Önemli Notlar:
- Osiloskoplar, çoğunlukla zamanlamayla ilgili özellikleri görüntüleyen, öncelikle zaman alanı ölçüm cihazlarıdır.
- Ancak karma alanlı osiloskoplar, frekans alanı ölçümleri için dahili spektrum analizörleri içererek size her iki alanın da en iyisini sunar.
- Modern osiloskoplar, hem cihaz üzerinde hem de uzaktan ölçüm yazılımı aracılığıyla son derece gelişmiş tetikleme ve analiz özelliklerine sahiptir.
Bir multimetreden sonra, osiloskop muhtemelen bir mühendisin çalışma masasındaki en popüler ikinci alettir.
Mühendisler osiloskopları kullanırken nelere dikkat ederler? Bu cihazların kolaylaştırdığı bazı yenilikler nelerdir? Aranması gereken bazı temel özellikler nelerdir? Tüm bunların yanıtlarını ve daha fazlasını aşağıda bulabilirsiniz.
Elektronik ölçümlerde osiloskopların temel işlevi nedir?
Osiloskoplar, mühendislerin bir elektrik sinyalinin genliğini zaman içinde ölçmesini ve görselleştirmesini sağlar. Genellikle zaman-alanlı ölçüm cihazları olarak kabul edilmelerinin nedeni de budur. Bununla birlikte, hem zaman alanı (zamana karşı genlik) hem de frekans alanı (frekansa karşı güç) ölçümleri sağlayan karma alanlı osiloskoplar da vardır.
Dalga formlarının hassas bir şekilde karakterize edilmesi, en son araştırma, prototip oluşturma, tasarım, kalite güvencesi, uyumluluk, bakım ve kalibrasyon dahil olmak üzere elektronik ürün yaşam döngüsünün her aşamasında kritik bir teşhis aracıdır.
Yenilikleri ve ürünleri kolaylaştırmak için çeşitli sektörlerde osiloskoplarla test edilen sinyal türlerine bakalım.
Osiloskoplar kullanılarak hangi sinyal özellikleri doğrulanır?
Deneyimli elektronik mühendisleri osiloskopları kullanarak sorunları giderirken, sinyalin türüne ve uygulamaya bağlı olarak çeşitli ideal özelliklerin yanı sıra sorunlu olgulara ilişkin kanıt ararlar. İnceledikleri yaygın özelliklerden ve olaylardan bazıları aşağıda listelenmiştir:
Sinyal şekli: Spesifikasyon kare, testere dişi veya sinüs dalgası gerektiriyorsa dalga biçimi beklenen şekle uymalıdır. Herhangi bir sapma bir soruna işaret edebilir.
Genlik: Sinyal seviyeleri aşırı dalgalanmalar olmadan beklenen volt aralığında kalmalıdır.
Frekans veya periyot: Sinyalin frekansı veya periyodu her zaman belirtilen sınırlar içinde kalmalıdır. Beklenen frekanstan sapmalar iletişim ve kontrol sistemlerinde senkronizasyon sorunlarına yol açabilir.
Yükselme ve düşme süreleri: Dijital sinyallerde, güvenilir çalışma için keskin ve tutarlı yükselme ve düşme süreleri gereklidir. Yükselme süresi gerekenden yavaşsa, dijital devrelerde veri bozulması, zamanlama hataları ve düşük performans gibi sorunlara yol açabilir. Aşırı hızlıysa, elektromanyetik parazitin yanı sıra çınlama ve çapraz konuşma gibi sinyal bütünlüğü sorunlarının artmasına neden olabilir.
Jitter: Jitter, önemli geçişler sırasında bir sinyal karakteristiğindeki değişimdir. Periyot titreşimi, ayrı saat periyotlarının süresindeki değişimdir. Döngüden döngüye titreşim, ardışık saat döngüleri arasındaki süre değişimidir. Faz titremesi, bir referans saate göre sinyalin fazındaki değişimdir. Zamanlama titremesi, sinyal kenarlarının zamanlamasındaki değişimdir. Düşük titreşim, kararlı sinyal zamanlamasını gösterir. Aşırı titreşim yüksek hızlı dijital iletişimde hatalara neden olabilir.
Faz tutarlılığı: Birden fazla sinyal içeren sistemlerde, düzgün senkronizasyon için sinyaller arasındaki faz tutarlılığı kritik önem taşır.
Görev döngüsü: Darbe genişliği modülasyon sinyalleri ve saat sinyalleri için görev döngüsü belirtildiği gibi olmalıdır.
