Mätteknik för E & D Digitala oscilloskop Laborationshandledning 2016 Institutionen för biomedicinsk teknik LTH
Digitala Oscilloskop Inför laborationen: Skriv ut den här laborationshandledningen eller ladda ner den till dator/surfplatta (ej mobiltelefon) och ta med handledningen till laborationen. Läs igenom laborationshandledningen. Ta med miniräknare till laborationen. Läs i kursboken Elektronisk mätteknik: Kap. 5 - Probens uppbyggnad och egenskaper (326-336) Kap. 6 - Digitala minnesoscilloskop (347-381) Kap. 8 - Frekvensanalys (437, 443-448) Uppgifter 5.10 (346) 26-29 Uppgifter 6.10 (389-390): 1, 3-22 Uppgifter 8.6 (471): 8-11 Du skall känna till och kortfattat kunna beskriva: Probens uppbyggnad och funktion Skillnader mellan olika samplingsmetoder både för engångsförlopp och repetetiva förlopp Nackdelar och fördelar för digitala oscilloskop jämfört med analoga ocilloskop Vikningsbegreppet Olika former av triggning Minnesdjup, samplingshastighet och upplösning hos digitala oscilloskop. Bandbredd FFT Fönsterfunktioner (FFT) För godkänd laboration krävs: Godkänt på de skriftliga förberedelsefrågorna. Godkänd laboration Godkänt på praktiskt prov. Denna examination bokar man en tid till (efter laborationen) på anslagstavlan. Under detta prov, som tar ca 15 minuter, skall man visa att kan hantera oscilloskopet, samt kunna svara på de teoretiska frågor som examinatorn ställer under provtiden. För att ha en chans att bli godkänd på det praktiska provet bör man öva själv tills man känner sig säker på oscilloskopet. Det kommer att finnas uppställningar för övning på egen hand i ett rum på institutionen. Biomedicinsk teknik vid LTH 1
Inledning Laborationen avser att ge kunskap om den normala användningen av ett oscilloskop, samt något om dess data och begränsningar. Följande moment behandlas: Injustering av oscilloskopet, kompensering av prob. Studium av spänning som funktion av tid. Frekvensanalys med FFT (Fast Fourier Transform). Mätning av engångsförlopp. Materielförteckning Digitalt oscilloskop TDS 2002 med 1 st prob Signalgenerator LFG-1300 0,15Ω-resistor på plint 22kΩ-resistor på plint Fjärrkontroll Mottagarkort med IR-mottagare Lamphållare med glödlampa och halogenlampa Stativ med kulor Multimeter Fluke 75/77 Nätaggregat Switchbox SB 15-20 eller Powerbox 6303 DS 33mF eller 10 mf elektrolytkondensator Övergångskontakt BNC-banan (2 st per uppställning) Mäta upp en signal Det finns en mängd olika sätt att mäta samma sak i ett oscilloskop, alla med sina fördelar i olika situationer. Funktionen Measure kan snabbt ge värden på flera parametrar samtidigt (t.ex. amplitud och frekvens) men fungerar inte speciellt bra vid mätning av signaler som innehåller flera olika frekvenser eller om brusnivån är hög (ju mer brus, desto tjockare ser signalen ut). I dessa fall passar Cursor bättre och går dessutom att använda vid mätning på engångsförlopp mm. En mer utförlig beskrivning av Measure, Cursor och hur en okänd signal mäts upp finns i Appendix A - Läs gärna detta när du utför uppgifterna i denna laboration. 1. Koppla ihop oscilloskopet (CH1-kontakten) och funktionsgeneratorns signalutgång (märkt 50 Ω ) med en koaxialkabel. Ställ med hjälp av oscilloskopet in signalen till cirka 100kHz sinusvåg och cirka 3 volt peak-to-peak (V pp), dvs. botten till toppen. Mät de exakta värdena för frekvens och spänning (V pp) med hjälp av mätfunktionen Measure och anteckna värdena. 2. Mät nu upp samma parametrar med Cursor och anteckna värdena. Stämmer de överens? Biomedicinsk teknik vid LTH 2
