Oscilloscoop begrippenlijst

Omdat het af en toe lastig is om in de lange lijst van producten het juiste product voor u te vinden proberen wij u van zo veel mogelijk advies te voorzien. Dit kan in de vorm van theoretische kennis van eigenschappen, of een simpele vergelijking tussen de voor en tegens van producten. Dat eerste is het doel van dit artikel. Dit artikel is bedoeld als leidraad en om uitleg te bieden bij de diverse eigenschappen die bij een oscilloscoop in de datasheet staan.

Een datasheet van de meeste scopes gaat namelijk veel verder dan alleen het aantal kanalen of de bandbreedte waarover een scope beschikt. In dit artikel wordt een overzicht van A – Z geboden van veelvoorkomende termen in een datasheet van een scope. Omdat de meeste datasheets Engels zijn en niet alle termen direct over een Nederlandse vertaling beschikken zullen Engels en Nederlands door elkaar gebruikt worden in dit artikel. Als er een eenheid beschikbaar is voor de specificatie staat deze er in vierkante haken achter.

Inhoud

• Amplitude
• Bandbreedte
• Connectiviteit
• Divisie
• Fouriertransformatie
• Geheugen
• Holdoff range
• Interpolatie
• Kanalen
• Math operaties
• Rise time
• Sample Rate
• Triggers
• Verticale gevoeligheid
• Verticale resolutie
• Waveform capture rate

Amplitude

Alternatief begrip gebruik voor amplitude

Amplitude is, als algemeen technisch begrip gedefinieerd als de maximale uitslag ten opzichte van de nul of "evenwichtsstand". Wanneer een sinusgolf gemeten wordt met een oscilloscoop zal de amplitude dus de uitslag van de sinusgolf zijn.
Sommige oscilloscoopmerken hanteren een andere definitie voor het begrip amplitude. Een voorbeeld hiervan kan hier naast gezien worden waar, bij in dit geval Siglent, de amplitude weergegeven wordt als het verschil tussen de meest waarschijnlijke "higher state" (top) en meest waarschijnlijke "lower state" (base). Deze afwijkende definities zijn altijd terug te vinden in de handleiding van het betreffende product.

Bandbreedte (bandwidth) [Hz]

Het -3dB punt.

Mogelijk de belangrijkste eigenschap van een scope is de bandbreedte, dit omschrijft tot welke frequentie signalen gemeten kunnen worden. Dit bepaalt het fundamentele vermogen om signalen te meten. Tot deze waarde kan de scope signalen accuraat en natuurgetrouw weergeven. De bandbreedte is gespecificeerd als de frequentie waarbij het -3dB punt bereikt is, dit is het frequentiepunt waarop een gemeten sinusoïde gedempt wordt totdat deze met 70.7% van het originele signaalsterkte gemeten wordt.
Zonder fatsoenlijke bandbreedte zullen andere eigenschappen van uw scope niet zo nuttig zijn, details zullen verloren gaan, waardoor diverse berekeningen relatief zinloos zijn. Om zeker te zijn van voldoende bandbreedte kan het beste uitgegaan worden van een simpele berekening:
Bandbreedte ≥ Hoogste frequentiecomponent van het signaal x 5

Voorbeeld van connectiviteit.

Connectiviteit (connectivity)

Deze specificatie is volledig gebonden aan voorkeur, sommige scopes kunnen bijzonder divers verbonden worden, andere scopes hebben alleen een trigger output. Wat hierin benodigd is is afhankelijk van het gebruik. Wordt de scope vaak vanaf een computer bediend, of moet data gebruikt worden om te kunnen vergelijken met simulatiewaardes. Dan is een USB host of device verbinding zeker handig. Is het alleen noodzakelijk om de signalen te kunnen weergeven, en hoeft er voor de rest geen analyse gedaan worden, dan is connectiviteit een overbodige luxe. De meeste scopes bieden standaard al enige connectiviteit.

Een LAN connector biedt de mogelijkheid om de scope te verbinden met een computer, waardoor de scope via het netwerk beheerd kan worden. Dit biedt uitgebreide mogelijkheden die bijvoorbeeld in een lab erg handig zijn.

Deze verbindingen bieden parallel communicatie mogelijkheden met een computer of andere apparatuur, deze types komen minder vaak voor op scopes.