Gürültü: Gürültü, bir sinyalin genliğini, fazını, frekansını veya diğer özelliklerini etkileyen herhangi bir istenmeyen bozukluktur. Parazitlenmeyi ve sinyalin bozulmasını önlemek için minimum düzeyde ve kabul edilebilir sınırlar içinde olmalıdır. Çok fazla gürültü, zayıf sinyal bütünlüğü, olası ekranlama sorunları veya yetersiz güç kaynağından kaynaklanan gürültüyü gösterir. Faz gürültüsü iletişim ve saat sinyallerinin senkronizasyonunu etkileyebilir.
Harmonikler ve distorsiyon: Analog sinyaller için düşük harmonik bozulma, sinyal doğruluğunu sağlar.
Çınlama: Çınlama, genellikle dijital devrelerde görülen ve hatalara ve sinyal bütünlüğü sorunlarına yol açabilen bir sinyal geçişinden sonraki salınımları ifade eder.
Çapraz karışma: Bitişik sinyal hatlarından gelen istenmeyen bağlantı, osiloskop izinde beklenmedik dalga biçimleri olarak görünebilir.
Sürüklenme: Zaman içinde sinyal genliğinde veya frekansında meydana gelen değişiklikler, güç kaynağındaki veya diğer bileşenlerdeki kararsızlığın göstergeleridir.
Toprak sıçraması: Genellikle gürültülü bir taban çizgisi olarak görülebilen toprak potansiyelindeki değişkenlik, hızlı geçiş yapan dijital devrelerde kritik olabilir.
Kırpma: Giriş sinyali genliği osiloskopun giriş aralığını aşarsa, görüntülenen dalga biçimi kırpılır ve sinyal zayıflatmaya veya kapsam üzerinde daha uygun bir giriş ayarına ihtiyaç olduğunu gösterir.
Doğru akım (DC) offset: Beklenmeyen DC offset, dalga formu oluşturma veya bağlama yöntemleriyle ilgili sorunları gösterebilir.
Örtüşme: Osiloskop örnekleme hızı sinyal frekansı için çok düşükse ve bu da sinyalin yanlış temsil edilmesine yol açıyorsa örtüşme meydana gelir.
Osiloskop kullanılarak ne tür dalga formları ve sinyaller analiz edilebilir?
Osiloskoplar, aşağıda açıklandığı gibi birçok sektörde çeşitli analog sinyalleri ve dijital sinyalleri doğrulamak için kullanılır.
5G ve 6G Telekom
Şekil 1. Bir Keysight Infiniium UXR serisi gerçek zamanlı osiloskop
Telekom sistemlerinde ve cihazlarında kullanılan radyo frekansı (RF) sinyalleri, optimum performansın yanı sıra mevzuata uygunluk için spesifikasyonlara sıkı sıkıya bağlı olmalıdır.
Bu alanda osiloskop kullanımının bazı örnekleri şunlardır:
- Faz dizili anten alıcı-vericileri ve 110 gigahertz (GHz) kadar yüksek frekansları ve 5 GHz'e kadar bant genişliklerini ölçebilen mmWave geniş bant analizi dahil olmak üzere 5G ve 6G sistemlerini karakterize etmek için InfiniiumUXR-B serisi gerçek zamanlı osiloskoplar (RTO'lar)
- 5G Yeni Radyo uygulamaları için 41 GHz güç yükseltici çiplerin geliştirilmesi ve doğrulanması
- 70 GHz UXR0704B Infiniium UXR-Serisi RTO kullanarak 6G 100 gigabit/saniye (Gbps) 300GHz (alt-terahertz) kablosuz veri bağlantısını nitelem
-
Fotonik ve Fiber Optik
Osiloskoplar, yüksek hızlı veri merkezi ağlarında kullanılan optik ve elektrikli alıcı-vericilerin işlevsel ve uyumluluk testleri için yaygın olarak kullanılmaktadır.
Kullanım alanlarından bazıları aşağıda listelenmiştir:
- Osiloskoplar, optik-elektrik adaptörleri yardımıyla 400G yüksek hızlı optik ağların faz genlik modülasyonu (PAM4) gibi özelliklerini doğrular.
- Osiloskoplar, 400G/800G elektrikli veri merkezi alıcı-vericilerinin Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü (IEEE) 802.3CK ve Optik İnternetworking Forumu'nun (OIF) OIF-CEI-5.0 spesifikasyonlarına uygunluğunu test eder.
