Sekalaisia oskilloskoopin käyttövinkkejä.

Sekalaisia pikku vinkkejä oskilloskoopin käyttöön.

Joskus on tilanteita jolloin halutaan rajoittaa oskilloskoopille tulevaa taajuusaluetta.

Joskus sen voi tehdä hyvinkin yksinkertaisella tavalla.

Kun halutaan esimerkiksi analysoida jotain matalataajuista signaalia tai jopa lähes DC signaalia/tasoa ja mitattavassa esiintyy hyvin runsaasti erilaisia häiriöitä joista emme ole kiinnostuneet voi olla hyödyllistä käyttää filtteriä eli suodatinta.
Usein on niin ettei sellaista ole työpöydällä.

Ensinnäkin luonnollisesti käytettävissä on oskilloskoopin 20MHz kaistan rajoitus. Sen -3dB piste on noin 20MHz paikkeilla ja siitä se (hitaasti) laskee suuruusluokkaa 20dB dekadi.

Sitten on hyvä muistaa että proben 1x (1:1) alue toimii myös filtterinä. Aika tyypillisesti niiden taajuusvaste vaihtelee 5 - 15MHz. Pitää myös muistaa että tutkittavan signaalin lähteen impedanssi on hyvin suuressa roolissa. Jos proben kapasitanssi 1x asennossa olisi esimerkiksi 100pF ja tutkittavan signaalin lähteen sisäinen resistanssi 1k  meillä olisi siinä noin 1,6MHz filtteri (-3dB piste).
Käyettäessä mittapäitä pitää siis oikeasti tietää ainmakin karkeasti joitain "pikkujuttuja". Esom se että jos proben kapasitanssiksi 10x asennossa olmoitettaisiin vaikkapa 15pF ja jos me kytketään siihen 200MHz siniaalto, mitä tapahtuu jos esimerkiksi sen 200MHz  signaalin lähteen sisäinen resistanssi on 50ohm. 15pF kapasitanssin reaktanssi on noin 53 ohm. Eli meillä ei ollutkaan 10Mega ohmia jolla kuormitamme tutkittavaa! Vaikka datalehdessä sanotaan että 10M ohm. No, se on tietenkin tasajännitteelle ihan oikea arvo.

Mutta, ajatellaanpa että emme halua mahdollismman laajaa taajuskaistaa vaan todella haluamme rajoittaa taajuuskaistaa joka pääsee skooppiin sisään. (tätä voi ja on hyväkin hyödyntää myös FFT käytössä matalilla näytenopeuksilla jotta ei aliasoi). Muista että suurin mahdollinen kaistaleveys ei ole läheskään aina tavoiteltava asia. Usein on jopa viisasta päin vastoin rajoittaa taajuuskaistaa. Se unohdetaan aika usein kun hypetetään näitä oskilloskooppien taajuusvasteita.

Toinen seikka missä taajuuden rajoitus voi olla hyvinkin tarpeellista on ns aliasoinnin estäminen. En puhu siitä nyt tässä, se olisi kokonaan toisen jutun aihe.

Todella helposti ja halvalla saa yksinkertaisen filtterin käyttämällä siis probea, BNC T haaroitinta ja yhtä kondensaattoria silloin kun suodattimen jyrkkyydeksi riittää noin 20dB dekadi (6dB oktaavi)

Kytke probe T haaran toiseen piippuun ja toiseen piippuun kondensaattori C1 keskinastasta runkoon.


Kuva 4a

Erilaisilla kondensaattorin arvoilla saa erilaisia taajussvasteita yhdessä proben kanssa. Yllämainittua lähellä on kuva 4b taajuusvaste alempana.
Siinä oli jo paikallaan olevien 2 x 10nF konkkien lisäksi nippuun lisätty 470nF


Kaikissa seuraavissa kokeissa on käyetty Siglent PP215  200MHz probea. Luonnollisesti tätä voi hyödyntää millä
yahansa probeilla mutta taajuusvasteissa ymv voi syntyä jonkinverran tai jopa merkittävästikin eroja.
Kokeissa käytetty SDS1104X-E oskilloskooppia (SFRA eli BodePlot toimintoa) sekä Siglent SDG5160 generqaattoria.

