Digitale data-acquisitie

Alle digitale oscilloscoops meten door de ingangssignalen te bemonsteren en de waarden te digitaliseren.

Samplen

Wanneer een oscilloscoop een ingangssignaal bemonstert, worden samples (monsters) op vaste intervallen genomen. De grootte van het ingangssignaal op deze intervallen wordt omgezet naar een getal. De nauwkeurigheid van dit getal hangt af van de resolutie van de oscilloscoop. Hoe hoger de resolutie, hoe kleiner de spanningsstappen zijn waarin het ingangsbereik van het instrument wordt verdeeld. Alle verkregen getallen kunnen op diverse manieren gebruikt worden, bijvoorbeeld om een grafiek te maken.

Sampling

De sinus in de bovenstaande afbeelding is bemonsterd op de posities van de punten. Door de naast elkaar liggende samples met elkaar te "verbinden", kan het oorspronkelijke signaal uit de samples gereconstrueerd worden. Het resultaat staat in de onderstaande afbeelding.

Samples verbinden

Samplefrequentie

De frequentie waarmee in een oscilloscoop de samples genomen worden, wordt de samplefrequentie genoemd, het aantal samples per seconde. Een hogere samplefrequentie resulteert in een korter interval tussen de samples. Zoals in onderstaande afbeelding is te zien, kan met een hogere samplefrequentie een signaal beter gereconstrueerd worden uit de genomen samples.

Effect van samplefrequentie

De samplefrequentie moet hoger zijn dan 2 maal de hoogst voorkomende frequentie in het ingangssignaal. Dit wordt de Nyquist-frequentie genoemd. Theoretisch is het mogelijk een signaal te reconstrueren met meer dan twee samples per periode. In de praktijk worden minimaal 10 tot 20 samples per periode aanbevolen om een signaal nauwkeurig te kunnen onderzoeken in een oscilloscoop. Wanneer de samplefrequentie niet hoog genoeg is, kan aliasing optreden.

Veranderen van de samplefrequentie van een instrument in de Multi Channel oscilloscoop-software kan op diverse manieren worden gedaan:

  • Klikken op de samplefrequentie-indicator Samplefrequentie op de instrumentbalk en dan de gewenste waarde uit het menu kiezen.
  • Met de verlaag/verhoog samplefrequentie-knoppen Verlaag samplefrequentie en Verhoog samplefrequentie op de instrumentbalk.
  • Met sneltoetsen F3 (langzamer) en F4 (sneller).
  • Klikken op de samplefrequentie-indicator van de gecombineerde Recordlengte + Samplefrequentie + Resolutie-indicator RecLen-SamplFreq-Resolution op de instrumentbalk en dan de gewenste waarde uit het menu kiezen.
  • Door met rechts te klikken op de horizontale scrollbar onder de grafiek die de signalen van het instrument weergeeft, Sample-frequentie selecteren en dan het gewenste waarde kiezen in het popupmenu.
  • Rechts-klikken op het instrument in het Objectscherm, Sample-frequentie selecteren en dan de gewenste waarde kiezen in het popupmenu.
Information: Afhankelijk van de instrumentinstellingen kan het instrument bepaalde beperkingen hebben wat betreft beschikbare samplefrequenties. Wanneer een zelf in te stellen waarde wordt gevraagd die niet beschikbaar is, kiest de software de dichtstbijzijnde beschikbare waarde.

Aliasing

Wanneer een analoog signaal gesampled wordt met een bepaalde samplefrequentie, verschijnen aan de uitgang signalen met frequenties gelijk aan de som en het verschil van de signaalfrequentie en veelvouden van de samplefrequentie. Als bijvoorbeeld een 1250 Hz signaal gesampled wordt met een samplefrequentie van 1000 Hz, zijn in ieder geval de volgende frequenties aanwezig in de uitvoer:

Veelvouden van samplefrequentie 1250 Hz signaal -1250 Hz signaal
...
-1000 -1000 + 1250 = 250 -1000 - 1250 = -2250
0 0 + 1250 = 1250 0 - 1250 = -1250
1000 1000 + 1250 = 2250 1000 - 1250 = -250
2000 2000 + 1250 = 3250 2000 - 1250 = 750
...

