Oscilloscop

Generelt om Oscilloscopet

Et oscilloscop kan normalt vise to målekanaler, hvor der vises et billede af hvordan spændingen forløber som funktion af tiden.

Et oscilloscop er inddelt i et netværk, hvor hver tern har en bestemt betydning. I Y-retningen (den lodrette akse) har man normalt et antal volt pr. tern, og i X-retningen (den vandrette akse) har man normalt tiden, hvor der er sekunder (millisekunder eller mikrosekunder) pr. tern.

Det analoge Oscilloscop

For at tegne et billede af to spændinger kan man gøre det med en enkelt lysende prik (elektronstråle) på skærmen - ideen i dette er at man tegner det hurtigt nok efter hinanden, først den ene kanal og så den anden kanal, så hurtigt at øjet ikke kan følge med.

Hvis visningen er langsom kan oscilloscopet tegne først en lille del af den ene kanal, og derefter en lille del af den anden kanal, og skifte så hurtigt mellem kanalerne at det ser ud som om begge kanaler tegnes på en gang.

Har man en visning der gentages (en kurveform der gentages), så kan man få et billede på oscilloscopet der ser ud til at stå stille, ved at det samme billede hele tiden skrives oven i hinanden.

Den type oscilloscoper har vi ca. 10 stk af på Holstebro HTX, af forskellige mærker.

Det digitalt storage Oscilloscop

For at kunne måle mere præcist på signaler der går langsomt, så kan nogle oscilloscoper optage og gemme et spændingsforløb, som så kan skrives som et fast billede på skærmen.

På Holstebro HTX har vi en enkelt af typen Phillips PM 3331, der kan anvendes både som analogt og som digitalt oscilloscop.

PC Oscilloscop

Den sidste type vi har er digitale storage oscilloscoper, der ikke har nogen skærm, men som sluttes til PC-en via USB-porten.

På Holstebro HTX har vi 6 stk af typen PCSU 1000

Installation

Programmerne vi har på CD er af ældre dato, og kan til PCSU1000 kun fungere til XP (i bedste fald). Til PCSGU250 kan det måske fungere på nyere styresystemer, men i bedste fald kun til Windows 7.

Vi har i har to forskellige PC-scoper, hvor selv det nyeste PCSGU250 kan være noget problematisk at installere. Der skal hentes et program fra Wellemans support side, hvor man både skal have softwaren og en driver (lægener nede på siden), for at det fungerer korrekt. Der er desværre kun drivere op til windows 7.

PCSGU250 indeholder både 2 kanals oscillioscop og en PC-styret tonegenerator, men oscillioscopet ha en begrænsning ved 12 MHz, hvilket kan være problematisk ved hurtigere processorer.

Det andet oscillioscop vi har er lidt ældre, så man skal lidt rundt på Vellemans hjemmeside for at få det til at fungere.

PCSU1000 er også 2-kanals, men kun med oscillioscop, men til gengæld kan det mål op til 60 MHz, hvilket kan være dejligt i nogle opstillinger.

Man skal først have program og driver fra dette direkte link. Her er der også kun driver til windows 7, men ved hjælp af nogle omveje kan det fungere til windows 8.

Programmet ser ud til at virke direkte til windows 7 - 32 bit, men i windows 7 - 64 bit, så skal man også opdatere den driver der er med, med et af de andre downloads. Denne driver opdateres ved at man går i enhedshåndtering (f.x. via Computer Egenskaber), og opdaterer driveren.

Til Windows 8 er en lidt mere kompliceret sag at installere til begge scoper, fordi driveren ikke er signeret - det er stadig den samme driver (til windows 7) man skal bruge, men man er nødt til at overbevise windows om at driveren ikke er farlig. Der ligger en omtale i dette forum, og for at få lidt vejledning til at slå automatisk driver-signering fra, så kan det være en fordel også at læse på dette forum-indlæg hvor der er en god step for step forklaring til at få sneget driveren ind ad bagdøren ;-)

Tricket til windows er p.t. (sept. 2014) at få Windows startet, så den kan installere drivere der ikke er signeret, og her skulle følgende procedure fungere (print evt. da man skal genstarte maskinen undervejs).