- UXR-B gibi gerçek zamanlı osiloskoplar, yüksek hızlı optik ağ bağlantılarının ileri hata düzeltme performansını değerlendirmek için kullanılır.
Tüketici Elektroniğinin Dijital Arayüzleri
Osiloskoplar ve keyfi dalga formu jeneratörleri, aşağıdaki gibi yüksek hızlı dijital arayüzlerin hata ayıklama ve otomatik testleri için birlikte kullanılır:
- Wi-Fi 7 ağ standardı
- evrensel seri veri yolu (USB)
- mobil endüstri işlemci arayüzü (MIPI) standartları
- peripheral component interconnect express (PCIe) veri yolları
- yüksek çözünürlüklü multimedya arayüzü (HDMI)
Ayrıca, tümleşik devre (I2C), seri çevresel arabirim (SPI) ve daha fazlası gibi genel amaçlı dijital arabirimleri test etmek için de kullanılmaktadırlar.
Otomotiv Radarları ve Araç İçi Ağlar
Şekil 2. Otomotiv ve diğer dijital sinyaller için entegre protokol kod çözücüler
Osiloskoplar, otomotiv mmWave radar çiplerini doğrulamak için kullanılır. Ayrıca, osiloskoplar otomotiv araç içi ağ sinyallerini doğrulamak için yaygın olarak kullanılmaktadır:
- otomotiv Ethernet
- denetleyici alan ağı (CAN)
- FlexRay
- yerel ara bağlantı ağı (LIN)
Havacılık ve savunma
Uzay ve savunma amaçlı radarlar, UXR serisi osiloskoplar gibi cihazlar kullanılarak doğrulanır.
Ayrıca veri iletişiminin MIL-STD 1553 ve ARINC 429 gibi standartlara uygunluğunu sağlamak için de kullanılırlar.
Uzay
Osiloskoplar, uydulara 2,65 Gbps yüksek hızlı veri bağlantıları geliştirmek için kullanılıyor.
Bir osiloskop elektrik sinyallerini görsel olarak nasıl temsil eder?
Şekil 3. Bir osiloskopun şeması
Bir osiloskobun ekran paneli iki boyutlu yeniden boyutlandırılabilir bir dijital ızgaradan oluşur. Yatay X ekseni sinyal için zaman tabanını temsil ederken, dikey Y ekseni volt cinsinden sinyal genliğini temsil eder.
Bir eksenin her bir segmentine bölüm (veya div) denir. Osiloskop üzerindeki kontrol düğmeleri, kullanıcının her bir div'in temsil ettiği volt veya zaman büyüklüğünü değiştirmesine olanak tanır.
Şekil 4. Bir sinyalin osiloskop üzerinde görüntülenmesi
X ekseninde bu büyüklüğü artırmak, bölüm başına daha fazla saniye veya milisaniye anlamına gelir. Böylece sinyali daha uzun süre görüntüleyebilir, etkili bir şekilde uzaklaştırabilirsiniz. Benzer şekilde, X eksenindeki büyüklüğü azaltarak, daha ince ayrıntıları görmek için sinyali yakınlaştırabilirsiniz. Maksimum yakınlaştırma osiloskobun örnekleme hızına bağlıdır. Modern osiloskoplarda saniyede birkaç giga örnekleme hızına sahip oldukları için genellikle nanosaniye seviyelerine yakınlaştırmak mümkündür.
Benzer şekilde, genlikteki değişikliklerin daha ince ayrıntılarını incelemek için Y eksenini yakınlaştırabilir veya uzaklaştırabilirsiniz.
Farklı osiloskop türleri nelerdir?
Şekil 5. Eşdeğer zaman örneklemeli osiloskop kullanarak dalga biçimi elde etme
Yaygın osiloskop türlerinden bazıları şunlardır:
Dijital depolama osiloskopları (DSO'lar): Analog sinyallerin dijital gösterimlerini yakalayıp depolayarak ayrıntılı analiz ve işlem sonrası süreçlere olanak sağlarlar. Aşağıdaki alt tipler de dahil olmak üzere tüm modern skoplar DSO'dur. Bu terim, onları katot ışınlı tüpten (CRT) fosfor kaplı bir ekrana elektron ışını göndererek dalga formlarını gösteren eski analog skoplardan ayırır.
Karışık sinyalli osiloskoplar (MSO'lar): Hem analog hem de dijital kanalları entegre ederek analog sinyallerin ve dijital mantık durumlarının aynı anda gözlemlenmesini sağlarlar. Güç yönetimi yongalarının izlenmesi gibi kullanım durumları için kullanışlıdırlar.
