävä määriteltyjen rajojen sisällä. Joskus rajat ovat melko väljät. Jos maininta on +/- 3dB  0-100MHz ja referenssitaajuudeksi mainitaan esimerkiksi 1kHz voi vain kuvitella kuinka järkyttävä taajusvasteen muoto voisi olla sen edelleen sopiessa tuohon +/- 3dB  ikkunaan.
Kun sitten  ilmoitetaan myös vertikaalinen tarkkuus ja siellä sanotaan esimerkiksi 3% pitää huomata se että sen lisäksi tulee tuo taajuusvasteen virhe. Pahimmillaan -3dB joka vastaisi noin -30%. Älä siis odota että voisit luottaa siihen että mittaamasi 10MHz siniaalto tasoltaan  1Vpp olisi samalla tasoilla todellisuudessa sen mittaamasi 100MHz signaalin kanssa jonka tasoksi oskilloskooppi näyttää myös 1Vpp. Lisää virhettä tulee sitten mittapäistä tai muuten skoopin ulkopuolela. Oskilloskooppi EI pääsääntöisesti sovellu tarkkoihin tasomittauiksiiin erilaisten signaalien välillä. Se on kokonaan väärä väline siihen. Se onsignaalin muotojen havainnointiin ja signaalissa tapahtuvien muutosten havainnointiin ajan suhteen. Sopivin menetelmin voi toki suhteellisia tasomittauksiakin tehdä ja tason monitorointia esimerkiksi monotoroituia signaalia säädettäessä. Kun se putoaa säätäessäsi oskilloskoopin mukaan 6 voltista 5 volttiin voit olla melko varma että se on pudonnut noin voltin. Mutta et oikeastaan tiedä onko sen taso alunalkaen 6V vai 9V vai 4V jos se on 100MHz skoopilla katseltu 100MHz signaali varsinkin jos siihen on kytkeydytty tavallisella halvalla mittapäällä jollainen yleensä tulee skoopin mukana.



 

Seuraava kuva antaa suuntaa taajuusvasteen muodon osalta
Siglent SDS1000X sekä SDS2000X oskilloskoopeissa on Gauss tyyppinen taajuusvaste kuten on tavanomaista alemman taajuusluokan oskilloskoopeissa yleisesti.

Kuva 1.


Mikäli oskilloskoopilla jossa on Gauss tyyppinen taajusvaste halutaan tehdä mittauksia joissa signaalin jännitetaso on mahdollisimman oikein tulee oskilloskoopin nimellinen kaistaleveys olla huomattavan korkea verrattuna mitattavaan taajuuteen.  Mikäli tasotarkkuutta pitää tärkeänä on hyvä muistaa nyrkkisääntö viisi ihan kuten nyrkissä on sormia. Mitattava taajuus  fBW / 5.    Mitattava taajuus * 5 on sopiva oskilloskoopin fBW.  Tämä on myös esimerkiksi Tektronix sekä HP/Agilent/Keysight näkemys "nyrkkisäännöksi".   Mikäli oskilloskooppi on ns "maximal-flat" tyyppisellä taajuusvasteella on tilanne tietenkin toinen.
Tarkempi asian tarkastelu edellyttäisi tarkkaa kuvaa oskilloskoopin taajuusvasteen muodosta ja virherajoista.

Mikäli tarvittavaa kaistaleveyttä määritellään esimerkiksi pulssireunojen nousu- ja laskuaikojen mittauksen pohjalta on asia toisenlainen:

Aika usein näkee ja kuulee ajatelltavan että  koska 100MHz skoopin nousuaika on noin 3.5ns niin sillä sitten voi mitata sellaisia nousuaikoja. Pieleen meni, ja pahasti.


Yksinkertaistetaan hiukan. Ajatellaan että mitattava signaalin nousuaika on 3.5 ns ja oskilloskooppina 100 MHz oskilloskooppi. Lähes poikkeusketta Gauss tyyppisellä taajuusvasteella olevan 100 MHz oskilloskoopin nousuajaksi mainitaan 350 / 100=3.5 (ns). Periaatteessa nousuajan mittausvirhe olisi noin 40%. Toisin sanoen 350/mitattava nousuaika ns antaa kaistaleveydeksi taajuus MHz jolloin mittausvirhe luokkaa 40%. 
Siis jos mitattava signaalin kaistaleveys on 3,5ns ja oskilloskoopin oma nousuaika on 3,5ns mittauksessa syntyvä virhe voi olla 40%. Edellyttäen edelleen että nöytenopeus on niin suuri ettei sen johdosta synny merkittävää lisävirhettä.
Noin 20% virheeseen päästään jos oskilloskoopin kaistaleveys MHz on 500 / mitattava nousuaika ns. Noin 10% virheeseen päästään jos kaistaleveys MHz on 650 / mitattava nousuaika ns. Noin 3% virheeseen päästään kun kaistaleveys MHz on 950 / mitattava nousuaika ns.
Hiukan alempana aiheesta lisää. Nyrkkisääntöä 2. käsittelevässä kohdassa.
Perusteena Dr. Howard W.Johnson "High-speed Digital Design – A Handbook of Black Magic." 