1. Windows Key + R
2. Enter shutdown.exe /r /o /f /t 00
3. Click the "OK" button
4. System will restart to a "Choose an option" screen
5. Select "Troubleshoot" from "Choose an option" screen
6. Select "Advanced options" from "Troubleshoot" screen
7. Select "Windows Startup Settings" from "Advanced options" screen
8. Click "Restart" button
9. System will restart to "Advanced Boot Options" screen
10. Select "Disable Driver Signature Enforcement"
11. Once the system starts, install the drivers

Manual

Fra vellemans hjemmeside kan man finde en manual over oscilloscopet, på engelsk.

Brug af PC oscilloscop

Dette er skrevet til PCSU1000, men funktionaliteten er den samme i PCSGU250, bortset fra at der også er en generator indbygget.

Når man har fået installeret og den har calibreret, så kommer man ind på følgende visning:

Her kan man optage sine målinger og kopiere dem ind som billeder til sin rapport.

Lige som et traditionelt oscilloscop, så kan PC-oscilloscopet måle på 2 kanaler samtidigt - de betegnes Ch1 og Ch2, og svarer til de to prober man kan tilslutte på oscilloscopet. Den primære styring af de to kanaler sker i dette område:

Volt/Div. indstillingerne

De to kanaler opfører sig nogenlunde ensartet, så det er kun nødvendigt at kigge på funktionen af den ene, som vist her:

Øverst i det område kan man se to knapper, en ON, der kan tænde og slukke for visningen af kanalen. Den kan være praktisk, hvis man kun ønsker visning for et enkelt signal. Knappen ved siden af kan indstille kanalen så den viser signalet - det er sjældent at den giver noget godt resultat, det er kun hvis man slet ikke kan finde noget på kanalen man skal bruge den. Lav i stedet indstillingerne manuelt.

Med slideren i siden, der hedder Position kan man flytte kanalen op og ned, så man kan adskille visningen af de to kanaler. Den kan tit være praktisk til at lægge 0-niveauet fast på en af de vandrette streger.

Underst er der 3 knapper i et område der hedder Coupling.
Den til højre hedder GND, og har den funktion at kanalen lægges på stel. På denne måde kan man få trimmet ind med slideren hvor man har 0V henne i sin måling.
I midten er der DC, det er normalt den mest reelle indstilling at i, da den viser hvilken spænding der er på kanaleni forhold til der hvor 0V er. Det betyder at man kan måle at et signal f.x. ligger og svinger mellem 3V og 4V.
Knappen til venstre hedder AC, og skal bruges lidt mere med varsomhed, da den ikke viser hvilken spænding der er på kanalen, men kun hvilke ændringer der sker. Der gør den ved at koble en kondensator ind i serie med målingen. Der hvor den kan være nyttig er, hvis man har et lille AC-signal der ligger oven på en stor DC. Det kunne være et signal der er 100mV i variation, men som ligger oven på en 10V spænding - der vil man ikke rigtigt kunne se de variationer på 100mV i DC-stillingen, da visningen bar vil ryge oven ud, hvis man forsøger et øge følsomheden.

De 9 knapper med V på angiver følsomheden i Volt pr. tern. Ved at indstille dem, kan man få en visning, så man kan aflæse den spænding, eller det spændingsforløb man ønsker. Ved den viste indstilling kan man variere, så man har fra 40mV op over hele skærmen til 16V over hele skærmen.

De sidste to knapper der sidder nede under Probe angiver hvordan proben er indstillet. Er den indstillet til x1, så kommer signalet lige igennem. Hvis proben sættes i x10, så spændingsdeles signalet med 10 gange, så visningen på skærmen bliver 10 gange mindre. Har man samtidigt klikket på x10, så skifter V-området også, så de går fra 50mV pr. tern til 20V pr. tern, så man kan måle på større spændinger.
En anden fordel ved at sætte proben i x10 er, at den belaster med 10 M-ohm i stedet for 1, og at den belaster med ca. 15pF i stedet for 150pF, så man kan måle på noget der er mere følsomt, men det koster til gengæld noget visning.

Time/Div. indstillingerne (timebase)

For at ændre i hvor meget tid oscilloscopet viser skal man insstille i Time/Div. som vist her:

Det første man skal for overhovedet få oscilloscopet til at måle noget er at klikke på Run næst nederst.