Kalibrera proben Proben är ett viktigt hjälpmedel till oscilloskopet. Dels för att enkelt kunna komma åt för att mäta, men framförallt för att kunna göra en säker och korrekt mätning. I en dämpande prob sitter en resistor och en (variabel) kondensator som gör att spänningen dämpas. Dock är dämpningen frekvensberoende om inte kondensatorn är inställd till rätt värde (vilket görs manuellt). Mer information om proben och probkompensering finns i appendix A och C. 3. Ställ proben (om den är ställbar) på 10X och koppla in den på oscilloskopets egen testsignal. (sitter invid oscilloskopet skärm). Kroken för att fästa proben kommer fram då man drar tillbaka plasthöljet. Överkompensera proben maximalt (se appendix C), probmejslar finns framme vid tavlan. Rita av kurvformen (behåll proben överkompenserad till nästa uppgift). 4. För att undersöka hur stort fel det blir då proben är felkompenserad ska mätningen i uppgift 1 göras om med den nu maximalt överkompenserade proben. På bordet framför dig finns en övergångskontakt från BNC-kontakt till banankontakt. Koppla in övergångskontakten i funktionsgeneratorns signalutgång. Anslut proben till övergångskontakten (tänk på att ansluta jordsladden till svart och probhuvudet till röd). Eventuellt kan du koppla in två korta labbsladdar i övergångskontakten och därefter själva proben till labbsladdarna för att lättare kunna koppla fast proben. Mät sedan upp spänningen (V pp) och frekvens på funktionsgeneratorns signal igen (endast en metod measure eller cursor - behöver användas) och anteckna resultaten. 5. Hur stort blir procentuella felet i föregående uppgift jämfört med uppgift 1? Glöm inte att kompensera proben rätt innan nästa uppgift! Stigtid och frekvens Det är viktigt att komma ihåg att hela minnet visas på oscilloskopskärmen. Det finns ingenting utanför detta område. Därför är det viktigt att låta den del av signalen som är av intresse fylla upp så stor del av skärmen som möjligt för att få bra mätningar. 6. Ställ in en fyrkantsvåg, 1 khz på funktionsgeneratorn. Behåll proben inkopplad. Tryck på Auto Set på oscilloskopet. Mät upp signalens frekvens och stigtid med hjälp av Measure. Varför står det ett frågetecken efter stigtiden? Biomedicinsk teknik vid LTH 3
7. Ändra oscilloskopets inställningar så att ett korrekt värde erhålls på stigtiden. Anteckna det nya värdet och jämför med resultatet i uppgift 6. Varför kan oscilloskopet inte räkna ut frekvensen nu? 8. Ställ in signalgeneratorn på fyrkantvåg med en frekvens på ca 5 Hz och valfri amplitud. Koppla in signalen till oscilloskopet med koaxialkabel 1. Justera tidbasen (horisontella Scale-ratten)så att signalen triggas (står stilla på skärmen). a) Rita upp signalen DC-kopplad: b) Rita upp signalen AC-kopplad: c) Varför blir resultaten olika beroende på om oscilloskopet är AC-kopplat eller DC-kopplat? 9. Ställ nu om vågformen till sinus (samma frekvens och amplitud som i föregående uppgift). Koppla även här med koaxialkabel. a) Ställ oscilloskopet i DC-läge (Coupling: DC) och mät spänningen (V pp) b) Ställ oscilloskopet i AC-läge (Coupling: AC) och mät spänningen (V pp) c) Hur stor blir den procentuella skillnaden mellan mätvärdena i a) och b)? 1 Om du har tid över i slutet av laborationen får du gärna undersöka hur resultatet kommer bli i uppgift 7 och 8 om du använder prob istället för koaxialkabel. Fundera i så fall på varför de båda mätningarna skiljer sig åt. Biomedicinsk teknik vid LTH 4
Frekvensanalys Oscilloskopet TDS 2002C som används på laborationen är utrustat med en extra FFT-modul så att frekvensanalys kan utföras på insamlad mätdata. Se Appendix B.4 för tips angående mätningar i frekvensdomänen. 10. Ställ funktionsgeneratorn att ge en sinusvåg på 1 khz, 1 V pp. Gå in i FFT:n genom att trycka på MATH och välj FFT som operation och aktuell kanal som källa. Ställ in lämplig samplingshastighet med tidbasratten så att frekvenstoppen hamnar i skärmens mitt. Rita av oscilloskopfönstret med olika fönsterinställningar (Rectangular, Hanning och Flattop). Mät frekvensen med hjälp av pilen i ovankanten av skärmen, frekvensen står då strax intill pilen. Tips!Testa att använda zoomfunktionen i MATH-menyn. 11. Varför uppstår det ofta breddning när man gör en FFT-analys av en sinussignal med rektangulärfönster? 12. Vid vilka mätningar är det bäst att använda nedanstående fönster? Rectangular Hanning Flattop Biomedicinsk teknik vid LTH 5