Mittaustulos on kokonaisuuden summa kaikkine virheineen. Monesti niin että mittauksemme aiheuttaa virhettä myös itse mitattavaan. Ei mennä siihen laajaan aiheeseen nyt enempää.  Aina ei riitä että hankkii sopivan taajuuskaistaisen oskilloskoopin probeineen. Mittaukset saattavat vaatia lisälaitteita joiden hinta saattaa yllättää. Aktiiviset RF probet ja differentiaaliprobet eivät ole halpoja. Saattavat helposti maksaa enemmän tai moninkertaisesti  eduillisen koko oskilloskoopin hinnan.  Moni ihmettelee sitä. Vastaus selviää kun yrität tehdä oikeasti korkealuokkaisen aktiivisen RF proben tai differentiaali proben.




Kuva 2.
 
Esimerkkinä käytännöstä ja oskillokooppina SDS1102X. Kuva on vain kuvituskuva.
Siitä ei voi tehdä tarkkaa arviota taajusvasteen muodosta eikä kaistaleveydestä. Mittauksen toteutus on siihen tarkoitukseen laadultaan  puutteellinen. Kuvassa 2. on piirretty fN joka vastaa tilannetta silloin kun samplenopeus on 500MSa/s. Kuvassa näkyvällä samplenopeudella ei ole mitään tekemistä tämän kanssa. Kyseessä on hitaalla sweepillä toteutettu taajuusvastetta kuvaava verhökäyrä. vajaa 6 sekunnin ajalla lineaarinen sweep taajuudesta 10MHz lopputaajuuteen 360MHz. 1 vaakaruutu vastaa 30MHz. A on kohdassa 100MHz. B on kohdassa fN. Lisäksi on kursorit -1dB sekä -3dB kohdissa. 


On  enemmän sääntö kuin poikkeus että -3dB piste on reilusti nimellistaajuutta ylempänä kun se mitataan oskilloskoopin tuloliittimestä. Siglent ei tee siinä poikkeusta ainakaan alakanttiin. Älä kuitenkaan odota että juuri sinun SDS1102X taajuusvaste olisi kuten kuvassa 2.
a Mittaus ei ole kelvollinen taajusvasteen mittaus.
b Oskilloskoopeissa on yksilöeroja.
c Signaalilähteen ja oskilloskoopin välissä on siirtotie ja impedanssisovitus enemmän tai vähemmän optimaalinen.
Karkeasti voisi sanoa että kyseisen mallin -3dB todellinen raja on 140MHz ja 180MHz välillä.


Nyrkkisääntö 2. Suhteellisen  tarkkoihin nousuaikaittauksiin oskilloskoopin nousuaika 5 kertaa nopeampi kuin mitattava signaalin nousuaika.


fBW on melko läheisessä suhteessa myöskin oskilloskoopin itsensä ns nousunopeuteen. (rise time, trise). Mikäli oskilloskoopilla halutaan tehdä mittauksia signaalin nousu- ja laskuaikojen suhteen ja tarkkuus on tärkeä on hiukan tutkittava faktoja. Taaskin tulee tuo viiden nyrkkisääntö. Mitattavat nousunopeudet (trise) / 5  on tarvittava oskilloskoopin trise.
Nyt on huomattava että pelkkä oskilloskoopin nousuaika tai taajuusvaste ei ratkaise. Välissä on usein esimerkiksi mittapää, probe.
Mikäli proben nousuaika on 3.5ns ja  oskilloskoopin nousuaika on 3.5ns on niiden yhteinen nousuaika noin 5ns.  Tuo systeemin nousuaika voidaan laskea seuraavasti: SQR (( trise1 ^2) + ( trise2 ^2 )).