Karışık alanlı osiloskoplar (MDO'lar): Normal zaman alanı osiloskop fonksiyonlarını dahili bir spektrum analizörü ile birleştirerek zaman alanı ve frekans alanı sinyallerinin zamanla ilişkili olarak görüntülenmesini sağlarlar.
Gerçek zamanlı osiloskoplar: Bir dalga biçimini gerçek zamanlı olarak yakalayıp işlerler, bu da onları tekrarlamayan ve geçici sinyal analizi için uygun hale getirir.
Eşdeğer zamanlı osiloskoplar: Eşdeğer zamanlı veya örneklemeli osiloskoplar, yüksek frekanslı veya hızlı tekrarlayan sinyalleri eşdeğer zaman örneklemesi kullanarak yeniden yapılandırarak yakalamak için tasarlanmıştır. Tekrarlayan bir giriş sinyalini her tekrarlama sırasında zamanın biraz farklı bir noktasında örneklerler. Bu örnekleri bir araya getirerek, çok yüksek frekanslı olsa bile dalga biçiminin doğru bir temsilini yeniden oluşturabilirler.
Bir osiloskopun diğer test ve ölçüm ekipmanlarından farkı nedir?
Osiloskoplar genellikle spektrum analizörleri ve mantık analizörleri gibi diğer cihazları tamamlar. Osiloskoplar ve spektrum analizörleri arasındaki bazı temel farklar şunlardır:
- Amaç: Osiloskoplar, bir sinyalin genliğini ölçerek zaman içinde nasıl değiştiğini gösterir. Spektrum analizörleri, her frekanstaki gücü ölçerek bir sinyalin enerjisinin farklı frekanslara nasıl yayıldığını gösterir.
- Görüntülenen bilgiler: Osiloskoplar yükselme ve düşme süreleri, faz kaymaları ve titreşim gibi zamanla ilgili bilgileri gösterir. Spektrum analizörleri sinyal bant genişliği, taşıyıcı frekansı ve harmonikler gibi frekansla ilgili bilgileri gösterir.
- Kullanım Alanları: Osiloskoplar, sinyalleri gerçek zamanlı ve gerçeğe yakın zamanda görselleştirmek için yaygın olarak kullanılır. Spektrum analizörleri, radyo frekansı iletişimi ve elektromanyetik girişim testi gibi frekans analizinin kritik olduğu durumlarda kullanışlıdır.
Karma alanlı osiloskop, osiloskop ve spektrum analizörü özelliklerini, iki alan arasında dönüşüm yapmak için hızlı Fourier dönüşümleri (FFT) gibi özelliklerle tek bir cihazda birleştirir.
Bir diğer tamamlayıcı cihaz ise mantık analizörüdür. Hem karışık sinyal osiloskopları hem de mantık analizörleri dijital sinyalleri ölçebilir. Ancak bazı önemli yönlerden farklılık gösterirler:
- Analog ve dijital sinyaller: Bir MSO hem analog hem de dijital sinyalleri ölçebilir. Ancak mantık analizörleri yalnızca dijital sinyalleri ölçer.
- Kanal sayısı: Çoğu osiloskop iki ila dört kanalı destekler ve birkaçı sekiz civarında en üst seviyeye çıkar. Buna karşın, mantık analizörleri düzinelerce ila yüzlerce dijital sinyali destekleyebilir.
- Analiz yetenekleri: Osiloskoplar karmaşık analog sinyalleri yakalamak için sofistike tetikleme seçenekleri sunar. Ancak mantık analizörleri yalnızca dijital sinyallere odaklandıkları için bunu nispeten basit tutabilirler.
Belirli bir uygulama için osiloskop seçerken dikkate alınması gereken temel özellikler nelerdir?
Şekil 6. Bir Keysight UXR-B serisi kapsam
Bir osiloskop seçerken dikkate alınması gereken en önemli özellikler ve özellikler şunlardır:
Bant Genişliği: Analog sinyaller için önerilen bant genişliği en yüksek sinüs dalgası frekansının üç katı veya daha fazlasıdır. Dijital sinyaller için ideal bant genişliği, hertz (Hz), megahertz (MHz) veya GHz cinsinden ölçülen en yüksek dijital saat hızının beş katı veya daha fazlasıdır.