13. Justera nu in oscilloskopet så att du tydligt ser frekvenstoppen och ställ samplingshastighen till 5 ks/s (med horisontella Scale-ratten). Öka frekvensen långsamt från 1 khz ända upp till 4 khz (Obs: ända till 4 khz). a) Vad händer med frekvenstoppen? b) Vad kallas fenomenet som uppträder? c) Hur förhindrar man det? 14. Ställ över funktionsgeneratorn till fyrkantsignal. Rita av oscilloskopfönstret med olika fönsterinställningar. Biomedicinsk teknik vid LTH 6
15. a) Vilka är de fem mest dominanta frekvenserna i en 1 khz fyrkantsignal? b) Stämmer detta med teorin? c) Hur kommer det sig att det blir små toppar mellan de höga topparna? Engångsförlopp: mätning av stöttid För att titta på engångsförlopp och pulser är det ofta en fördel att använda singel-trigg. Se läroboken eller appendix A. A.3 för mer om trigg-funktioner. 16. Seriekoppla stålkulorna med motståndet (22 kω) enligt Figur. Koppla mellan nätaggregatets (+)-utgång och ( )-utgång, ej till skyddsjord. Trigga på den uppåtgående flanken i pulsen som uppkommer då stålkulorna slår ihop. Hur lång är stöttiden? Figur 1 - Kopplingsschema över uppställning för stöttidsmätning. 17. Vad händer med stöttiden då kulorna stöter ihop flera gånger i följd? Biomedicinsk teknik vid LTH 7
Engångsförlopp: fjärrkontroll En fjärrkontroll överför information till (t.ex.) en TV med hjälp av infrarött ljus (IR). På labbänken finns en enkel IR-mottagare (sitter på Timer/IR-kortet) uppbyggd av en IR-diod (BPW41N) och ett 20 kωmotstånd (diod och motstånd sitter alltså på kortet och behöver inte kopplas in). 18. Spänningssätt kortet med +5 V från spänningsaggregatet. Obs! Koppla spänningen rätt annars brinner kortet upp. Rikta in fjärrkontrollen mot IR-diod enligt pilen på kortet och leta upp signalen i oscilloskopet och rita av två av kanalkommandona. TV1: TV4: 19. Hur är informationen kodad? Figur 2 - Kretsschema för kretskortet. Dioden/transistorn leder endast om det kommer in ljus av rätt våglängd. 20. Hur många bitar och kodningsmöjligheter har signalsekvensen? 21. Hur ofta skickas kommandon ut om man håller nere knappen konstant? 22. Vilka fördelar finns med denna typ av signalöverföring? Biomedicinsk teknik vid LTH 8
Engångsförlopp: tändning av lampa När en glödlampa tänds så tar det en kort stund innan glödtråden kommer upp i rätt arbetstemperatur, lampans resistans beror ju som bekant på temperaturen enligt: R lamp = K ρ 1 = Kρ 0 (1 + α T) där K=konstant, Resistiviteten, = Resistivitetens temperaturkoefficient för Volfram = 0,0045 K -1. Eftersom resistansen är lägre vid lägre temperatur på glödtråden kan man, genom att jämföra lampans startström mot den stabila strömmen, få veta glödtrådens temperatur genom formeln: Figur 3 - Kopplingsschema för mätning av temperaturen hos en lampa. R varm R kall = Kρ 0 (1 + α T) Kρ 0 (1 + α 0) = 1 + α T 23. Koppla upp enligt Figur 3 - Kopplingsschema för mätning av temperaturen hos en lampa., men lämna kretsen öppen på en punkt vid lampan. Eftersom det är temperaturskillnaden som är intressant bör inte lampan värmas upp. Slut istället kretsen endast då tändningsförloppet ska studeras. Rita tändningsförloppet i rutorna. Obs! koppla kondensatorn med rätt polaritet, annars kan den explodera med personskador som följd! Fråga handledaren om du känner dig osäker! 24. Bestäm i samråd med gruppen bredvid så att ni mäter på varsin lampa, antingen glödlampa eller halogenlampa. Gör lämpliga mätningar för att bestämma er lampas resistans både när den är kall (alltså i tändningsögonblicket) och när den blivit uppvärmd. Beräkna därefter glödtrådens temperatur enligt formeln ovan. Jämför resultatet med den andra gruppen.. Biomedicinsk teknik vid LTH 9
25. Glödtrådens temperatur bestämmer i sin tur ljusets våglängdsspektrum enligt Plancks strålningslag som illustreras i Figur 4. Jämför utifrån figur 4 temperaturen mellan den traditionella glödlampan och halogenglödlampan tillsammans med den andra gruppen. Jämför även med solens temperatur på 5800K. Vad innebär skillnaden för våglängden av det utsända ljuset? Figur 4 Planck-kurvorna (TEFYMA) Handledningen reviderad: 110323 AT, 120121 AT/JG, 130305 AT/JG, 150330 JG/AT/EL/JN/LW/HWP, 150415 JG, 150905 JG Biomedicinsk teknik vid LTH 10