Gauss tyyppisellä taajuusvasteella saadaan nousuaika nyrkkisääntömäisesti laskemalla trise = 350/fBW   (Tulos saadaan ns kun taajuus annetaan MHz).
Gauss tyyppisellä taajusvasteella, jollainen on usein nykyajan digitaalisissa oskilloskoopeissa, fBW on reippaasti yli oskilloskoopin "nimen mukaisen" taajuuskaistan. Tällöin on oskilloskoopin nousuaikakin usein hiukan parempi kuin valmistajan ilmoittama arvo. Esimerkiksi Siglent SDS1102X mallissa -3dB piste on tyypillisesti alueella 140MHz - jopa 180MHz. (Kuva 2.)
Sen voi ajatella myös niin että sillä kompensoidaan mittaapään nousuaikaa joten systeemin nousuaika on lähempänä "nimellistä" 3.5ns. 
Myöskään Gauss tyyppinen taajuusvaste ei ole mitenkään tarkka Gauss.  Ns Max-flat tyyppisessä oskilloskoopissa nousuajat ovat tyypillisesti noin 15 - 30% hitaammat mutta tasotarkuus nimellisellä taajuusaluella on tällöin parempi.
Gauss tyyppistä taajuusvastetta voisi luonnehtia siten että se on ikäänkuin kompromissi nopeuden ja mittaustarkkuuden välillä.

Mikäli halutaan erityisen tarkkoja nousuajan mittauksia kasvaa oskilloskoopin oman nousunopeuden merkitys. Mikäli 100MHz oskilloskoopilla (trise 3.5 ns) mitataan 3,5ns nousunopeuksista signaalia on mittavirhe yli 40%.  Noin 3% mittavirheeseen päästäisiin jos oskilloskoopin kaistaleveys olisi lähellä 400 MHz.

Kuvassa 1. on harmaat alueet "A".  On pidettävä mielessä että kaikki taajuuskomponentit signaalissa jotka ovat suurempia kuin kuvan fN ja jotka AD muunnin "näkee",  aiheuttavat alias ilmiötä.  Kuitenkin jo reilusti alle taajuuden fN alkavat ongelmat. Käytännössä maksimi jollain tavalla käyttökelpoinen siniaallon taajuus on fN/1.25  tai toisin sanoen sampletaajuus / 2.5   mikäli käytössä on hyvin toteutettu Sin(x)/x interpolointi. (syy yksinkertaistetusti se että interpolointi on tehtävä hyvin nopeasti)
Katso kuva 3 alempana jossa ylimpänä juuri tämä 2,5 x samplenopeus Sin(x)/x (käytetään myös nimeä Sinc) interpoloinnilla.
On huomattava että Sinc interpolointi voi olla kovin monin tavoin toteutettu ja pienikin ero käytetyissä parametreissa voi aikaansaada suuria eroja jotka näkyvät erityisen selvästi kun lähestytään Nyquist taajuutta. Interpoloinnin osalta joudutaan tekemään kompromisseja koska oskilloskoopilla pitää olla suhteellisen nopea vaste muutoksiin signaalissa.




Nyrkkisäännöt 3. a. b. ja c.   Näytenopeus  (Samplenopeus, reaaliaika oskilloskooppi, kertapyyhkäisy  eli "single shot").

Kun puhutaan digitaalisista oskilloskoopeista on samplenopeudella suuri merkitys samoin kuin muun muassa tavalla interpoloida näytepisteiden välit. Yleensä käytetään Sin(x)/x interpolointia (lyhyemmin Sinc). Voidaan myös piirtää pelkät näytepisteet tai vetää suorat viivat peräkkäisten näytepisteiden välille. Ainoa oikea todellinen data joka on saatu itse signaalista on kuitenkin se jono niitä AD muuntimelta saatuja näytteitä. Se, ja vain se, raaka data.

Joissakin oskilloskoopeissa käytetty Equal Time tai "repetitive" näytteenottotapa poikkeaa seuraavasta täysin mutta sellainen näytteenottitapa soveltuu ainoastaan ns jatkuville signaaleille. En käsittele tässä sitä lainkaan. Puhutaan vain ns reaaliaika oskilloskoopeista.

AD muunnin ottaa näytteitä signaalista ja antaa tasoa vastaavan binääriluvun ulos. Tavanomainen AD muunnin oskilloskoopeissa on 8 bittinen. Useinmiten AD muunnin toimii kiinteällä taajuudella, riippumatta siitä mitä oskilloskoopin näyttö ilmoittaa samplenopeudeksi. Tämä nopeus on se millä näytteitä otetaan AD muuntimelta edelleen muistiin, näytemuistiin. Jos AD muunnin on essimerkiksi 500MSa/s toimiva ja oskilloskooppi näyttää samplenopeudeksi 50MSa/s tarkoittaa se sitä että muistiin otetaan näytejonosta joka kymmenes ja loput menevät "bittiavaruuteen".  Tätä kutsutaan desimoinniksi. Desimoinnin estämättä myös hitailla sample nopeuksilla saattaa muun muassa triggauksen käytettävissä olla koko nopeus ja jopa siitä generoitu "ylinäytteitys. Puuttumatta yksityiskohtiin käyttäjää kiinnostaa pääasiassa tässä asiayhteydessä se mikä on samplemuistiin tulevan datan "samplenopeus".
Siglent SDS1102X AD muunnin toimii yhden kanavan ollessa käytössä 1GSa/s nopeudella. Voi ajatella että AD muunninn itsessään sisältää kaksi rinnan käyvää 500MSa/s muunninta jotka voidaan piirin sisäisesti  yhdistää toimimaan ikäänkuin yhtenä 1GSa/s muuntimena.