Det man kan indstille i Time/Div. er hvor mange sekunder (angivet som millisekunder - ms - og mikrosekunder - us - man får vist pr. tern vandret, sådan at der vises et udsnit på 13ms hvis man vælger 1ms i Time/Div.

De 4 nederste knapper i timebase (0.2us til 0.02us) er vist for sig selv, under overskriften 1GS/s.
Det betyder umiddelbart at der tages en milliard (G svarer til 10^9) målinger pr. sekund i de områder, men det er faktisk ikke rigtiget. Der vises som om der foretages så mange målinger, men det forudsætter at signalet opfører sig periodisk, for det der reelt sker er, at man måler med den maksimale hastighed man kan (f.x. 100 millioner målinger pr. sekund), og så starter man en målerække i samme punkt i perioden, bare med en forskydning på 1 milliardne-del sekund, så det næste sæt er forskudt 10^-9 sekund. Det bliver man ved med, indtil man har fyldt ud med målinger, så det svarer til 1GS/s.

Trigger kobling

Når man klikker Run og begynder at måle, så bliver visningen noget tilfældig. Man kan selvfølgelig klikke på single, og håbe på at det billede man fanger indeholder det man ønsker.

Det bedste man kan gøre er at sætte sig ind i trigger-kredsløbet, som styres af delen i nederste høre hjørne:

Et triggerkredsløb styrer hvor visningen af en måling starter, og den giver bedst mening, hvis det er et signal der gentager sig.

Man skal først have slået trigger kredsløbet til, ved at klikke på On.

Derefter kan man bestemme hvilken kanal der der skal styre starten af visningen. Det kan naturligvis være begge kanaler, men man kan faktisk også for et tredie signal til at styre starten (det kan bare ikke vises) - det signal kobles ind på den tredie bøsning på fronten.

Slideren der hedder Level styrer ved hvilket niveau visningen skal starte, og endelig styrer de to knapper med en pil opad, og en pil nedad, om triggeren skal starte på et positivt gående signal, eller om det skal være på et negativt gående signal.

Den sidste knap nulstiller bare trigger-kredsløbet.

Triggerniveauet og det tidspunkt triggeren starter er angivet i visningen som man kan se på billedet her

Triggerniveauet er den fede røde streg i venstre side, og tidspunktet er den fede røde streg i bunden. Disse markeringer skifter til blå, hvis det er kanal 1 man trigger på.

Man kan også se i det mørkegrå felt om triggeren er blevet aktiveret, eller om den står og venter på at spændingen skal komme forbi trigger-punktet.

Brug af delay

Når man bruger trigger kredsløbet, så kan man komme over ting der kan være svære at trigge på, specielt hvis der foregår flere forskellige ting i signalet, og man kun er interesseret i en enkelt del af det.

Hvis det er den første del man er interesseret i, så er det ikke noget problem med den normale trigger, for så lader man den bare trigge med single trig, så man fanger det første.

Hvis det derimod er noget der sker et stykke inde i et signal, f.x. 10 ms efter den første trigninig, så kan man bruge delay i 10000 us (husk at trykke Enter efter man har tastet tallet).

Hvis man ønsker at triggerkredsløbet skal lade være med at kigge efter en nyt signal i et stykke tid efter optagelsen, så kan man bruge holdoff til at lave en pause hvor triggeren er "blind".

Den sidste ting man kan med delay er, at man kan vente med at optage til der er trigget et antal gange, så man kan fange det 37. signal i et pulstog.

On Screen markers

Hvis man vil måle på spændinger eller på tider, så ligger der en mulighed med at lave Markers, ved at vælge rullegardinet View og vælge Markers (DSO), der så viser nogle markører man kan flytte rundt på.
Man flytter markørerne ved at tage ved dem med musen.

Som standard måler begge volt-markers på CH1. Hvis man vil måle spændinger på CH2, så er man nødt til at slukke for visningen af CH1.

Umiddelbart kan man måle to forskellige spændings-niveauer, men visningen er bare ret upræcis, så det an være en fordel at måle forskellen mellem de to markers.

Det kan altså anbefales, at hvis man vil måle et DC-niveau, så kan man starte med at sætte kanalen på stel, og så sætte den ene marker på stel-niveauet som vist:

Herefter kan man så måle DC igen og sætte den anden markør på spændingen. Her er vist hvordan man måler en spænding på 1.16V ved hjælp af spændingsforskellen. Det kan være lidt svært at se markeren, da den falder meget oven i visningen.

