Microsoft PowerPoint - C7_rev2009.pptx

Transcription

1 計測の基礎セミナ オシロスコープ編

2 Agilent Technologies オシロスコープの基礎 オシロスコープの基礎 セミナ内容 1. デジタル オシロスコープの選定について 2. プローブによる接続について 3. デジタル オシロスコープでの測定について デジタルオシロスコープを有効に使っていただくために

3 デジタル オシロスコープ何を見て選びますか? 製品 帯域幅 最大メモリ長最大サンプ ル速度 DSO1002A 60MHz 20k 1GSa/s 2ch InfiniiVision DSO5034A 300MHz 8M 2GSa/s 4ch InfiniiVision DSO5054A 500MHz 8M 4GSa/s 4ch InfiniiVision MSO6014A 100MHz 8M 2GSa/s 4ch+16 InfiniiVision DSO7034A 350MHz 8M 2GSa/s 4ch InfiniiVision MSO7034A 350MHz 8M 2GSa/s 4ch+16 InfiniiVision DSO7054A 500MHz 8M 4GSa/s 4ch InfiniiVision MSO7054A 500MHz 8M 4GSa/s 4ch+16 InfiniiVision DSO7104A 1GHz 8M 4GSa/s 4ch InfiniiVision MSO7104A 1GHz 8M 4GSa/s 4ch+16 Infiniium MSO9404A 1GHz 1G 20GSa/s4ch+16 Infiniium DSO/DSA91204A 13GHz 1G 40GSa/s4ch ch 数 セミナ内容 1. デジタル オシロスコープの選定について (1) デジタル オシロスコープの特徴 (2) 周波数帯域 (3) サンプリング (4) メモリ (5)ch 数 デジタル オシロスコープ選定の注意点

4 セミナ内容 1. デジタル オシロスコープの選定について (1) デジタル オシロスコープの特徴 ( 測定原理について ) (2) 周波数帯域 (3) サンプリング (4) メモリ (5)ch 数 デジタル オシロスコープ選定の注意点 デジタル オシロスコープの測定原理 デジタル オシロスコープの外観 回路構成 A/D コンバータの概念

5 デジタルオシロスコープの外観 デジタル オシロスコープの回路構成 垂直軸回路部 ディジタイザ部 クロック部 コントロール部 GPIB など

6 A/D コンバータとは? サンプリング 量子化 A/D コンバータとは? 量子化誤差 ( 量子化基準レベル )

7 A/D コンバータとは? V メモリ 時間分解能 オシロスコープの基礎 1. デジタル オシロスコープの選定について (1) デジタル オシロスコープの特徴 ( 測定原理について ) (2) 周波数帯域 (3) サンプリング ~どのくらいの帯域が必要か?~ (4) メモリ (5)ch 数 デジタル オシロスコープ選定の注意点

8 オシロスコープの周波数帯域 オシロスコープの周波数帯域は システムの応答が 1/ 2(-3dB) になる周波数 一般的なオシロスコープの周波数特性 パルス信号測定時に必要となる帯域は? パルス信号の周波数成分をカバーする帯域が必要 Y = A + sin x + 1/3 sin 3x + 1/5 sin 5x + x = 2πt/T 近似式は基本波と奇数次高調波に 時間軸波形 時間 スペクトラム 周波数

9 50MHz のパルス信号がどのように見えるか? 60MHz Scope 100MHz Scope 350MHz Scope 500MHz Scope 周波数帯域が測定信号に与える影響 与える影響立ち上がり時間をなまらせる振幅レベルを減衰させる t r t r 理由アッテネータやアンプなどの特性他にもプローブによる影響の場合もある

10 周波数帯域はどのくらい必要か? 測定信号の立ち上がり時間が Tr の場合 測定信号の周波数帯域を計算します BWsignal = 0.35 / Tr :BW :BWsignal 測定に必要なオシロスコープの帯域を計算する :BWscope BWscope = 3 x BWsignal ( 立ち上がり時間誤差 5.4% の場合 ) 係数測定誤差 % % 3 5.4% 4 2.0% オシロスコープの基礎 1. デジタル オシロスコープの選定について (1) デジタル オシロスコープの特徴 ( 測定原理について ) (2) 周波数帯域 (3) サンプリング (4) メモリ ~ 目的に応じた方式を選ぶ~ (5)ch 数 デジタル オシロスコープ選定の注意点