Luonnollisesti kun rajoittaa taajuusaluetta alla kuvatulla tavalla on hyvä joka tapauksessa käyttää myös kyseisellä kanavalla
klaistanrajoitusta joka alentaa jossain määrin skoopin sisäisten etuasteiden synnyttämää kohinaa.


Kuva 1.
(Kuva tuotettu vanhalla BodePlot toiminnolla jonka ominaisuudet olivat paljon heikommat kuin nyklyisten)
Pelkkä probe 1x asennossa suoraan kiinni oskilloskoopin input BNC. (siis ei kuvan 4a mukaista lisäystä)
Huomaa että proben itsensä kaistarajoituksen lisäksi mukana on skoopin 20M  BW filtteri. Näiden yhteisvaikutus on hyödylinen koska se yhdessä proben kanssa muodostaa toisen kertaluokan filtteriä. Kuten huomataan jyrkkyys on suurempi kuin 20dB dekadi.


Seuraavissa kuvissa sillä ei ole niin suurta merkitystä koska tuo lisäkonkalla tehty on tässä tapauksessa tavattoman
paljon alempana sitä sisäistä 20MHz filtteriä mutta käytännössä se kuitenkin alentaa etupään sisäistä laajakaistaista kohinaa.



Kuva 2.
(Kuva tuotettu vanhalla BodePlot toiminnolla jonka ominaisuudet olivat paljon heikommat kuin nyklyisten)
Probe 1x asennossa ja kytketty skoopin sisäänmenossa olevan BNC T  toiseen haaraan. Toisessa haarassa on 10nF kondensaattori (siis rinnan proben kanssa)



Kuva 3.
(Kuva tuotettu vanhalla BodePlot toiminnolla jonka ominaisuudet olivat paljon heikommat kuin nyklyisten)
Probe 1x asennossa ja kytketty skoopin sisäänmenossa olevan BNC T toiseen haaraan. Toisessa haarassa on 2kpl 10nF kondensaattoreita. (siis rinnan proben kanssa)



Kuva 4b.
(Kuva tuotettu vanhalla BodePlot toiminnolla jonka ominaisuudet olivat paljon heikommat kuin nyklyisten)
Probe 1x asennossa ja kytketty skoopin sisäänmenossa olevan BNC T haaran toiseen haaraan. Toisessa haarassa on 2kpl 10nF sekä 470nF kondensaattorit (490nF). (siis rinnan proben kanssa)

Proben 1:10 asetuksella voi tehdä alipäästösuodatuksia todella erittäin alhaisille taajuuksille samalla menetelmällä.
Myös 1:10 asetuksella voi "kikkailla" väärinkäyttämällä proben LF kompensoiti säätöä kunhan senkin sitten huomioi niin ettei astu itse tekemäänsä ansaan.

Kuvassa näkyvä (melko harmiton) piikki 10MHz kohdalla saattaa tulla tuosta konkkien yhdistelmästä koska konkissa ja johtimissa on myös induktanssia....

.....ja kytkentäkin oli sellainen "Bob Pease" tyylinen.

Miltä se sitten näyttää käytännössä hyvin häiriöisen signaalin kanssa.

Tässä on 1,5V DC jossa hiukan 100Hz rippeliä sekä paljon laajakaistaista kohinaa joka voisi olla peräisin vaikka mitattavassa paikassa ympäristöstä ja itse tutkittavasta. Varsinkin häiriöisessä ympäristössä proben kanssa ei ole lainkaan tavatonta että signaaliin kytkeytyy jotain "sotkua" - ottamatta nyt kantaa siihen mistä se on peräisin.
Tarkoitus on nähdä tuo DC taso esim sen suhteen kuinka se heiluu ja nähdä myös esim se rippeli joka voisi olla vaikka peräisin tasasuntauksen jälkeen kun suodatus ei riitä tms.

Tässä on kytketty 1:1 (1x) probe suoraan mittapisteeseen jossa siis on 1,5V virransyöttö. Laitettu offset 1,5V ja sitten 20mV/div (huomaa että näissä tapauksissa kannattaa laittaa utility valikosta "Fixed Offset" käyttöön jolloin V/div muutettaessa signaali pusyy pystysuunnassa paikallaan)


Kuva 5.

1,5V virransyöttö ja paljon häiriöitä jolloin DC tason seuranta ja 50 tai 100Hz rippelin tutkiminen mahdotonta. Myöskään triggaus ei tuollaiseen onnistu.