Deze output is vooral belangrijk bij het testen van meerdere producten. Als hiervoor een bepaalde vereiste is opgesteld waaraan de output moet voldoen kan via de pass/fail output automatische batch testing gedaan worden. Dit is dus vooral handig in een professionele omgeving.

Met een een trigger connector kan de scope getriggerd worden door een ander apparaat, bijvoorbeeld een functiegenerator. Dit biedt een stabiele triggering die kan leiden tot het vermogen om signalen te meten die zelf niet geschikt zijn om vanaf te triggeren. Een voorbeeld hiervan is bijvoorbeeld ruis.

Sommige scopes beschikken over beeld-outputs waarmee ze direct aan een monitor verbonden kunnen worden.

Een USB verbinding is er in twee vormen, genaamd host en device. Deze twee types omschrijven hoe de communicatie verloopt en of het apparaat direct met een computer verbonden kan worden. Een USB host verbinding kan data wegschrijven op opslag apparaten, dit kan bijvoorbeeld op een memory-stick. Een USB device verbinding biedt de mogelijkheid om een computer te verbinden waarna de metingen bijvoorbeeld direct op de computer weergegeven worden.

Een divisie is één vakje op een oscilloscoop scherm. Divisie (division) Een vakje van het scherm van de scope. Hieraan zijn veel instelmogelijkheden gerelateerd, zoals de verticale en horizontale instellingen. Bijna alle scopes hanteren de instellingen per divisie, Hierdoor kan bijvoorbeeld eenvoudig gezien worden hoeveel amplitude een signaal heeft.

Voorbeeld van een FFT berekening op een frequentie veranderend signaal. Fouriertransformatie (FFT) Met een FFT kan de scope weergeven welke frequenties er aanwezig zijn in het signaal en hoe sterk deze componenten zijn vertegenwoordigd. De FFT is een handige tool bij bijvoorbeeld het analyseren van FM signalen, aangezien die altijd minstens 2 frequentiecomponenten hebben die in het tijdsdomein niet eenvoudig te vinden zijn. Verschillende scopes bieden hierin een verschillende ervaring, welke niet makkelijk terug te vinden is in specificaties.

Geheugendiepte (memory depth) [punten] of [pts]

Dit getal omschrijft de geheugengrootte van een scope, ofwel hoeveel punten er per meting van het signaal opgeslagen kunnen worden. Hierbij geldt, hoe hoger de waarde hoe meer detail er in de signaalweergave weergegeven kan worden. Met een hoge geheugendiepte kan eenzelfde meettijd met meer detail worden weergegeven, als de sample rate afdoende is.

Holdoff range [s]

Deze specificatie is gerelateerd aan de triggering en omschrijft hoe lang de scope zal wachten voordat deze weer op zoek gaat naar een nieuw triggerpunt.

Interpolatie (interpolation)

De twee interpolatiemethodes vergeleken.

Er zijn twee belangrijke types interpolatie, sin x/x en lineair. Deze twee worden vaak beide ondersteund door scopes. Bij sin x/x worden de gesamplede waardes verbonden met een gebogen lijn, terwijl lineair rechte lijnen vormt. Beide interpolatie methodes hebben hun eigen voordelen. Sin x/x biedt bijvoorbeeld beter resultaat bij sinusvormige signalen, terwijl lineair dat beter doet bij blok of zaagtand signalen. Ook is de interpolatiemethode van invloed op hoe hoog de sampling rate moet zijn.

Bij een sinusvormig signaal kan deze al accuraat met sin x/x worden weergegeven als de samplingsnelheid 2.5 keer zo hoog is als de frequentie van het signaal. Terwijl bij lineaire interpolatie nog geen goede representatie kan worden gegeven als dit een factor 10 is.

Typisch uiterlijk van de connectoren van een scope

Kanalen (channels)

Het aantal kanalen waarover een scope beschikt, hoe meer kanalen een scope heeft hoe meer verschillende signalen er tegelijk weergegeven kunnen worden. Bij deze specificatie is het altijd belangrijk om de sample rate in de gaten te houden. Vaak wordt deze namelijk onder de kanalen verdeeld en kan bij het aansluiten van meerdere kanalen resolutie verloren gaan.

Math operaties

Een scope kan vaak niet alleen signalen weergeven, maar ook berekeningen uitvoeren op de signalen zoals twee signalen optellen of vermenigvuldigen. Daarnaast bieden veel scopes ook de mogelijkheid om een Fast Fourier Transform (FFT) op het signaal uit te voeren. De uitgebreidheid van het aantal operaties wat uitgevoerd kan worden is vaak heel divers, van slechts basisfuncties tot zeer ingewikkelde functies die de gebruiker zelf in kan voeren.