11 サンプリング 3 つのサンプリング方式 ランダム サンプリング ( 汎用 ) 繰り返し信号 リアルタイム サンプリング 単発測定 シーケンシャル サンプリング ( 広帯域 ) 繰り返し信号 ランダム サンプリング方式 ( 繰り返し信号用 ) 繰り返し信号のみに使用できます 何周期分かの捕獲信号をもとに 1 つの波形を再現します 測定できる周波数はサンプリング レートには関係しません 1 st Trigger 2 nd Trigger 3 rd Trigger

12 ランダム サンプリング方式の波形構築について Acq #1 Acq #2 Acq #3 Acq #200 ランダム サンプリング方式 ( 繰り返し信号測定 ) 必要周波数帯域の例 立ち上がり時間 Tr = 3ns の場合 信号周波数帯域 = 0.35/Tr = 0.35/3ns = 117MHz オシロスコープ帯域 = 3 x 117MHz = 350MHz ( 立ち上がり時間誤差 5.4% で可の場合 ) ~サンプルレートは考慮する必要はありません ~

13 リアルタイム サンプリング方式 ( 単発測定 ) 単発現象を捕らえる時に使用 ( 繰り返し信号にも可 ) サンプリング クロックに応じて即座に波形データを得る方式 前のトリガで取ったデータは消滅 サンプリング レートによって測定信号の周波数帯域に制限 時間軸の分解能はサンプリング レートの速さに依存 エリアジングに注意 1 回のトリガで 波形をとらえる リアルタイム サンプリング方式 ( 単発測定 ) 必要サンプリング レート計算例 測定信号立ち上がり時間 Tr = 3ns 測定信号周波数帯域 =035/Tr 0.35 = 0.35 / 3ns = 117MHz オシロスコープ周波数帯域 = 3 x 117MHz = 350MHz ( 立ち上がり時間誤差 5.4% で可の場合 ) 必要サンプリング レート = 4 x 350MHz = 1.4Gsa/s サイン補間機能がある場合に 4 倍で考えます サイン補間機能が無い場合は 10 倍で考えます一般的な例です

14 サンプリング レートとオシロスコープの周波数の関係サンプリング レートは周波数帯域の何倍必要か? Front-End Hardware A/D SR = 4*BW Glitch Filtered Before Being Digitized A/D SR > 4*BW サンプリング レートは周波数帯域の何倍必要か? Input Signal: 1ns Pulse With 200ps Rise Time BW=500MHz, SR=2GSa/s BW=2.25GHz, ET Sampling BW=500MHz, SR=5GSa/s

15 シーケンシャル サンプリング方式 広帯域オシロスコープ用 測定できるのは繰り返し信号のみ 1 回のトリガ信号で1 点のみサンプリング 何周期分かの波形データを使用して入力信号を表示 繰り返し信号であれば 広帯域で波形観測可能 ( 数十 GHz 帯域 ) トリガ前の信号は観測できない 1 st Trigger 2 nd Trigger 3 rd Trigger オシロスコープの基礎 1. デジタル オシロスコープの選定について (1) デジタル オシロスコープの特徴 ( 測定原理について ) (2) 周波数帯域 (3) サンプリング (4) メモリ (5)ch 数 ~ 横軸を変えるとサンプリング レートが変わってしまう ~ デジタル オシロスコープ選定の注意点

16 メモリ サンプリング レートがメモリ長で制限を受ける サンプリング レートが同じ場合 横軸が同じ場合 取り込める時間が半分 サンプリング速度が半分 同じメモリ長だと メモリはどのくらい必要か? メモリ長と横軸 ( オシロの時間軸 ) とサンプルレートの関係 メモリ長 = オシロの時間軸 / サンプリング レート 例えば 4ms の間 2Gsa/s(500ps の分解能 ) でデータを取りたい場合 4ms / 500ps = 8 M 8Mのメモリが必要になります

