Oscyloskop próbkujący

Oscyloskopy próbkujące pozwalają na pomiary sygnałów szybkozmiennych w abstrakcyjnie szerokim paśmie częstotliwości. Okupione jest to jednak możliwością obserwacji jedynie przebiegów sygnałów powtarzalnych. Przyrządy te pobierają próbki napięcia sygnału wejściowego i zapamiętują je. Przy każdym następnym sygnale na bardzo krótki czas otwierana jest bramka wejściowa - odbywa się to z przesunięciem w czasie. Złożenie wszystkich pobranych próbek pozwala na odtworzenie sygnału wejściowego, czy to bezpośrednio za pomocą lampy oscyloskopowej, czy poprzez układy cyfrowe.

***

Oscyloskopy pracujące w czasie rzeczywistym generalnie osiągają pasmo do 20 GHz, przy próbkowaniu 100 GS/s. Dostępne są też modele o paśmie 100 GHz i próbkowani 240 GS/s - czyli mają parametry oscyloskopu próbkującego. Dlaczego więc oscyloskopy próbkujące są produkowane? 
Oczywiście chodzi o pieniądze. Oscyloskop próbkujący może być nawet dziesięć razy rańszy od oscyloskopu pracującego w czasie rzeczywistym. Skąd taka różnica w cenie? Porównajmy parametry:
Oscyloskop czasu rzeczywistego:  20 -100 GHz, 240 GS/s, 8 bit
Oscyloskop próbkujący I:  20 GHz - 100 GHz, 10 MS/s, rozdzielczość 14 bit
Oscyloskop próbkujący II:  80 GHz, 300 kS/s, rozdzielczość 16 bit
Oscyloskop próbkujący musi zebrać i przetworzyć znacząco mniej danych. Ponieważ ma na to mniej czasu jego przetworniki mogą mieć wyższe rozdzielczości.

***

Generalnie oscyloskop próbkujący jest wyposażony w przetworniki o maksymalnej częstotliwości próbkowania mniejszej niż pasmo przyrządu. Choć wydaje sie to złamaniem warunku Nyquista twierdzenia Kotielnikowa-Shannona to dzięki badaniu sygnałów powtarzalnych możemy wykonać próbkowanie w czasie ekwiwalentnym. Przetworniki (przetwornik) oscyloskopu pobierze w pierwszym przebiegu sygnału tyle próbek ile umożliwiają jego podzespoły, a kolejne próbki będzie gromadzić przy kolejnych badanych przebiegach. Oscylogram, który zobaczymy na ekranie będzie złożeniem wielu przebiegów zarejestrowanych przy wielu wyzwoleniach.
Przykłądowo PicoScope 9211A 12GHz 16bit oscyloskop próbkujący za 45000 zł pobiera próbki częstotliwością do 200 kHz, ponieważ w oscyloskopie próbkującym (samplingowym) najważniejsza nie jest jak dużo próbek na sekundę pobiera, tylko na jak krótki okres czasu potrafi otworzyć bramkę pobierającą próbkę. Oscyloskopy pracujące w trybie czasu ekwiwalentnego zazwyczaj mają rozdzielczość 12-14 bitów.

Próbki można pobierać na trzy sposoby:

Próbkowanie sekwencyjne

Wyzwalanie następuje w tym samym miejscu doprowadzonego sygnału, ale otwarcie bramki odbywa się z przesunięciem w stosunku do wyzwolenia. Za każdym razem czas przesunięcia wzrasta o stałą wartość.
Czasami oscyloskop pobiera próbki co kilka okresów, w zależności od parametrów przyrządu. Po prostu tańsze urządzenie nie są w stanie pobierać próbek z dużą częstotliwością. Tak często pracują rejestratory (przystawki) podłączane do komputera.
By zobrazować cały przebieg impulsu, włącznie z kompletnym  zboczem wyzwalającym, należy manipulować czasem przesunięcia, odpowiednio go wydłużając. Można oczywiście skorzystać z wyzwalania zewnętrznego, jeżeli mamy dostęp do odpowiedniego sygnału wyprzedzającego.

Próbkowanie przypadkowe

Jak nazwa wskazuje próbki pobierane są losowo. Powoduje to że:
- Możemy obserwować kompletny impuls.
- Pobrane próbki mają różną gęstość.
Pobieraniu każdej próbki musi towarzyszyć zapamiętanie informacji o czasie jej pobrania, a konkretnie o odstępie czasu pomiędzy wyzwoleniem akwizycji, a pobraniem próbki.

Próbkowanie w czasie rzeczywistym

W czasie jednego przebiegu pobieranych jest wiele próbek, a każda z nich jest obrazowana na ekranie. Ten sposób akwizycji wymaga najlepszych parametrów urządzenia, ponieważ szybkość pobierania próbek musi być co najmniej dwukrotnie większa od największej częstotliwości występującej w sygnale.

Dla sygnałów niepowtarzalnych ten współczynnik przyjmuje się uznaniowo od 5 do 20. Jedną z reguł dobierania oscyloskopu do potrzeb jest zasada piątej harmonicznej, lub w wariancie bardziej ekonomiczniej trzeciej harmonicznej: widoczność piątej (trzeciej) harmonicznej badanego sygnału wyznacza potrzebne pasmo przenoszenia oscyloskopu. Ilość harmonicznych, które przyrząd może zarejestrować wpływa bezpośrednio na jakość zobrazowania (i odwzorowania) sygnału badanego.

Należy pamiętać, że podstawa czasu musi odpowiadać badanemu sygnałowi. Jeżeli przyrząd nie będzie posiadać odpowiednich parametrów, to np. w oscyloskopie cyfrowym zawężone pasmo skutkuje aliasingiem.
W praktyce ten tryb nie jest często używany, głównie z powodu ograniczonej dynamiki. Praca oscyloskopu w trybie real time zazwyczaj pozwala maksymalnie zobaczyć trzecia harmoniczną - oczywiście zależnie od pasma oscyloskopu i częstotliwości badanego sygnału.

***

Oscyloskopy próbkujące, ze względu na duże pasmo, posiadają wejścia niskoomowe, najczęściej 50 Ω. Oznacza to, że najczęściej akceptowany sygnał doprowadzony do wejścia oscyloskopu zawiera sie w granicach  od 1 V do 5 V.

Oscyloskopu próbkujące stosuje się w telekomunikacji, technice mikrofalowej i refraktometrii obiciowej:
- Torów przewodów metalowych (TDR, skrót od ang.: Time-Domain Reflectometer)
- Torów światłowodowych (OTDR, skrót od ang.: Optical Time-Domain Reflectometer)
Czyli wszędzie tam, gdzie bada się powtarzalne i stabilne sygnały.

***

Powrót do głównej strony o:
Urządzenia pomiarowe: oscyloskopy

Urządzenia pomiarowe: multimetry, mostki RLC

Update: 2015.10.19
Create: 2015.10.19