Zoals eerder gezegd, wanneer een signaal gesampled wordt, kunnen alleen signalen met een frequentie lager dan de helft van de samplefrequentie gereconstrueerd worden. In het genoemde voorbeeld is de samplefrequentie 1000 Hz, dus alleen signalen met een frequentie van 0 Hz tot 500 Hz kunnen getoond worden. Van alle in de tabel getoonde signalen blijft dan alleen het 250 Hz signaal over. We noemen dit een schijnbaar (=alias) signaal.

Wanneer de samplefrequentie lager is dan twee maal de frequentie van het te meten signaal, treedt aliasing op. De volgende illustratie toont hoe aliasing ontstaat.

Aliasing

Het groene ingangssignaal is een driehoekig signaal met een frequentie van 1250 Hz. Het signaal wordt bemonsterd met een frequentie van 1000 Hz. De sample-momenten worden aangegeven met blauwe punten in de afbeelding.

Het rode gestippelde signaal is het resultaat van de reconstructie. De periodetijd van dit signaal lijkt 4 ms te zijn, wat overeenkomt met een schijnbare frequentie (=alias) van 250 Hz (1250 Hz - 1000 Hz).

Om in de praktijk aliasing te voorkomen, is het beter te beginnen met meten op de hoogst beschikbare samplefrequentie. Daarna kan, indien nodig, de samplefrequentie verlaagd worden tot de meest bruikbare waarde. Gebruik de functietoetsen F3 (lager) en F4 (hoger) om de samplefrequentie op een snelle en eenvoudige manier aan te passen. De volgende afbeelding laat zien hoe aliasing er uit kan zien.

Aliasing voorbeeld

In deze afbeelding is een sinusvormig signaal met een frequentie van 257 kHz gesampled met een frequentie van 50 kHz. De minimale samplefrequentie voor een correcte reconstructie is 514 kHz. Voor een goede analyse zou de samplefrequentie ongeveer 5 MHz moeten zijn.

Recordlengte

Bij een gegeven samplefrequentie bepaalt het aantal gemeten samples de duur van de meting. Dit aantal samples wordt de recordlengte genoemd. Vergroten van de recordlengte zal de totale meetduur verlengen. Als gevolg daarvan is meer te zien van het gemeten signaal. In de onderstaande afbeelding zijn drie metingen afgebeeld, met een recordlengte van 12 samples, 24 samples en 36 samples.

Recordlengte 12 samples
Recordlengte 24 samples
Recordlengte 36 samples

De totale duur van de meting kan eenvoudig berekend worden uit de recordlengte en de samplefrequentie:

Veranderen van de recordlengte van een instrument in de Multi Channel oscilloscoop-software kan op diverse manieren gedaan worden:

  • Klikken op de Recordlengte-indicator Record length op de instrumentbalk en dan de gewenste waarde uit het menu kiezen.
  • Met de Verlaag/Verhoog recordlengte-knoppen Decrease record length en Increase record length op de instrumentbalk.
  • Met sneltoetsen F11 (korter) en F12 (langer).
  • Klikken op de Recordlengte-indicator van de gecombineerde Recordlengte + Samplefrequentie + Resolutie-indicator RecLen-SamplFreq-Resolution op de instrumentbalk en dan de gewenste waarde uit het menu kiezen.
  • Door met rechts te klikken op de horizontale scrollbar onder de grafiek die de signalen van het instrument weergeeft, Recordlengte selecteren en dan het gewenste waarde kiezen in het popupmenu.
  • Rechts-klikken op het instrument in het Objectscherm, Recordlengte selecteren en dan de gewenste waarde kiezen in het popupmenu.
Information: Afhankelijk van de instrumentinstellingen kan het instrument bepaalde beperkingen hebben wat betreft beschikbare recordlengtes. Wanneer een zelf in te stellen waarde wordt gevraagd die niet beschikbaar is, kiest de software de dichtstbijzijnde beschikbare waarde.