Kytketään mukaan edelläkuvattu erittäin helppo noin 850Hz LPF (alipäästö) filtteri...


Kuva 6.

Kaikki muu samaa kuin kuvassa 5 paitsi nyt on proben ja oskilloskoopin sisääntulon välissä filtteröinti. Filtteröinti on tässä tapauksessa juuri kuten kuvassa 4b. (BNC T jonka toisessa piipussa probe ja toisessa 490nF konkka). Nyt nähdään tuo 100Hz rippeli sekä voidaan helposti seurata myös DC jännitteen muutoksia (jos tuo signaalikuva vajoaa esim 1 ruudun alaspäin on taso pudonnut 20mV.
Toki huomaat myös että kuvassa on aika alhainen samplenopeus. No, sehän ei haittaa koska filtteröinti pudottaa joka tapauksessa fNyquist lähelle ja yli tulevat taajuudet. Olen rajannut samplenopeuden asettamalla muistin pituuden 140k. Näin ei luonnollisestikaan tarvitse tehdä. Nyt kuitenkin halusin että jos pysäytän oskilloskoopin näen myös historiaa. Tällä asetuksella historiapuskurin koko on 188 vaakapyyhkäisyä. Jos siis näkisin jonkin "räpsäyksen" voisin pysäyttää skoopin ja kelata historiassa siihen kohtaa. (sitä siis on tässä noin 15 sekuntia koska vaakapyyhkäisyjen välissä on pieni sokea aika)
Taajuuslaskurin vipellys johtuu siitä että animaatio ei koostu peräkkäisistä vaakapyyhkäisyista vaan siinä tahdissa kun on saanut niitä tallenneltua USB tikulle yksittäisinä kuvakaappauksina. Johtuen runsaasta kohinasta taajusmittaus on myös varsin epästabiili.

Nykyaikaisissa Siglent oskilloskoopeissa (X-sarja) on jatkuvasti aina taustalla toimiva historiatallennus.

Toiminto jota useimmissa edullisissa nykyaikaisissakkaan oskilloskoopeissa ei ole ja siksi sen käytöstä näkee aika vähän keskustelua.
Sitä kannattaa hyödyntää. Hyödyntämismahdollisuuksia on paljon. Tässä yksi pieni ja hyvin yksinkertainen, alkeellinenkin,  esimerkki.  Historia- ja sekvenssitallennuksesta laajemmin täällä.


Silloin tällöin on tilanne jossa emme halua käyttää oskilloskooppia Auto Trig  toimintoa koska haluamme saada kiinni harvoin esiintyviä tapahtumia mutta nopealla pyyhkäisyajalla ja niin että kun ei tapahtumia (triggauksia)  niin viimeinen kuva säilyy kunnes uutta tapahtuu - jos tapahtuu.

Joskus kuitenkin hämmästymme kun näytölle on ilmaantunut jotain allaolevan kaltaista.


Kuva 7.

Oskilloskooppi on odottanut triggausta Triggauksen toimintamoodissa "Normal" ja kuten kuvassa näkyy aivan tavanomaisella Normal Acquisition tavalla. Sitten on (tämän esimerkin tekemiseksi) käännetty kytkintä...no tietenkin on kytkinvärähtelyjä... (näyttää olevan noin 1ms ajalta jos katsoo seuraavan kuvan aikataulukkoa)

Luonnollisesti jos nimenomaan tutkisin mekaanisen kytkimen kytkinvärähtelyitä tekisin sen täysin toisin, käyttäen maksimaalista muistia ja hidasta pyyhkäisyaikaa sekä tarvittaessa zomausta yksityiskohtiin. Tarkoitus olikin tuottaa vain kuvan hässäkkä ruudulle ja kertoa miten sen voi purkaa yksittäisiin jota useimmilla skoopeilla ei voi tehdä lainkaan.

Tässä triggaus moodissa oskilloskooppi ei generoi autotriggauksia jos signaalissa ei ole mitään joka triggaisi. Tässä moodissa oskilloskooppi "vaakapyyhkäisee" vain jos signaali generoi triggauksen.
Mutta, mitä ihmettä, päällekkäin on monta vaakapyyhkäisyä ja tuollainen kuva sitten näytössä staattisena kun uusia triggauksia ei tule.
(Tässä kohden moni oskilloskooppi saattaa jättää näytölle vain viimeisimmän vaakapyyhkäisyn. Siglent ei niin tee. Viimeinen tehty vaakapyyhkäisy jää yksin näyttöön jos käyttäjä pysäyttää skoopin ja tyhjä kuva jos muuttaa esim aikaa tai muita asetuksia (näyttö resetoituu).
 