Og man kan måle en anden DC ved at sætte den anden markør på spændingen. Her er vist hvordan man måler en spænding på 2.31V ved hjælp af spændingsforskellen.

Ligesom man kan måle spændinger kan man også måle tider. Som det kan ses i alle de 3 ovenstående, så er periodetiden målt til at være 1.02 ms, og da markøren er stillet til at måle hele perioden, så kan man også regne med frekvensen som 1/periodetiden - her 980.39 Hz.

Man kan også måle andet end periodetid, ved at man flytter markøren hen, så man kun måler den høje del af perioden som i følgende visning:

Her kan man se at pulsens bredde er 0.26 ms. Man skal her være opmærksom på at frekvensen ikke giver mening, da man ikke måler på en hel periode, men kun en del af den.

Kopiering til tekstbehandling

Det at kopiere sin måling ind i f.x. word er ret simpelt. Man vælger rullegardinet Edit og klikker Copy - der står at man kan bruge Ctrl-C som man er vant til, men det virker ikke 100% konsekvent.

Man kan også bruge rullegardinet File, og Save Image, så man gemmer som billeder i PNG-format.

Gemme data

Hvis man ønsker at bruge de målinger der danner billedet, så kan man gemme DSO data i rullegardinet File hvor man vælger Save DSO Data. De gemmes i en TXT-fil der f.x. kan læses ind i et regneark eller i Logger Pro, hvor man kan lave en efterbehandling på dem.

Waveform Parametre

Man kan også udnytte nogle af de indbyggede måle-muligheder, som man kan finde under rullegardinet View - Waveform Parameters, der giver det viste vindue.

Som man kan se, så kan man få vist meget forskelligt, men som man kan se, så har den svært ved at fastsætte stelpunktet - CH2 er udgangen fra en PIC, og den skulle helst ikke gå under 0V, men alligevel vises minimum-spændingen som -0,56 V.

Det kunne se ud som om det slet ikke er til at bruge, men specielt forskellene er til at regne med, man er bare nødt til at skubbe nogle af måleværdierne for at kunne stole på dem.

En ting der dog er ret præcist er tidsmålingerne, hvor den meget klart kan se en periodetid på 1.02 ms og pulstiden på 0.51 ms, hvilket er fordi signalet har en klar dutycycle på 50%

Specielle målinger

Under rullegardinet Math ligger der en række specielle funktioner, nogen mere nyttige end andre.

Add (HC1 + CH2) og Subtract (CH1 - CH2) giver lidt sig selv, at de lægger værdien af de to kanaler sammen eller trækker dem fra hinanden. Visningen kommer til at følge den kanal der er indstillet til de højeste antal volt/Div. Der er nok ikke de helt store anvendelsesmuligheder for de to, men der kan være helt specielle funktioner hvor det kan bruges.

Add kan bruges til at måle på udgangen af en brokoblet forstærker, hvor man stadig ønsker at have stelpunktet på den rigtige stel. Visningen vil så blive det der ligger over højtaleren.

Subtract kan bruges til at måle på en differentiel indgang, der er for følsom til at man kan koble stel på den ene af indgangene - her kan man koble stel på den rigtige stel, og de to prober på de to indgange. Så vil man kunne få vist den differentielle spænding.

Invert CH2 vender visningen af kanal 2 - det kan være praktisk til målinger hvor man skal have styr på faseforholdet. Det kan være til at måle faseforskydningen mellem strøm og spænding på en komponent. Da man ikke kan måle strøm direkte, så gøres det ved at måle spændingen over en lille modstand. Hvis man måler spændingen over komponenten, så kan man ikke samtidigt måle spændingen over den modstand der sidder i serie med, men ved at placere stel mellem komponenten og strøm-målemodstanden, så kan man måle begge dele, men så er visningen af strømmen modsat, og her kan man så vende visningen, så fasen bliver vist korrekt.

XY plot er også lidt specielt. Her vises den ene kanal ud af X-aksen, og den anden kanal op ad Y-aksen. En praktisk anvendelse til det kunne være til at lave en visning af sammenhængen mellem strøm og spænding på en diode, hvor man kunne lave strønnåling med den ene kanal og spændingen over dioden med den anden kanal.