Nyrkkisääntö 3a.     (Signaali siniaalto)

Näytenopeus (samplenopeus) mielellään 3.5  - 5  kertaa ylimmän mitattavan siniaalto signaalin taajuus mikäli käytössä on Sin(x)/x interpolointi.
Mikäli käytössä lineaarinen interpolointi, 10 - 20 kertaa ylimmän mitattavan siniaalto signaalin taajuus .

Seuraavaksi hiukan lisää tilanteesta jossa signaali on kohtalaisen lähellä siniaaltoa. Kuinka samplenopeus vaikuttaa ja mikä riittää "kelvolliseen" piirtoon käytännössä kun interpoloititapana on Sinc.  Sinc interpoloinnilla saadaan yleensä paras kuva signaalista varsinkin kun ollaan taajuusalueella jossa jaksolle saadaan vähän  näytettä AD muuntimelta. (1GSa/s tuottaa 50MHz siniaallon yhdelle jaksolle 20 näyttetä)

Milloin samplenopeus on riittävä kun halutaan skoopin kuvaruudulla katsella signaalia joka on suunnilleen siniaaltoa ja käytössä on kohtuullisen hyvin hoidettu Sinc interpolointi.

Kun sanotaan samplenopeuden olevan 1GSa/s on siis näytteenottotaajuus 1GHz.
Kerroin tarkoittaa sitä kuinka moninkertainen näytetaajuuden pitää ollaa tutkittavan signaalin taajuuteen nähden, edellyttäen että signaali on kokolailla puhdaas siniaalto jotta lopputulos on kuvatun kaltainen. Alempana oleva kuvasarja (Kuva 3.) näyttää mitä se käytännössä voi tarkoittaa oskilloskoopin kuvaruudulla.

Seuraava taulukko 1. antaa osviittaa kun käytetään Sinc,  eli Sin(x)/x ,interpolointia ja signaalina on puhdas siniaalto: 

    Kerroin 2.5  vaivoin välttävä "signaalin ilmaisuun" mutta aika "rumaa katsottavaa".
    Kerroin 3.0  antaa jo "siedettävän"  kuvan siniaallosta ja varauksin käyttökelpoinen.
    Kerroin 3.5  antaa melko hyvän tuloksen ja on jo varsin käyttökelpoinen hyvä.
    Kerroin 4.0  on  puhtaalle siniaallolle  erittäin hyvä
    Kerroin 5.0  tuloksessa on erittäin vaike havaita parannettavaa.

(tilanne luonnollisesti muuttuu olennaisesti mikäli ei puhuta siniaallosta ja mitä enemmän siitä poiketaan.)
Huomaa että tulos riippuu myös Sinc interpoloinnin toteutuksesta ja siinä voi olla valmistajakohtaisia sekä mallikohtaisia eroja. Oskilloskoopissa Sinc interpolointi on toteutettava siten että sen taajuusvaste on siedettävä jotta reagoidaan nopeisiin muutoksiin heti eikä kohta. Jos meillä olisi hyvin pitkä jakso muuttumatonta siniaaltoa niin tietenkin voitaisiin saavuttaa hyvän näköinen lopputulos aina erittäinkin lähelle Nyquist taajuutta - kunhan otetaan riittävän pitkä näytejono ja aletaan laskea. Nyt ei ole sellaiseen aikaa vaan se on tehtävä heti ja nopeasti. Tavan takaa näkee sellaisia esityksiä jotka toistavat kuin papukaija sellaisia argumentteja, puhuessaan oskilloskoopin näytenopeudesta ja taajusvasteista yms, että riittää kun taajuus on Nyquist taajuuden alapuolella.  Sanoisinko että siinä ollaan tulkittu Nyquist-Shannon esityksiä jokseenkin puutteellisesti vaikka se kirjaimellisesti totta onkin kunhan siihen lisätään ne muut ehdot jotka siihen aina kuuluvat.