Appendix A - Introduktion till Oscilloskopet A.1. Varför oscilloskop? Oscilloskopet är ett av de mest centrala verktygen för en ingenjör när det gäller mätningar av elektriska signaler. I grund och botten är oscilloskopet en spänningsmätare vilket gör det till ett så universellt mätinstrument. De flesta sensor- och kommunikationssystem har spänningssignaler som utsignal; antingen de är i form av likspänningar, växelspänningar, pulser eller digitala koder. Även om det finns många specialinstrument som kan mäta t.ex. frekvens med hög noggrannhet ligger oscilloskopets styrka dels i att det har kapacitet till att utföra alla sorters mätningar men framför allt i dess förmåga att åskådliggöra den uppmätta signalen. Denna laboration är för att ni som ingenjörer ska lära er behärska oscilloskopet som mätinstrument och förstå dess uppbyggnad och viktigaste delar. Nedan presenteras en översikt av oscilloskopet ur bruksperspektiv medan läroboken ger all teori och bakgrundsinformation som behövs. A.2. Översikt av oscilloskopet Figur A.1 Oscilloskopets framsida med funktionsknappar och kontakter. Biomedicinsk teknik vid LTH 11
A.3. Hur oscilloskopet fungerar Även om ingen detaljkunskap behövs kan det vara av nytta att ha klart för sig de olika huvudkomponenter som utgör oscilloskopet. I Figur A. visas ett blockschema över ett oscilloskop. Signalen kommen in via ett ingångssteg som är en samling av flera olika delar så som lågpassfilter och en AC-/DC-koppling (vilket behandlas i Appendix B). Efter filtrering går signalen in i en analog till digitalomvandlare (brukar kallas A/D-omvandlare eller ADC Analog to Digital Converter) som samplar signalen. Signalen delas där upp i diskreta värden beroende på A/D-omvandlarens upplösning och samplingshastigheten som ges av tidbasoscillatorn. Upplösningen anger hur många fasta steg signalen kan delas in i på spänningsaxeln (ex: 8 bitars upplösning ger 2 8 =256 spänningsnivåer) och samplingshastigheten säger hur ofta insignalen ska mätas (oscilloskopet på laborationen har en maximal samplingshastighet på 1GS/s, dvs.10 9 samplingar per sekund). Tillsammans bestämmer dessa två hur noggrant signalen kan återges. Den centrala delen i oscilloskopet är minnet där all insamlad data lagras och det är också detta som återges på skärmen. Det är viktigt att förstå att det som visas på skärmen är hela minnet. Därför betyder de inställningar man gör för hur signalen visas på skärmen även hur bra minnet utnyttjas.detta behandlas mer i Appendix B. Till minnet är det kopplat en processor som sköter mätningar, inställningar, menyer, matematisk analys och alla övriga funktioner oscilloskopet har. Till minnet kan man också koppla in externa system, antingen i form av ett USB-minne som Figur A.2 - Förenklat blockschema över oscilloskopets delar. kan spara skärmbilder eller en dator som både kan lagra data men även styra oscilloskopet via program så som LabView eller Matlab. Den del som inte behandlats än är triggerkretsen. Kretsens uppgift är att låsa signalen så att signalen står stilla på skärmen. Triggerkretsen har en fast spänning som den jämför insignalen med. Tiden mellan det att insignalen passerar det fasta värdet på samma flank är en period och oscilloskopet kan därför ställa in avläsningen så att signalen visas stillastående istället för att flyta fram. Ovanstående gäller naturligtvis endast för periodiska signaler (så som en sinusvåg) men kommer även till stor nytta i andra sammanhang. Eftersom signalen inte visas i realtid utan först sparas till ett minne går det att se vad som händer både före (s.k. förtriggning eller pre-trigging) och efter triggpunkten. Detta utnyttjas också vid singeltriggning som används då engångsförlopp eller transienter studeras. Några exempel på engångsförlopp är resistansförändringen då en lampa tänds, digitalt omslag från 1:a till 0:a eller en pacemakerpuls. Vid dessa situationer används singeltriggning vilket innebär att efter triggerpunkten passerats fylls minnet för att därefter frysas så att engångsförloppet kan studeras i lugn och ro. Biomedicinsk teknik vid LTH 12