17 メモリはどのくらい必要か? エンジニアの現状 ( お客様の声より ) 複雑な信号に埋もれた詳細を観察する必要がある トリガがうまくかけられないときでも 信号ないの不具合を見つけなければならない シングルショットイベントの詳細を確認する必要がある メモリの必要性 メモリ長と時間軸 サンプリング レートの関係 Max Sample Rate Memory A 2GS/s 8MB B 2GS/s 10KB C 5Gs/s 10KB 本当に使えるサンプルレートは? 本当のサンプルレート Rep Single Rep Single Rep Single 1ns/div 1GS/s 2GS/s 1GS/s 2GS/s 5GS/s 5GS/s 2ns/div 1GS/s 2GS/s 1GS/s 2GS/s 5GS/s 5GS/s 10ns/div 1GS/s 2GS/s 1GS/s 2GS/s 5GS/s 5GS/s 20ns/div 1GS/s 2GS/s 1GS/s 2GS/s 5GS/s 5GS/s 100ns/div 1GS/s 2GS/s 1GS/s 2GS/s 5GS/s 5GS/s 200ns/div 1GS/s 2GS/s 1GS/s 2GS/s 5GS/s 5GS/s 時間軸によりサンプル レートが変わります 1us/div 1GS/s 2GS/s 1GS/s 1GS/s 1GS/s 1GS/s 2us/div 1GS/s 2GS/s 500MS/s 500MS/s 500MS/s 500MS/s 10us/div 1GS/s 2GS/s 100MS/s 100MS/s 100MS/s 100MS/s 20us/div 1GS/s 2GS/s 50MS/s 50MS/s 50MS/s 50MS/s 100us/div 1GS/s 2GS/s 10MS/s 10MS/s 10MS/s 10MS/s 200us/div 1GS/s 2GS/s 5MS/s 5MS/s 5MS/s 5MS/s 500us/div 250MS/s 1GS/s 2MS/s 2MS/s 2MS/s 2MS/s 1ms/div 200MS/s 500MS/s 1MS/s 1MS/s 1MS/s 1MS/s 2ms/div 100MS/s 250MS/s 500KS/s 500KS/s 500KS/s 500KS/s 10ms/div 20MS/s 50MS/s 100KS/s 100KS/s 100KS/s 100KS/s 20ms/div 10MS/s 40MS/s 50KS/s 50KS/s 50KS/s 50KS/s 100ms/div 2MS/s 8MS/s 10KS/s 10KS/s 10KS/s 10KS/s 200ms/div 1MS/s 4MS/s 5KS/s 5KS/s 5KS/s 5KS/s 1s/div 200KS/s 800KS/s 1KS/s 1KS/s 1KS/s 1KS/s

18 メモリ長と時間軸 サンプリング レートの関係 2G 1G Sa ample Rate (Sa/s s) 100M 10M 1M 100K メモリ長と時間軸 サンプリング レートの関係 同じ TV 信号での見え方をメモリ長の異なるオシロで比較してみましょう 同じトリガ点で測定器を止めて比較して見ます 1. 全体像は同じように見えなくも無いですが 2. トリガ点付近を 50usec(50usec) まで拡大すると同期信号の数が TDS では不足しているのが分かります 横軸を広げて測定し直せば 左のオシロも信号の細かい挙動は観測できます 3. また CCD カメラの出力の細かい振幅は完全に違う形として表示されてしまっています メモリ長が少ないオシロスコープを使用した場合 横軸方向を広げた状態では サンプリングレートが遅くなり 波形の細部は再現できません

19 従来のメモリ長への懸念事項 画面更新速度の低下 設定反応速度の低下 Dead-Time の増加これらの結果 観測ポイントを逃してしまう 画面の表示領域 オシロスコープのデッドタイム 画面の表示領域 従来のメモリ長への懸念事項 グリッチ信号での見え方を比較します 1. 4 万回に1 回しか発生しないグリッチを捕まえることは簡単ではありませんが Agilent の MegaZoom 機能を搭載したオシロスコープ (InfiniiVisionシリーズ/Infiniiumシリーズ) では AutoScaleした瞬間からそのグリッチが見えてます 2. パーシスト表示を 無限 s ( 無限残光モード ) としても MegaZoom 非対応のオシロスコープでは なかなかこのグリッチは見えてきません オシロスコープのデッドタイム ( 補足参照 ) に発生した現象は見ることが出来ません 測定器の波形取り込みの瞬間 ( 画面上 ) に異常な現象が発生しない ( 表示されない ) 限り エンジニアは問題に気づくことが出来ません