Eihän tuollaisesta kuvasta mitään tolkkua saa. Toki nyt ainakin tiuedetään että pienen ajan sisään on tapahtunut muutakin kuin se monen skoopin tässä koden näyttämä yksi vaakapyykäisy.

Mutta, eipä hätää. Siglentin tapauksessa voimme purkaa tuon kuvan yksittäisiin vaakapyyhkäisyihin! Näemme jopa niiden keskinäisen ajoituksen.

Siispä kyseinen kuvan 7 tilanne näytössä painamme "History" painiketta joka pysäyttää skoopin ja siirtyy näyttämään historiaa.
Tässä tapauksessa historiassa on vain nuo kuusi vaakapyyhkäisyä.  Olen allaolevassa kuvassa avannut lisäksi taulukon ("list") sekä ottanut näkyviin vanhimman puskurissa olevan (1/6) vaakapyyhkäisyn.


Kuva 8.

Kuvassa skooppi pysäytetty painamalla "History" painiketta kuvan 7 mukaisessa tilanteessa ja sen lisäksi kelattu "Frame" 1 (vanhin)sieltä historiasta näytölle sekä avattu "List" joka näyttää jokaisen historiassa olevat aikaleimat. Aikaleimat ovat suhteellisia koska oskilloskoopissa ei ole raaliaikakelloa.



Seuraavassa kuvassa on kaikki 6 historiapuskurissa ollutta yksittäistä vaakapyyhkäisyä kuvakoosteena (kuvan koko pienennetty puoleen)



Kuva 9

Oskilloskoopissa nuo eivät ole pelkkiä TFT ruutuja vaan jokainen noista on täysiverisesti se minkä ADC on tuottanut. Jokasiseen noista voidaan kohdistaa mittauksia, matematiikkaa, jopa FFT tai ajaa ne esim maskitestin läpi jos niitä paljon olisi. Niitä voi myös zoomata samoin kuin ottaa ne vain poistemuodossa näytölle tai Sinc interpoloinnilla tai lineaarisella. Eli ei ole ns kuvaruutu tallennin vaan tallentaa näytemuistia.

Siispä alun "hässäkkä" näyttö on purettu peräkkäisiin yksittäisiin vaakapyyhkäisyihin.
Miksi niitä oli kuvassa päällekkäin alunperinkään?
Siksi koska oskilloskooppi on nopea. Yhteen TFT näyttöruutuun saattaa parhaimmillaan tulla päällekkäin jopa yli 4000 vaakapyyhkäisyä koska TFT päivitetään vain noin 40ms välein mutta parhaimmillaan skooppi pyyhkii jopa yli 100000x sekunnissa. Tätä DPO periaatetta on selostettu tarkemmin täällä.

Luonnollisesti tämä oli simppeli demonstraatio mutta oikeaa monipuolista hyötykäyttöä on yllin kyllin. Eikä kiplailijaa tässä hintaluokassa tämän(kään) ominaisuuden osalta ole.

Muutamia vinkkejä FFT käyttöön.  (pyrin myöhemmin tekemään FFT asioista erilliset ohjeet/katsaukset)

Usein varsinkin harrasteen alkutaipaleella tai muuten FFT jäätyä vieraaksi on ensin syytä manita muutama perus asia.

FFT taajuusalue alkaa nollasta ja ylin taajuus riippuu FFT näytenopeudesta. Ylin taajuus on FFT samplenopeus jaettuna kahdella ja se on tietenkin sama kuin tunnettu ns "Nyquist raja taajuus", fN. Se millaista osaa tuosta koko taajuusalueesta kulloinkin katsellaan on sitten toinen asia.
Resoluutioon Δf vaikuttaa samplenopeus ja sen datan pituus josta FFT lasketaan. Δf = FFT Sa/s / FFT pts. (pts  tarkoittaa FFT näytejonon pituutta)

Jos datan pituus pidetään vakiona (esim 1M) ja näytenopeutta alennetaan, saadaan suurempi resoluutio ja ylin taajuus alenee vastaavasti.
Jos taas pidämme samplenopeuden vakiona mutta pienennämme datan pituutta alenee resoluutio vastaavasti mutta taajuusalue pysyy vakiona.
Lyhyellä datan pituudella luonnollisesti toiminta (FFT päivitys) on nopeampaa koska laskentaa on vähemmän.