At snyde sig til flere kanaler

Det er ikke helt enkelt at komme frem til noget, hvor det ser ud som om man har flere kanaler end det der reelt er op oscilloscopet.

Det man kan gøre er at tage en række målinger det trigger ved hjælp af den eksterne trigger, så man starter målingerne i samme punkt.

Man skal også sikre at alle målinger et i samme Time/Div. - eller giver de ingen mening.

Man kan så placere kanalerne forskudt, når man måler.

En tilgang til det kan så være at samle alle DSO data i et regneark, og fremstille en visning ud fra det.

En anden tilgang kan være at tage de enkelte billeder ind i Photoshop, og lave save for web and devices, og gemme dem som GIF, hvor man angiver den hvide baggrund som transperant.

Når man har gjort det med de billeder man ønsker at samle, så kan man lægge dem oven på hinanden som lag i photoshop, og passe dem til, så de falder præcist oven i hinanden.

Det kræver lidt tålmodighed.

Spectrum Analyzer

Umiddelbart er et oscilloscop bedst til at udtrykke sammenhæng mellem tid og spænding.

Men da man har alle målinger inde, så kan man regne videre på signalerne, og ud fra målingerne kan man beregne frekvens-indholdet. Det bygger på den teori, at alle signaler kan opbygges af en række sinus-formede spændinger med forskellig frekvens og forskellig amplitude.

Hvis man målte på en helt ren sinus-spænding, så ville alt frekvens-indholdet ligge lige netop ved den frekvens.

Hvis man måler på en firkant som den her viste:

Så kan man her aflæse at frekvensen er 976 Hz

Skifter man over i Spektrum Analyzer visning, og vælger 12 kHz visning, så får man følgende billede:

Visningen på 12 kHz betyder at der måles frekvenser op til 12 kHz, men det kan være lidt svært at aflæse andet end ved hjælp af markers. Man kan vælge en lineær eller en logaritmisk frekvensakse, alt efter hvad det er man gerne vil se. Her er det den lineære akse der er valgt, men der vises kun ca. 8 kHz af området, så man skal scrolle, hvis man vil ser resten. Man kan også zoome ind og ud på visningen - her er det visningen i x2, hvor man kan få vist hele det målte spekter i x1, eller man kan zoome ind til x8, hvis man vil have mulighed for at placere sine markers mere præcist.

Som man kan se, så ligger der også meget andet frekvensindhold, men den mest markante frekvens ligger ved 964 Hz, altså praktisk talt den samme frekvens. Som det kan ses er frekvensen fundet ved at placere en marker i billedet, så man får udlæst frekvensen.

I det efterfølgende har jeg gjort det at jeg har zoomet ind til x8 for at kunne måle mere præcist hvor frekvenserne ligger (det er ikke illustreret som billeder). Det kræver en del scrollen frem og tilbage for at holde styr på hvad det er man måler på.

Den frekvens der ligger under på 488 Hz er ikke umiddelbart til at forklare, andet end som en subharmonisk frekvens, der ikke umiddelbart burde være til stede i en ren firkant.

Den næste markante frekvens ligger ved 2,94 kHz, hvilket er 3 gange grundfrekvensen, og de næste ligger ved 4,90 kHz, 6,86 kHz, 8,82 kHz og 10,78 kHz. Disse frekvenser passer ret præsit med at det er 5, 7, 9 og 11 gange grundfrekvensen, hvilket passer fint sammenmed teorien, også det at de skal have faldende amplitude.

Transient Recorder

Der er en funktion i oscilloscopet, hvor den leder efter transienter (spids-spændinger) over et længere tidsforløb - det kan bruges til at registrere tilfældige støjpulser med.

Oscillioscoper i afdelingen

Vi har en del gamle oscilliocoper i afdelingen på Holstebro HTX sammen med en del PC-oscillioscoper. En del at angivet under Oscilloscop

Referencer

Måleudstyr Holstebro HTX
Måleudstyr	Frekvenstæller - Logik-analysator - Multimeter - Oscilloscop - RCL-meter - Skilletransformator - Strømforsyning - Tonegenerator - K-type
Begreber	Præcision - Nøjagtighed - Måleteknik - Målinger - Fejlfinding