De definitie van rise time.

Rise time [s]

Bij het meten van digitale signalen is Rise time van groot belang. Dit omschrijft de tijd dat de scope nodig heeft om een pulse te volgen. Meer specifiek is het de tijd die de scope nodig heeft om van 10 – 90% van de signaalsterkte te stijgen. Bij het volgen van een digitale 0 naar 1 omschakeling zal dus signaaldetails verloren gaan in de tijd die benodigd is om van laag naar hoog te gaan. Hierbij geldt, hoe lager de Rise time, hoe hoger de gedetailleerdheid van het signaal. De Rise time is vrijwel altijd omgekeerd evenredig aan de bandbreedte, oftewel, bij een hogere bandbreedte hoort een lagere Rise time.

Sample rate [Sa/s]

Het effect van een hogere sample rate.

De Sample rate omschrijft hoe vaak in 1 seconde gekeken wordt naar de input waardes. Dit wordt gemeten in Samples per seconde. Bij deze waarde geldt over het algemeen, hoe hoger hoe beter. Een scope met een hoge sample rate kan namelijk signalen meer gedetailleerd meten en weergeven. Hierdoor is er een minder grote kans dat kritieke informatie verloren gaat bij de acquisitie. De gewenste sample rate is afhankelijk van het type interpolatie wat de scope gebruikt. Bij sin(x)/x interpolatie moet de minimum sample rate namelijk ongeveer 2.5 keer zo hoog zijn als de hoogste frequentie in het signaal, terwijl deze bij lineaire interpolatie ongeveer 10 keer zo hoog moet zijn voor accurate reconstructie.

Triggers

De triggermogelijkheden van een scope zijn van groot belang om het signaal stabiel in beeld te brengen. Er zijn een aantal verschillende triggermethodes die allemaal op diverse manieren ervoor kunnen zorgen dat het signaal duidelijk in beeld gebracht wordt. Een voorbeeld van een type triggering is “Rising-edge” waarbij gekeken wordt wanneer een signaal omhoog gaat langs een bepaalde instelbare drempelwaarde. Hiermee kunnen bijvoorbeeld blokgolven en sinusoïden eenvoudig in beeld gebracht worden.

Verticale gevoeligheid (vertical sensitivity) [V]

Deze eigenschap omschrijft wat de kleinste piekwaardes zijn die de scope kan meten en versterken. De meeste scopes gaan van 1 of 10 mV tot 10 V per divisie waardoor dus zowel hele kleine als hele grote signalen weergegeven kunnen worden.

Verticale resolutie (vertical resolution) [bit]

Het effect van een hoger aantal bits.

Dit getal omschrijft hoeveel binaire getallen een scope heeft om verschillende voltages in het signaal weer te geven. Dit getal is gerelateerd aan de Analoog-Digitaal converter, of AD-converter (ADC). Veel scopes hebben een 8-bits ADC, waarmee tussen de minimum en maximum waardes dus ongeveer 256 niveaus gemeten kunnen worden. Dit geldt op elke schaal, dus van 1 mV tot 10 V/divisie. Bepaalde berekenmethodes kunnen de resolutie naderhand verbeteren.

Waveform capture rate [wfm/s]

Deze specificatie zegt iets over het vermogen van de scope om snelle eigenschappen van een signaal op te pikken. Dit is ook afhankelijk van de sample rate, maar er is een groot verschil tussen wat deze specificaties precies zeggen. Alle scopes hebben een zogeheten ‘dead-time’ tussen elke meting. In deze tijd verwerkt de scope het verkregen signaal en doet eventuele berekeningen. Deze tijd is de scope niet aan het opletten wat er gebeurt aan de input. Als er in deze tijd iets met het signaal gebeurt, zal de scope dat niet opmerken en dus niet weergeven op het scherm. Een hogere wfm/s betekent dus dat er een kleinere kans is dat signaaleigenschappen gemist worden omdat de ‘dead-time’ kleiner is. Sommige scopes bieden een “burst-mode”, deze modus biedt een tijdje extreem hoge capture snelheid waarna in een langere aaneengesloten termijn alle verwerking gedaan wordt, waardoor de dead-time langere blokken vormt.