20 MegaZoom : 究極の波形更新速度を実現した技術どうなってるの? 第 1 世代ロングメモリオシロスコープの構造 A/D ロングアクイジションメモリ Bottleneck オシロ側の CPU オシロディスプレイ 全ての波形がオシロの CPU に転送されていたため ここにボトルネックが生じていました そのため, オシロ全体の反応スピードやスクリーンのアップデート速度が低下し 異常波形や波形の詳細を見落としがちでした MegaZoom - 次世代ロングメモリオシロスコープの構造! A/D MegaZoom 専用 ASIC Optimized Data オシロ側の CPU オシロディスプレイ Instant response Optimum Resolution ロングアクイジションメモリ MegaZoom テクノロジーは掃引速度に合わせてサンプルレートを最適化しそのときのフロントパネルの設定に必要な分のデータのみを転送します そのため MegaZoom は波形更新レートを他社製品より圧倒的に早める事 ( 最大 25 倍 ) とフロントパネルの操作に対する圧倒的なレスポンスの早さを誇ります オシロスコープの基礎 1. デジタル オシロスコープの選定について (1) デジタル オシロスコープの特徴 ( 測定原理について ) (2) 周波数帯域 (3) サンプリング (4) メモリ (5)ch 数 ~ 測定に必要な ch 数は?~ デジタル オシロスコープ選定の注意点

21 Ch 数はいくつ必要か? エンジニアの現状 高速な制御用デジタル信号と比較的遅いアナログの信号の相関を確認する必要がある HW か SW か切り分けのために複数ラインを見る必要がある 現在は 2ch,4ch の他に 2+16ch, 4+16ch の MSO( ミックスド シグナル オシロスコープ ) があります 多 ch で数多くの信号間の相関を観測

22 Ch 数選択時の注意点 ch 数によってサンプルレートが変わる場合 ch 数によってメモリ長が変わる場合 1ch 時最高 4Gsa/s 最長メモリ100k 4ch 時最高 1Gsa/s 最長メモリ25k オシロスコープの基礎 2. プローブによる接続について (1) プローブの種類 (2) プロービングの注意点 ~ プローブも波形に大きな影響を与えます ~

23 オシロスコープの基礎 2. プローブによる接続について (1) プローブの種類 (2) プロービングの注意点 ~ 測定に応じて使い分け ~ 電圧プローブの種類 大きくは 2 つの種類 パッシブ プローブ 分圧プローブ 高圧プローブ 抵抗ディバイダ プローブ アクティブ プローブ FETプローブ 差動プローブ

24 パッシブプローブ 分圧プローブ ( 補正された高抵抗パッシブディバイダ ) の例 プローブチップケーブルオシロスコープの入力 9 M 調整可能な補正キャパシタ 1 M Features: 高い入力抵抗 ダイナミックレンジの高さ (>100V) Applications: 汎用のプロービング 高抵抗ノード (<100k ) Benefits: アクティブプローブに比べて丈夫 低価格 小さなプローブチップ Tradeoffs: 帯域制限 (<600MHz) 容量性負荷の影響 パッシブプローブ 抵抗ディバイダプローブの例 (50 終端された抵抗ディバイダ ) プローブチップ 50 ケーブル オシロスコープ入力 t Input C <.2 pf 50 Features: 容量性負荷が低い 最高の帯域 ( 6GHz) Benefits: 時間測定の確度 アクティブプローブに比べて低価格 Applications: 低いインピーダンスシステム 伝送ラインシステム Tradeoffs: 抵抗性負荷の影響

25 アクティブプローブ プローブチップ Cable FET プローブの例 オシロスコープ入力 R PROBE C PROBE 50 Features: 抵抗性および容量性負荷の最高の組み合わせ 高い帯域 ( 4GHz) Applications: ECL 回路 CMOS 回路 GaAs 伝送ライン Benefit: 高周波信号でもっとも汎用的 Tradeoffs: コスト プローブチップサイズが大きい 入力ダイナミックレンジの制限 オシロスコープの基礎 2. プローブによる接続について (1) プローブの種類 (2) プロービングの注意点 ~ 測定に応じて使い分け ~