A.4. Oscilloskopets fönster och funktioner Naturligtvis är det viktigt att lära sig olika metoder för att mäta upp en signal, men endast en blick på oscilloskopfönstret ger en förvånansvärt god överblick över hur signalen ser ut. Bilderna nedan äranpassade i färger för att passa för svartvit utskrift varvid de faktiska färgerna i oscilloskopet kan se olika ut beroende på märke och modell. Figur A. visar ett exempel på hur fönstret ser ut för ett Tektronix TDS2002C med de olika delarna numrerade. Längst till höger finns menyerna som ändras beroende på vilken funktion som är aktiv, dessa behandlas inte här utan kommer att visas lite i Appendix B och framför allt under laborationen. Figur A.3 - Översikt av oscilloskopets fönster. De olika delarna är numrerade och förklaras i huvudtexten. På kanal 2 visas en sinussignal och på kanal 1 en likspänning som ligger på jordnivån. 1. Denna ikon visar Acquisition mode vilket inte behandlas i denna laboration. 2. Här visas triggerkretsens status enligt följande tabell Armed Oscilloskopet samlar in förtriggningsdata R Ready T All förtriggerdata har samlats in och oscilloskopet väntar på en triggersignal. T Trig d Oscilloskopet är triggat och samlar in posttriggerdata. Stop Datainsamlingen är stoppad. Acq. Complete Oscilloskopet har avslutat en singeltriggningssekvens. R Auto Triggern är i auto-läge och samlar in data utan närvaro av triggerpunkt. Scan Scan mode: Oscilloskopet samlar in och visar data kontinuerligt. 3. Pilmarkeringen visar triggerpunktens position i tidsled. 4. Anger tiden för mitten på fönstret i tidsled. Triggerpunkten räknas som tidsaxelns nolla. 5. Pilmarkeringen visar triggerpunktens spänningsnivå. 6. Dessa pilar visar jordnivån för respektive kanal angivet av siffran. Om ingen pil syns är kanalen avstängd. 7. Om en pil visas här är vågformen för kanalen inverterad. 8. Värdet visar skalan i spänningsled. Värdet är angivet per ruta (Volt/ruta). 9. En B W-symbol (Band Width) anger att kanalen är lågpassfiltrerad så att alla frekvenser över 20 MHz tas bort. 10. Värdet visar skalan i tidsled, här 1,00 ms/ruta. Värdet är angivet per ruta och är samma för alla kanaler. Biomedicinsk teknik vid LTH 13
11. Här anges vilken kanal som används för triggning. 12. Visar om signalen triggas på uppåtgående eller nedåtgående flank. 13. Värdet anger spänningsnivån för triggerpunkten. 14. Här visas hjälp- och statusmeddelanden. 15. Datum och tid. 16. Värdet visar signalens frekvens (mätt på den kanal som triggerpunkten är inställd på). Dessa punkter kan tyckas många att lära sig men återkom till dem under laborationen så kommer du intuitivt att lära dig vad de anger. A.5. Proben Proben används, precis som namnet avslöjar, för att koppla en signal till oscilloskopet. I ena änden på proben (Figur A.) sitter en koaxialkontakt som kopplas in mot en av oscilloskopets kanaler. Den andra håller den del som används för att mäta på en signal. Vanligtvis består själva probhuvudet av en krok som kan hakas på komponentben, lösa sladdar, lödöron eller annan fritt liggande metalldel. Eftersom spänning är ett förhållande i potential mellan två punkter måste även en jordkontakt kopplas in och denna sitter vanligtvis som en sidosladd från probhuvudet. Den första anledningen till att använda en prob är alltså för att enkelt kunna kontaktera det som mäts på. Vidare har proben ytterligare ett par funktioner. Med ett mätinstrument som oscilloskopet är det inte önskvärt att påverka mätobjektet så att det går ström genom oscilloskopet. Vid mätning på signaler med hög amplitud kan därför en dämpande prob användas. Dessa finns med olika dämpning så som 10X, 100X, 500X osv. och vissa är även ställbara. En 10X-prob dämpar således signalen till en tiondel av det ursprungliga värdet. Om en dämpande prob används måste detta även ställas in i oscilloskopet så att rätt amplitud visas (se Appendix B). Det går naturligtvis även