Taulukko 1.          
           
Samplenopeus Kerroin 2.5 Kerroin 3 Kerroin 3.5 Kerroin 4 Kerroin 5
  (fNyq*1.25) (fNyqq*1.50) (fNyq*1.75) (fNyq*2.0) (fNyqq*2.5)
250MSa/s 100 MHz 83 MHz 71 MHz 62 MHz 50 MHz
500MSa/s 200 MHz 166 MHz 142 MHz 125 MHz 100 MHz
1GSa/s 400 MHz 333 MHz 285 MHz 250 MHz 200 MHz


Taulukko 1.
sopii  siniaallolle tai lähellä sitä oleville signaaleille. Ajatellaan siis edelleen että haluat katsella 100MHz siniaaltoa. Aiemmin selkisi että skoopin taajuusvasteen pitää olla 100MHz jotta sen taso ei ole vaimentunut vielä kovin paljon. Mutta, 100MHz saa olla 100MHz skoopissa vaimentunut jopa noin 30% verrattuna saman tasoiseen esimerkiksi 10kHz siniaaltoon nähden. Usein esim 100MHz oskilloskoopeissa nykyisin -3dB piste on paljon ylempänä ja 100MHz ei vielä ole vaimentunut lähellekään 3dB.
(tähän sopiikin sivuomautus: Koko systeemin taajuusvaste on se joka merkitsee. Pitää huomioida probe tms + oskilloskooppi yhdistelman tajuusvaste.)


Jotta 100MHz siniaalto näyttäisi kohtuullisen hyvältä, ilman kovin häiritsevää tasojitteriä tai "wobbleria" yms on nyt selvinnyt myös että samplenopeuden tulee olla vähintään noin 350 - 400MSa/s. Aika monissa 100MHz oskilloskoopeissa samplenopeudet ovat 500MSa/s, 1GSa/s ja 2GSa/s. Jos otetaan Siglent SDS1000X sarjan oskilloskooppi, tarvitaaan 100MHz sinityyppisille signaaleille 100MHz malli. Silloin myös 100MHz sini on melko hyvälaatuista vaikka käytössä on 2 kanavaa yhtaikaa. Silloin samplenopeus on 500MSa/s kummallekin kanavalle. Mikäli käytössä on lineaarinen interpolointi kerro taulukon kertoimet noin kahdella.  Useat oskilloskooppien valmistajat pitävät riittävänä kerrointa 2.5. Silloin vaan hyväksytään että tasojitteriä esiintyy huomattavasti. Kuten alla ylin esimerkki.


Alla oleva kuva eri kertoimilla. Kuvassa käytetty asetuksia joilla "opetustarkoituksiin" saadaan vaikutus selvästi esiin.
Esimerkiksi Siglent SDS1000X-E mallit pystyvät parempaan.  Lisäksi on huomattava että eräissä tapauksissa esimerkiksi zoomausta käytettäessä saattavat jotkin parametrit prosessiin tulla pääikkunan t/div pohjalta!


Kuva 3.
Kuvassa 3. sisään tulee  siniaalto. Taajuudet kertoimen mukaaan. Kuvassa samplenopeus (fSA ) on 50MHz
( 50MSa/s)  sisään tulevan siniaallon taajuudet vastaavasti 20, 16.67,  14.89, 12.5  ja 10MHz.
Interpolointitapa Sinc. Jotta tilanne tulee paremmin esiin on käytössä myös 1s "jälkiloisto" eli persistence.

Ero kertoimen 4 ja 5 välillä ei ole suuri. Kyseessä oli window zoom. Koko ruudulla resoluutio on suurempi
ja ero tulee hiukan paremmin esiin.  Kerroin 3.5 on edelleen ihan asiallista katseltavaa.

Kuten havaitaan kerroin 2.5 on varsin kyseenalainen muuhun kuin signaalin taajuuden summittaiseen määrittämiseen ja sen olemassaolon havaitsemiseen. Kerroin 3 hiukan parantaa asiaa ja on jo usein käyttökelpoinen. (huomaa että ilmiö ei tule sekasignaaleilla aina kovinkaan helposti esiin tai se saattaa sekoittua muihin seikkoihin itse tutkittavassa signaalissa.