Örnekleme hızı: Bu, osiloskobun sinyali her saniye kaç kez ölçtüğüdür. UXR serisi gibi son teknoloji osiloskoplar saniyede 256 giga örneğe (milyar örnek) kadar destek verir, bu da her dört femtosaniyede bir ölçüm yapıldığı anlamına gelir. Örnekleme hızı, ekranda gördüğünüz sinyali önemli ölçüde etkiler. Yanlış bir örnekleme hızı, bir sinyalin yanlış veya bozuk bir şekilde gösterilmesine neden olabilir. Düşük bir örnekleme hızı, toplanan örnekler arasında oluşabilecek hataların tespit edilememesine neden olabilir. Örnekleme hızı, örtüşmeyi önlemek için sinyalin en yüksek frekansının en az iki katı olmalıdır, ancak sinyal ayrıntılarını tam olarak yakalamak için genellikle bant genişliğinin 4-5 katı bir örnekleme hızı önerilir.
Dalga biçimi güncelleme hızı: Daha yüksek bir dalga formu hızı, iki alım arasındaki kör süre boyunca meydana gelen olası hataları ve diğer seyrek olayları tespit etme şansını artırır.
Kanal sayısı: Çoğu kullanım durumu, birden fazla analog ve dijital sinyal içeren karışık sinyal ortamlarıdır. Birden fazla dalga formunda zamanla ilişkili kritik ölçümler için yeterli kanala sahip bir osiloskop seçin.
Etkin bit sayısı (ENOB): ENOB, doğru ölçümler için gerçekten kaç bitin yararlı olduğunu belirtir. Gürültü ve hatalardan etkilenen bazı bitleri içerebilen toplam analog-dijital dönüştürücü (ADC) bitlerinin aksine, ENOB osiloskopun ölçümlerinin gerçekçi performansını ve kalitesini yansıtır.
Sinyal-gürültü oranı (SNR): Bu, bir ölçümdeki gerçek sinyal bilgisinin gürültüye oranıdır. Daha yüksek doğruluk için düşük SNR önerilir.
Zaman tabanı doğruluğu: Bu size milyarda parça olarak zamanlama doğruluğunu söyler.
Bellek derinliği: Bu, kapsamın bellekte saklayabileceği veri noktası sayısı olarak belirtilir. Maksimum örnekleme hızında ölçüm yaparken yakalanabilecek en uzun dalga biçimlerini belirler.
Osiloskop geliştirmede hangi trendler ortaya çıkıyor?
Osiloskoplarda ve yerleşik yazılımlarda ortaya çıkan bazı trendler sinyal analizi, otomatik uyumluluk testi ve protokol kod çözme yetenekleri alanlarındadır:
Sinyal analizindeki gelişmeler şunları içerir:
- yüksek hızlı dijital uygulamalar için derin sinyal bütünlüğü analizi
- sayisal arayüzlerdeki̇ jitter ve gürültünün geri̇li̇m ve zaman alanlarinda i̇leri̇ i̇stati̇sti̇ksel anali̇zi̇
- yüksek hızlı PAM veri sinyallerinin analizi
- alternatif veya dijital sinyallerin ve DC beslemelerin birbirleri üzerindeki etkilerini anlamak için güç bütünlüğü analizi daha yüksek doğruluk için ölçümlerden etkilerini kaldırmak için kabloların, probların, fikstürlerin ve S-parametrelerinin gömülmesinin kaldırılması
Otomatik uyumluluk testi yazılımı, yüksek hızlı dijital alıcı-vericileri USB4, MIPI, HDMI, PCIe 7.0 ve daha fazlası gibi en yeni dijital arayüz standartlarına uygunluk açısından otomatik olarak kontrol edebilir.
Kapsamlı protokol kod çözme özellikleri, mühendislerin MIPI, USB, otomotiv protokolleri ve daha fazlasının dijital verilerini gerçek zamanlı olarak anlamalarını sağlar.
Keysight osiloskoplarının güvencesiyle ölçüm yapın.
Şekil 7. Keysight Infiniium ve InfiniiVision osiloskopları
Bu blog, osiloskopların birkaç üst düzey yönünü tanıttı. Keysight, laboratuvar kullanımı için gerçek zamanlı ve eşdeğer zamanlı skoplar ve saha kullanımı için el tipi taşınabilir osiloskoplar dahil olmak üzere çok çeşitli son teknoloji ürünü, güvenilir ve kanıtlanmış osiloskoplar sunar.
Test ve ölçümleriniz için en iyi osiloskopu seçme konusunda uzman rehberliği için bizimle iletişime geçin.