26 プローブ選択の基礎 プローブは回路の動作を変える可能性があります ( 測定対象の回路の一部となります ) プローブは測定対象の信号を正確に再現しない場合があります R,C,L の影響 Z( インピーダンス ) の周波数特性 単純化されたプローブの負荷モデル Circuit Under Test Probe Z source L SIGNAL R PROBE C PROBE L GROUND 抵抗性, 容量性および誘導性負荷効果は必ず検討する必要があります

27 プローブインピーダンス対周波数 Z R 1 f RES = 2 LC C L f RES f 抵抗性負荷 (R) による影響 低周波領域で支配的な負荷 振幅の低下 オフセットのシフト

28 容量性 (C) の影響 中間バンドの周波数で支配的な負荷 立ち上がり時間の変化 周波数帯域の低下 誘導性 (L) の影響 高周波で支配的な負荷共振 LC -> リンギング入力インピーダンスの低下 Zsource R probe Cprobe L probe

29 プローブの周波数帯域による影響 System Bandwidth is the combination of システム帯域の計算例 System System Bandwidth scope Bandwidth is the combination of scope and probe is probe bandwidth. the combination of bandwidth. Tr scope 2 プローブ帯域 GHZ オシロ帯域 GHz システム帯域 GHz 1GHz 1GHz 0.707GHz 1GHz 2GHz 0.894GHz 1GHz 3GHz 0.949GHz 1GHz 4GHz 0.970GHz 波形の再現性 ( 高周波 ) アクティブプローブの使用 アクティブプローブの性能はプローブされる地点への接続に影響される

30 波形の再現性 ( 高周波 ) アクティブプローブ ダンピング抵抗による効果 一端がオープンの伝送ラインの入力インピーダンスと応答 波形の再現性 ( 高周波 ) アクティブプローブ 実際の測定例

31 オシロスコープの帯域を最大限に引き出すプローブ 1158A の応答特性 ガウシャンカーブより優れた特性 ガウシャンカーブ オシロスコープの帯域を最大限に引き出すプローブ 1157A probe ( ピンク ) は 1.5 GHz までシステムとしてフラットな特性 1158A probe ( 赤 ) 2.25 GHz までシステムとしてフラットな特性 0dB Infiniium オシロスコープ DSO/MSO9104A (1.0 GHz) DSO/MSO9254A (2.5 GHz) DSO/MSO9404A (4.0 GHz) プローブ 1156A (1.5 GHz) 1157A (2.5 GHz) 1158A (4.0 GHz) システム帯域 1.0 GHz 1.75GHz 2.86GHz -5dB 10 6 Hz 10 9 Hz 1156A probe ( 青 ) 1 GHz までシステムとしてフラットな特性

32 プロービングアクセサリ 各アクセサリの帯域も重要最適化された専用のアクセサリ Socketed accessories allow for use with the wedge adapter. The resistive pin tip and blade ground are high performance. Solderable accessories eliminate connection problems. N2877A デラックス アクセサリ キット デュアル リード 2 脚プローブ ポジショナ N2877A( 約 11.5 万円 ) には 豊富なアクセサリが含まれています 1セット持っていれば かなりエンジニアは重宝するはず 0.5mm 用 ファインピッチ クリップ マイクロSMDチップ PCBアダプタ ソケット

33 その他のアクセサリ 2 アーム ポジショナ これらを併用すれば 片手でプローブを持ちながらもう片方の手でオシロを操作 なんて煩わしさからも解放されます 3 次元ポジショナ まとめ 測定したい信号の再現性を考えてオシロスコープを選定する ( 周波数帯域 メモリ長 ch 数 サンプリング方式 ) プローブも信号の再現性に関係している ( システム帯域 回路への負荷 ) トリガ 表示 各種設定などの理解が波形観測を更に深めます

34 アジレント テクノロジー株式会社本社 東京都八王子市高倉町 9-1 計測お客様窓口 受付時間 9:00-18:00( 土 日 祭日を除く ) TEL ( ) FAX ( ) contact_japan@agilent.com 電子計測ホームページ 記載事項は変更になる場合があります ご発注の際にご確認ください Agilent Technologies. Inc Published in Japan, September 01, JA A