Nyrkkisääntö 3. b.
 (nousuaikojen mittaus kun käytetään 10% - 90% sääntöä. )

Keskinkertaisen tarkkoihin  nousuaikamittauksiin usein riittää
   3500 / mitattava nousuaika ns Sin/x)/x interpolointi parantaa tulosta mutta voi aiheuttaa pientä ylilyöntiä nurkissa.
   Tämä vastaa 3.5 näytettä nousuajan osalle.
Melko epätarkkoihin nousuajan mittauksiin:
   1750 / mitattava nousuaika (ns). Sin(x)/x interpolointi parantaa tulosta mutta aiheuttaa ylilyöntiä nurkissa.
   Tämä vastaa 1.75 näyttetä nousuajan osalle.
Erittäin epätarkkoihin nousuajan mittauksiin:
   1250 ~ 1500 / nousuaika (ns) Sin(x)/x interpolointi parantaa tulosta mutta aiheuttaa voimakasta ylilyöntiä nurkissa.
   Tämä vastaa 1.2  ~ 1.5 näytettä nousuajan osalle.
Alle 1200 / mitattava nousuaika (ns) ei tule käyttää nousuaikaa koskeviin arviointeihin. Tulokset  kelvottomia.
Katso kuvat 4, 5, 6 ja 7





Kuva 4.

Esimerkki siitä miltä erilaiset näytenopeuden näyttävät tyypillisellä signaalin nousevalla reunalla.
Kuten havaitaan tässä 3ns nousuajalle 250MSa/s on hyvin huono erityisesti kun kuseessä on lineraarinen interpolointi. Tällä nopeudella myöskään Sinc interpolointi ei enää tuota lainkaan kaunista tulosta. Sen sijaan 500MSa/s ja Sinc interpolointi alkaa tuottaa jo katselukelpoista ja 1GSa/s tulos on jo katselutarkoituksiin erinomainen.

Seuraavissa kuvissa on esimerkit käyttäen 1.25,  1.75 sekä 3.5 näytettä sisääntulevan signaalin nousuajalle.
trise 10/90% säännöllä)


Kuva 5.
Kuvassa näytenopeus (MSa/s) on 1250 / signaalin nousuaika ns. ( 1250 / 25 = 50 ). Signaalin nousuaika 25ns ja 50MSa/s
Vasemmalla Sinc interpolaatiolla, seuraavaksi lineaarinen ja lopuksi pisteet. Pisteiden osalta on hyvä huomioida se että yhdellä
vaakapyyhkäisyllä on tuotettu vain nuo kuvassa näkyvät kirkkaammat pisteet 20ns välein. Kun vaakapyyhkäisyä toistetaan sijaitsevat
pisteet satunnaaisissa paikoissa siignaaliin nähden ja näin signaalista muodostuu kuva (persistence käytössä).

Lineaari interpolaatioon liittyy piirre jota kannattaa tarvittaessa käyttää hyödyksi. Huomaat kuinka punaiset merkit on piirretty kuvaan.
Kun persistence on käytössä piirtyy signaalin nousuaika melko oikein myös jopaa näinkin alhaisella samplenopeudella. Otetaan siis
persistence jäljen osoittama nopein nousuaika. Lineaari interpolaatio voi muulloinkin olla hyödyllinen, sen olemassaoloa ei pidä unohtaa.

Kuvassa kuitenkin nähdään että muuttumattimalle jatkuvalle signaalille saatetaan saada kohtalaisesti määritettyä nousuaika mutta
"real time" tai "single shot" tyyppisesti nousuajan määritys on todella erittäin epätarkkaa.
Vaikka kuvassa onkin käytetty 50MSa/s toimii tämä periaatteessa aivan samoin 500MSa/s tai 1GSa/s. Kuva on tehty matalalla
nopeudella jotta voin riittävällä tarkkuudella ja luotettaavasti säätää tulevan signaalin nousuaikaa.

Kuvan tilanne vastaisi samaa kuin 250MSa/s samplenopeudella toimittaessa tulevan signaalin nousuaika olisi 5ns ja oskilloskoopin
taajuusvaste muuten riittäisi tähän tarkoitukseen. Vastaavasti 500MSa/s tilanne vastaisi sitä että sisään tulevan signaalin nousuaika olisi 2.5ns ja kun oskilloskoopin  kaistaleveys olisi riittävä.






Kuva 6.
Kuvassa näytenopeus (MSa/s) on 1750 / signaalin nousuaika ns. ( 1750 / 35 = 50 ) Signaalin nousuaika 35ns ja 50MSa/s
Ks myös kuva 5. teksti. Nousuajalle saadaan nyt 1.75 samplea.
Tässä tilanne vastaisi samaa kuin samplenopeudella 250MSa/s sisään tulisi 7ns nousuajalla oleva signaali tai 500MSa/s sisään
tulisi 3.5ns nousunopeuksinen signaali. Single shot tarkkuus ei ole hyvä mutta antaa toki suuntaa nousuajalle.
Huomaa mikä on 10 ja 90% viivalla ajallinen vaihteluväli ja lineaari interpolaation erikoispiirre kun persistence käytettävissä (merkitty kuvassa punaisin viivoin).