att koppla in en signal till oscilloskopet med en vanlig koaxialkabel eller via någon övergångskontakt i vilket fall en 1X-inställning ska användas. En sidoeffekt av probens konstruktion är att den blir frekvensberoende om den inte är rätt inställd. Signalen dämpas alltså olika mycket beroende på frekvens och detta måste kompenseras för. Proceduren är enkel och en guide för hur probkompenseringen går till finns i Appendix C. Figur A.4 - En oscilloskopsprob av standardutförande. Koaxialkontakten kopplas till oscilloskopet och probhuvudet används till att mäta spänningen mot jordpunkten. Biomedicinsk teknik vid LTH 14
Appendix B - Uppmätning av okänd signal B.1. Inledning Det finns ett generellt tankesätt att följa då en okänd signal eftersöks i oscilloskopet: arbetssättet är att jobba utifrån och in, att successivt zooma in på signalen. Ett vanligt misstag är att använda en alldeles för liten skala, både i spännings- och tidsled. Risken är att endast en liten del av signalen eller rent av brus är det som visas på skärmen. För att undvika detta bör oscilloskopet vara inställt på att visa stora spänningsvariationer under lång tid (många Volt/ruta och många sekunder/ruta). Innan mätningen påbörjas finns dock ett två inställningar att kontrollera. Den första är AC-/DC-koppling som står för Alternating Current/DirectCurrent alltså växelspänning och likspänning. DC-koppling visar signalen som den ser ut i verkligheten dvs. att både likspännings- och växelspänningskomponenter finns kvar. Ställs däremot AC-koppling in tas alla likspänningsnivåer (offset) bort och endast växelspänningen kvarlämnas. Offset:en försvinner alltså och signalen kommer alltid att svänga kring nollnivån (som markeras av pil i vänsterkant på skärmen). Generellt sett är det bra att använda DC-koppling eftersom hela signalen kommer med. För att först hitta signalen kan dock AC-koppling med fördel användas. Vidare kan det bli lättare att detaljstudera små AC-variationer som är överlagrade på en likspänning. B.2. Att hitta en okänd signal 1. Slå på oscilloskopet men vänta med att koppla in mätobjektet. 2. Aktivera den kanal som ska anslutas till mätobjektet. En kanal aktiveras genom att trycka på knappen för kanalmenyn (markerade med 1 eller 2 och motsvarande färg) varvid jordpunkten bör vara markerad med kanalsiffran i vänsterkanten på skärmen. För att stänga av en kanal trycks samma knapp ner en gång till. 3. Om probenej redan är kalibrerad bör detta göras nu, tillvägagångssättet finns i 0. 4. Gå in i trigg-menyn ( TrigMenu ) och kontrollera under Source att den valda kanalen triggar oscilloskopet. Ställ vidare in oscilloskopet på Auto under menyvalet Mode. 5. Anslut nu mätobjektet till proben. 6. Kontrollera att rätt probdämpning är inställd i kanalmenyn under Probe. 7. Börja nu med en låg upplösning och lagom långsam inspelning för att sedan öka upplösningen successivt tills en bra och stabil bild framträder. 8. Om signalen är svår att hitta kan oscilloskopet AC-kopplas så att den alltid ligger runt nollan. Tänk dock på att lågfrekventa signaler kan förvrängas vid AC-koppling. B.3. Measure Measure-funktionen erbjuder ett enkelt sätt att snabbt och enkelt mäta flera signalparametrar på en gång. Märk dock att Measure inte ger speciellt exakta mätningar vid höga brusnivåer eller överlagrade signaler. Bland funktions- och inställningsknapparna högst upp på oscilloskopet finns Measure enligt figur A.1. I menyn kommer det fram fem fack som individuellt kan ställas till att mäta olika parametrar. För att ställa in mätningen öppnas helt enkelt ett av menyfacken. Där går det att ställa in vilken signal som ska mätas (1 eller 2) under Source och sedan vad som ska mätas under Type. Det går även att välja Type med multifunktionsratten för att bläddra snabbare. Efter inställningen är klar används Back för att återgå till huvudmenyn där den valda mätningen nu finns att se konstant. Om värdet för en av mätningarna följs av ett frågetecken betyder det att värdet inte är att lita på och spännings- eller tidsskalan måste justeras. Biomedicinsk teknik vid LTH 15