Näille valinnoille on hyvä löytää tutkittavaan tapaukseen ja tarpeeseen parhaiten sopivat asetukset.

Jos esimerkiksi olet kiinnostunut vain taajuusalueesta 0 - 1MHz ei ole juurikaan tarpeellista käyttää 1GSa/s näytenopeutta joka aikaansaa 0 - 500MHz taajuusalueen. Tällöin 2MSa/s juuri riittää mutta ehkä 5MSa/s on kuitenkin mukavampi.

Lisäksi pitää valintoja tehdessä huomioida alias ilmiö.
FFT käytössä sen ymmärtäminen on huomattavan tärkeää.
Joskus aliasten välttelyn takia on tarpeen valita kuitenkin suurempi samplenopeus kuin mikä olisi tarpeen sen taajuusalueen kannalta josta olemme kiinnostuneita.
Yksinkertaisesti: AD muuntimelle ei saa päästää mitään sellaista taajuuskomponenttia (Kohinan alle jäävistä ei paljoa tarvi välittää.) joka on suurempi kuin ADC näytetaajuus/2 eli ns  "Nyquist taajuus" tai suurempi kuin FFT näytetaajuus/2 (mikäli ne ovat erilliset). 1MHz kanttiallto voi helposti sisältää merkittäviä taajuuskomponentteja huomattavan korkeallekin taajuudelle, riippuen sen nousunopeudesta.
Mitä tapahtuu jos sinne pääsee liian suuria taajuuskomponentteja.
On kuitenkin hyvä tiedostaa että joskus alias ilmiötä voidaan myös hyödyntää kun huolehditaan kaikista sen rajoituksista. Alinaytteitys (FFT undrersampling) tekniikka on aivan tunnettu temppu mutta tässä ei siitä sen enempää.

Jos näytetaajuus olisi 2MHz (2MSa/s) olisi fNyquist (myöhemmin fN) 1MHz.
(seuraavat taajuudet ovat siniaaltoja)
Mitä tapahtuu jos syötämme sisään 1,8 MHz signaalin.  FFT ruudulla näet 200kHz signaalin.
Entäpä jos sisään tuleekin 2,2MHz signaali. FFT näyttää sinulle 200kHz signaalia.
Entäpä jos sisään tulee myös 1,3MHz sekä 600kHz edellisen 2,2MHz lisäksi. Nyt näet 200kHz, 600kHz sekä 700kHz.
Noista ainoastaan 600kHz on todellinen. Muut ovat aliaksia. Jos nyt edellisessä tapauksessa meillä olisi ylipäästösuodatin joka leikkaa yli fN taajuudet niin etteivät ne pääse AD muuntimelle näkisimme vain 600kHz.
Muista että aliakset muodostuu tietenkin myös sisään syötetyn signaalin harmonisista, joita usein on signaalissa.
Syötä sisään em tapauksessa 217kHz nopeanousuaikaista kanttiaaltoa (siis vastaa 217kHz siniaaltoa a sitten melkoinen liuta sen parittomia harmonisia joista iso osa menee yli fN ja yli 2fN jne... )  - niin sitten se näyttö...  voi sanoa, eihän näytöstä ota enää enää selvää legendaarinen kaiken tietävä  "kuopion povarikaan".

Siispä, huolehti että minimoit tasoltaan merkittävien yli fN taajuuksien sisään pääsyn.
Ainoa suodin joka oskilloskoopissa on valmiina on 20MHz kaistan rajoitus. Aina jos taajuudet ovat alle sen, käytä ainakin sitä.
Lisäksi edellä oli yksi keino yksinkertaiseen filtteröintiin (probe)

Seuraavassa esimerkissä säädetään ja asetellaan asiat sopiviksi kun tarkastellaan  AM moduloitua kantoaaltoa.

Jatkuu myöhemmin.  SDS1000X-E sarja  sekä  SDS2000Xplus sarja.

--»  Ylös 

--»  Oskilloskoopit

--»  Etusivulle - Home