Tijdbasis

De combinatie van samplefrequentie en recordlengte vormt de tijdbasis van een oscilloscoop. Om de tijdbasis juist in te stellen, moeten de totale meetduur en de gewenste tijdresolutie in ogenschouw genomen moeten worden.

Er zijn diverse manieren om tot de juiste tijdbasisinstelling te komen. Bij een gewenste meetduur en samplefrequentie, kan eenvoudig het benodigde aantal samples bepaald worden:

Bij een bekende recordlengte en gewenste meetduur, kan de vereiste samplefrequentie berekend worden met:

In de TiePie engineering Multi Channel oscilloscoop-software kunnen zowel recordlengte en samplefrequentie vrij en onafhankelijk van elkaar ingesteld worden. Dit geeft een grote vrijheid in mogelijkheden. Beide kunnen ingesteld worden via menu's, knoppen op de Instrumentbalk en ook sneltoetsen zijn beschikbaar, raadpleeg voor meer informatie:

De Multi Channel oscilloscoop-software biedt ook de mogelijkheid zowel samplefrequentie als recordlengte gelijktijdig in te stellen op specifieke combinaties om bepaalde tijd/divisie-waarden te krijgen:

  • Klikken op de verlaag/verhoog tijd/div-knoppen Verlaag tijd/div en Verhoog tijd/div op de instrumentbalk.
  • Klikken op de Tijd/div-indicator Tijd per div op de instrumentbalk en de gewenste tijd/div-waarde selecteren uit het popupmenu.
  • Met sneltoetsen Ctrl + F11 (lager) en Ctrl + F12 (hoger)

Resolutie

Wanneer de gemeten samples gedigitaliseerd worden, wordt de spanningswaarde van ieder sample omgezet naar een getal. Dit wordt gedaan door de spanningswaarde met een aantal verschillende niveaus te vergelijken. Het resulterende getal is het nummer van het hoogste niveau dat nog lager is dan de spanningswaarde. Het aantal beschikbare niveaus wordt bepaald door de resolutie. Hoe hoger de resolutie, hoe meer verschillende niveaus beschikbaar zijn en hoe nauwkeuriger de spanningswaarde omgezet kan worden. In de onderstaande afbeelding wordt steeds hetzelfde signaal gedigitaliseerd, met drie keer een ander aantal niveaus: 16, 32 en 64.

Resolutie 4 bits
Resolutie 5 bits
Resolutie 6 bits

Het aantal beschikbare niveaus wordt bepaald door de resolutie:

De gebruikte resoluties in de bovenstaande afbeelding zijn respectievelijk 4 bits, 5 bits en 6 bits.

De kleinste te meten spanning hangt af van het ingestelde ingangsbereik en de resolutie. Deze spanning kan als volgt berekend worden:

In het 200 mV bereik, loopt de volledige schaal van -200 mV tot +200 mV, het volledige bereik is dan 400 mV. Wanneer 12 bit resolutie wordt gebruikt, zijn er 212 = 4096 niveaus beschikbaar. Dit resulteert in een kleinst waarneembare spanning van 0.400 V / 4096 = 97.7 µV. Bij 16 bit resolutie is deze waarde 0.400 V / 65536 = 6.1 µV.

Veranderen van de resolutie van een instrument in de Multi Channel oscilloscoop-software kan op diverse manieren gedaan worden:

  • Rechts-klikken op het instrument in het Objectscherm, Resolutie selecteren en dan de gewenste waarde kiezen in het popupmenu.
  • Met de verlaag/verhoog resolutie-knoppen Verlaag resolutie en Verhoog resolutie op de instrumentbalk.
  • Klikken op de Resolutie-indicator Resolutie op de instrumentbalk en dan de gewenste waarde uit het menu kiezen.