Kuva 7.
Kuvassa näytenopeus (MSa/s) on 13500 / signaalin nousuaika ns. ( 3500 / 70 = 50 ) Signaalin nousuaika 70ns ja 50MSa/s
Ks myös kuva 5. teksti. Nousuajalle saadaan nyt 3.5 samplea.
Tässä tilanne vastaisi samaa kuin samplenopeudella 250MSa/s sisään tulisi 14ns nousuajalla oleva signaali tai 500MSa/s sisään
tulisi 7ns nousunopeuksinen signaali. Tai 1GSa/s sisään tulisi 3.5ns nousunopeuksinen signaaali. Single shot tarkkuus on kohtuullisen
hyvä ja myös single shot tapauksessa saadaan hyvä  käsitys nousuajasta. Kuitenkin, edelleen havaitaan että virheen osuutta
on edelleen. On helppo päätellä että tarkka nousuajan mittaus edellyttää nousuaikaan nähden varsin suurta samplenopeutta.
Karkeasti voisi sanoa että kun käytetään 7 näytettä nousuajan matkalle ei samplenopeuden nostaminen siitä enää varsinaisesti
paranna tilannetta. Toinen virhelähde oli oskilloskoopin kaistaleveyden vaikutus (ja taajuusvasteen muoto). On siis tehtävä
kompromisseja tai hankittava vaadittaavaan tarkkustasoon riittävä kaistaleveys jolloin hyvin usein myös samplenopeus on
riittävän korkea.

Kuitenkin on hyvä muistaa että samassa mallisarjassa usein samplenopeus on sama ja sitten kaistaleveyksiä on useita.
Esimerkiksi SDS1000X sarjassa länsimarkkinoilla mallit 100 ja 200MHz. 200MHz mallissa nousuaika on < 1.75ns mutta
kaksi kanavaa samanaikaisesti käytössä samplenopeus 500MSa/s. Tässä sample intervalli olisi pidempi kuin sisääntulevan
signaalin nousunopeus. 1GSa/s taas vastaisi samaa kuin kuvassa 6.



Nyrkkisääntö 3. c.
(kanttiaallon visuaalinen tarkastelu, ei nousuaikamittauksia)

Mikäli ei tarvitse mitata nopeita nousuaikoja mutta kanttiaalto halutaan visuaalisesti näyttävän kanttiaallolta kuvaruudulla näytenopeus vähintään 10 - 20 kanttiaallon (50% duty) perustaajuus. 

Nyrkkisääntö 4. Muistin pituus.



Muistin määrä vaikuttaa aivan olennaisesti siihen millaisia näytenopeuksia oskilloskooppi voi käyttää hitaammilla t/div asetuksilla ja se taas on usein erittäin tärkeä asia.
Tämä oli aikaisemmin digitaalisten "reaaliaika" oskilloskooppien ehkäpä pahin akilleen kantapää.
On edelleenkin usein kuultu asia että "en minä niin paljon muistia tarvi, lähinnä katson signaaleita kuvaruudulta". Niin, vanhassa Hoo-Peessä tai Tektronixissa saattoi olla esimerkiksi noin 500 tavua näyte- eli samplemuistia. Ja hyvin näki 100 tai 500MHz. Niin näki. Niissä iskolloskoopeissa oli usein kaksi eri toimintamuotoa, ns repetitive ja single shot. Koska AD muuntimet olivat joka tapauksessa hitaita. Repetitive tyyppisesti voidaan vaikka 10MSa/s AD muuntimella saada aikaan 100MHz oskilloskooppi tai vaikka 400MHz. Mutta, signaalin pitää olla muuttumaton eli ns jatkuva, ja sitten odotetaan kun skooppi rakentaa pikkuhiljaa kuvan signaalista.

Jos puhutaan reaaliaika oskilloskoopeista joissa nimenomaan yksi vaakapyyhkäisy, single shot, riittää koko oskilloskoopin taajuusalueelle ja ajatellaan että pskilloskooppimme olisi 200MHz malli ja näytenopeus max 1GSa/s.

Nyt jos sellasessa oskilloskoopissa olisi 500 tavun muisti olisi tilanne aivan kaamea. Tietenkin jos aika asetus olisi 1ns/div niin luonnollisesti tuolla muistilla, eli sillä vaakapyyhkäisyn max datapituudella, 1GSa/s kyetään ajamaan. Mikäli kuvan leveys on sama kuin koko vaakapyyhkäisyn pituus ja jos kuvaruudun leveys olisi perinteinen 10div tarkoittaisi se tuolla asetuksella sitä että yhden vaakapyyhkäisyn pituus olisi 10 näytettä! Tuo 500 tavun muisti riittäisi tuossa tapauksessa ajamaan vaikka 100GSa/s. Eli se ei rajoita.  