B.4. Cursor Cursor är ett mer manuellt mätverktyg i oscilloskopet som kan vara bättre att använda t.ex. vid brusiga signaler. Två linjer används som linjaler till att mäta antingen tid eller amplitud enligt följande schema: 1. Tryck på Cursor för att gå in i menyn. 2. Välj vad som ska mätas (amplitud eller tid) under Type. 3. Välj vilken kanal som ska mätas på. Tänk på att kanal 1 och 2 kan ha olika spänningsskala, dock är tidsskalan alltid samma. 4. Välj Cursor 1 och ställ in dess position med hjälp av multifunktionsratten. 5. Välj Cursor 2 och ställ in dess position med hjälp av multifunktionsratten. 6. Oscilloskopet visar nu positionen för varje cursor och även skillnaden dem emellan (ΔV eller ΔT). För tidsmätning visas även automatiskt frekvensen för periodtiden. 7. För att stänga av cursors ställs Type till Off. Cursors kan också användas för att mäta frekvens eller magnitud vid FFT-mätning. Tillvägagångssättet är exakt detsamma, men källan måste ställas in på MATH (trots att signalen kommer in via kanal ett eller två). B.5. Fast Fourier Transform - FFT Oscilloskopet TDS 2002C som använts på laborationen har utrustas med en extra FFT-modul så att frekvensanalys kan utföras på insamlad mätdata eller i realtid. Mer information om själva fouriertransformen och FFT finns i kursboken. FFT nås genom att trycka på knappen "MATH" mellan kanal ett och två. Math-funktionen kan även utföra andra matematiska operationer, men för att komma till FFT måste detta väljas under menyvalet "Operation". I FFT:n finns fönstrets skala längst ner till vänster precis som i tidsdomänen (se figur B.1), här är det dock också viktigt att hålla reda på samplingshastigheten (som visas bredvid frekvensaxelns skala). Om samplingshastigheten understiger Nyqvist-kriteriet kommer insignalen vikas och därmed visas felaktigt. För att få ett bra startvärde när FFT:n börjar användas är det lämpligt att först ställa in signalen snyggt i tidsdomänen så att ett par perioder syns. Detta ger en bra grundinställning av samplingshastigheten. Proceduren går alltid att återupprepa för att återfå bra inställningar. FFT-funktionen använder sig av olika fönster - funktioner för att få en bra uppskattning på frekvensinnehållet i signalen. Olika fönster används för att nå hög noggrannhet hos olika parametrar i signalen, så som amplitudnoggrannhet och frekvens-noggrannhet. Hanningfönstret i bilden tar bort mycket av signalen i början och slutet för att bredden av frekvensen ska Figur B.2 Skärmbild över en FFT-analys av den insamplade signalen. I mitten längst ner på skärmen syns den aktuella samplingshastigheten bli så liten som möjligt. Detta medför dock att ytterst lite av den korrekta amplituden finns kvar. Flattopfönstret är något av en kompromiss mellan Hanning- och Rectangular-fönstret så att mer av amplituden finns kvar; kanterna dämpas dock fortfarande ut för att undvika breddning. Rectangular-fönstret viktar hela fönstret lika vilket orsakar breddning, men detta kommer till nytta då pulser eller transienter studeras. I dessa fall är signalen inte periodisk och oftast är hela frekvensinnehållet intressant varvid Hanning- eller Flattop-fönstren skulle förvränga signalen. Biomedicinsk teknik vid LTH 16
Appendix C - Trimning av proben C.1. Inledning Som det står i Appendix A är proben ett viktigt verktyg vid arbete med oscilloskopet, både för att ge få korrekta mätdata och att skydda oscilloskopet. En av de viktigaste sakerna att ha i åtanke med en prob är att dess dämpning av signalen är frekvensberoende om inte proben är rätt inställd. Detta innebär att en signal med en hög frekvens i oscilloskopet kan visas med en högre eller lägre amplitud än den verkligen har, vilket beror på att den variabla kondensatorn i proben har för hög eller för låg kapacitans i förhållande till kapacitansen i ingången på oscilloskopet. För att korrigera så att detta inte inträffar måste proben kompenseras (dvs. kapacitansen justeras) innan mätningar påbörjas. Om proben flyttas till ett annat oscilloskop måste den kompenseras igen eftersom kapacitansen i ingången på alla oscilloskop (även om de är av samma modell) kan skilja sig lite åt. Proceduren för att kompensera proben är relativt enkel och tillvägagångssättet följer nedan. C.2. Probkompenseringsprocedur 1. Koppla in probens koaxialkabel på den kanal som ska användas. 