Mutta, entäpä kun asetetaan nyt ajaksi 1us/div ja pysytään edelleen 1GSa/s samplenopeudessa. Näytön leveys ja siis vaakapyyhkäisyn pituus olisi nyt ajallisesti 10us. 500 tavun muisti olisi täynnä jo 0,5us kohdalla! Jotta nyt kyettäisiin vaakapyyhkäisy tekemään kuvan keveydelle tulisi näytenopeuden olla 50MSa/s. Meillä olisikin nyt enää 25MHz oskilloskooppi. Entäpä jos pudotetaan aika setus nopeuteen 1ms/s. Edelleen jouduttaisiin pudottamaan samplenopeutta. Nyt se olisi enää 50kSa/s. Meillä olisi max 25kHz oskilloskooppi.
Sen sijaan. Nyt jos samplemuistin pituus olisikin 5M tavua olisi mahdollista ajaa samplenopeudella 500MSa/s ja meillä olisi edelleen 200MHz oskilloskooppi. Vaikka 200MHz signaalia onkin melko hyödytöntä katsella 1ms/div asetuksella niin siihen voisi sanoa että puhtaan 200MHz sinin katseleminen kuvaruudulta on muutenkin aika tylsää. Sen sijaan mehän tutkimme muutoksia. 200MHz siniaallossa voikin olla muutoksia jotka ovat ajallisesti ms luokkaa. Voisiko yksinkertaisempaa esimerkkiä mainita kuin esim AM moduloitu signaali. Tai muiita paljon mielenkiintoisempia esimerkkejä joita löytää niin virtalähteistä tai vaikka vanhasta televisiosta.

Älä aliarvioi samplemuistin määrän merkitystä!   Mutta älä myöskään yliarvioi sitä. Aina ei enemmän olekaan parempi. Tässä kohden sitten vaikuttaa se kuinka oskilloskooppi kulloinkin käyttää muistia.

Esimerkiksi Siglent SDS1202X-E ja muut SDS1000X mallit kykenevät säilyttämään 1GSa/s näytenopeuden koko alueella 1ns/div - 1ms/div.

Seuraavassa kuvassa esimerkin vuoksi laskettu oletusarvoilla: Max samplenopeus 1GSa/s, samplemuistin pituus 20 t/div ajan ruutua. Muistin määriksi valittu: 1k, 10k, 100k, 1M, 10M ja 100M vaaka akselilla. Pystyakselilla t/div asetukset 1ns/div - 10ms/div yleisellä 1-2-5 askelluksella.ja niitä vastaavat samplenopeudet kullakin muistin pituudella.  Tämä riippuvuus suhde muistin pituudesta ja mainituista muista seikoista on aivan sama valmistajasta riippumatta. Se vaihtelee mikä on muistin pituus, kuinka säädellään samplemuistin ajallista pituutta eli kuinka monta aika asetuksen ruutua tai siis jako osaa on se piuus. Se ei voi alittaa kuitenkaan kuvaruudun leveyttä joka sekin on valmistajakohtainen. Joskus Tektronix on kayttänyt tuota 20 div leveyttä (kuvaruudun leveys 10 div kummallakin puolella 5div ylitys kuvan ulkopuolella) Taulukko on tässä esimerkinä ja tarkoitus on vain helpoilla lukuarvoilla selventää mistä on kyse.

Memory, t/div and  samplerate



Kuten huomataan, mitä enemmän ottaa asioita huomioon sitä vaikeammaksi ja mutkikkaammaksi asia käy kuin sen määrittäminen mikä samplenopeus pitäisi skoopissa olla ja  paljonko kaistaleveyttä ym.  Mikäli aletaan puhua esimerkiksi nousu- ja laskuaikojen mittaaamisesta ja mittauksen tarkkuudesta asia senkun laajenee. Ei ole mitään yhtä vastausta.

Vähintään yhtä hankala on vastata kysymykseen - millaisia ne signaalit ovat joita minun pitää voida oskilloskoopilla tutkia ja mitata jollain haluamallani tarkkuudella. 


Voisi sanoa kansalliseen tyyliin "Eihän tästä ota kuopion povarikaan selvää".  Ja se toteamus on aika hyvä. 

 

    --»  Oskilloskoopit

  --» Etusivulle - Home