2. Ställ in den dämpning på proben som ska användas (om ställbar). 3. Gå till motsvarande kanalmeny (knappen är märkt med kanalens nummer och eventuella färg) och ställ in samma dämpningsfaktor under menyvalet Probe. 4. Koppla nu in proben på oscilloskopets egen probkompenseringssignal. Denna sitter oftast mitt på oscilloskopet intill skärmen i form av två guldpläterade öglor som proben kan haka fast i. Sätt jordsladden på öglan med jordsymbol och fäst probhuvudet i den andra öglan. 5. Leta upp signalen som är i form av en fyrkantsvåg på oscilloskopet. Det är lagom att titta på ungefär två till tre våglängder. Det finns tre olika sätt som signalen kan se ut på enligt figur C.1. Är signalen korrekt kompenserad har den en perfekt fyrkantsform (C.1b). En underkompenserad prob har däremot slöa eller avrundade flanker (C.1a) medan en överkompenserad prob har kraftiga överslängar eller spetsar i kanterna (C.1c). Figur C.1 Olika fall av kompensering för en dämpande prob. 1a) En underkompenserad prob har avrundade flanker. 1b) En korrekt kompenserad prob dämpar alla frekvenser lika och en fyrkantsvåg återges därmed perfekt. 1c) En överkompenserad prob uppvisar de karaktäristiska spetsarna i vänsterhörnen. Det är lätt att se (och komma ihåg) om en prob är över- eller underkompenserad. Går flanken över fyrkantsplatån är proben överkompenserad och går den under idealkanten är den underkompenserad. 6. Vrid på probkondensatorskruven med en trimmejsel (finns hos labbhandledaren) tills fyrkantsvågen faktiskt ser fyrkantig ut. Då är probkompenseringen optimal. Skruven sitter antingen på probhuvudet eller på koaxialkontakten. Det är viktigt att trimmejseln är av plast eller annat oledande material eftersom en metallskruvmejsel kan påverka kondensatorn i proben så att proben blir okompenserad så fort skruvmejseln tas bort. 7. Nu är proben redo att mäta på alla signaler. Biomedicinsk teknik vid LTH 17
C.3. Övrigt Oavsett om proben används eller ej är det av yttersta vikt att även oscilloskopet är inställt rätt. Eftersom proben dämpar signalen t.ex. 10 gånger måste också skalan ställas för detta så att värdet som visas på skärmen blir rätt. Så fort en ny mätomgång påbörjas, oscilloskopet eller kanalen byts måste detta kontrolleras. I menyn för varje kanal finns ett val som heter Probe. Detta värde måste ställas in till att passa den aktuella proben. Om ingen prob används ska inställningen vara 1X. Biomedicinsk teknik vid LTH 18
Appendix D - Spara bilder från oscilloskopet Nedan följer en introduktion till hur skärmbilder kan sparas från oscilloskopet till ett USB-minne. Alternativ 1 Print Button 1. Sätt i USB-minnet. 2. Tryck på knappen Save/Recall. 3. Under Action välj Save All. 4. Under Print Button välj Save Images To File. Nu kommer en skärmbild med autogenererat namn sparas till den mapp som sätts nedan när Print -knappen (markerad med en skrivarsymbol) trycks in. 5. Om en speciell mapp inte väljs kommer filerna att sparas i roten på USB-minnet. Tryck Select Folder för att bläddra till rätt mapp. Flytta med hjälp av cursorratten och tryck på menyvalet Change Folder för att gå in i en mapp. 6. Tryck på Print -knappen för att spara en skärmbild. Härefter fungerar också Print -knappen oavsett i vilken meny som är aktiv för tillfället. Alternativ 2 Save/Recall 1. Sätt i USB-minnet. 2. Tryck på knappen Save/Recall. 3. Under Action välj Save Image 4. Välj mapp enligt Alternativ 1 (annars sparas bilden till roten på USB-minnet). 5. Välj filformat under File Format. Tillgängliga format är.bmp,.eps,.jpeg,.pcx,.rle och.tif. 6. Tryck på menyvalet Save för att spara skärmbilden till USB-minnet. Biomedicinsk teknik vid LTH 19