Oszilloskope. Grundlagen und Anwendungsgebiete. Measurement Day Referent: Andreas Stelling / datatec Ihr Spezialist für Mess- und Prüfgeräte

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1 Oszilloskope Grundlagen und Anwendungsgebiete Measurement Day 2012 Referent: Andreas Stelling / datatec Ihr Spezialist für Mess- und Prüfgeräte

2 ZAHLEN. DATEN. FAKTEN. Zahlen. Daten. Fakten. Gründungsjahr: 1985 Stammsitz: Reutlingen (Baden-Württemberg) Mitarbeiter: 100 (davon ca. 20 im Außendienst) Markstellung: Größter deutscher Fachdistributor Einzelfirmen: datatec datatec ATP datatec Akademie Kunden (bundesweit): Industrieunternehmen, Handwerksbetriebe, Behörden, Bildungs- und Forschungseinrichtungen Umsatz 2011/2012: 38 Mio. EUR Zertifizierungen: Qualitätsmanagement ISO 9001, Umweltmanagement ISO Unser Markenversprechen: Messbar mehr.

3 MESSBAR MEHR AUSWAHL. Messbar mehr Auswahl. Größte Auswahl an Mess- und Prüfgeräten namhafter Hersteller Oszilloskope (1 GHz bis 90 GHz) Labor-Messgeräte Elektronische Messtechnik von Agilent Technologies (datatec ATP) Stromversorgungen Datenlogger Multimeter / Stromzangen Thermografie in Instandhaltung und Forschung + Entwicklung Löttechnik Prüfgeräte / VDE-Normen LAN-Messgeräte Software & Zubehör

4 MESSBAR MEHR BERATUNG. Messbar mehr Beratung. Praxisorientiert. Individuell. Herstellerunabhängig. Erstberatung am Telefon Gerätevorführung vor Ort durch bundesweiten Außendienst Beratung nach den Kauf datatec Akademie Messbar mehr Wissen Informationen und Anmeldung unter:

5 MESSBAR MEHR SERVICE. Messbar mehr Service. Freundlich. Schnell. Kompetent. Zuverlässig erreichbar Kompetente telefonische Hilfe Testgeräteservice (fünf Tage gratis) Herstellerunabhängiger Reparatur- und Kalibrierservice Kauf oder Leasing Großer Online-Shop (über Mess- und Prüfgeräte) Ihr schneller und direkter Draht zum Experten: /

6 Agenda Oszilloskope Analoge Bandbreite / Anstiegszeit Systembandbreite Abtastung eines Signals / Samplerate Signalerfassungsrate / Totzeit Übersicht Agilent Oszilloskope Vorstellung der Agilent X-Serie 6

7 Was für ein Messgerät brauche ich? Ist da Strom drauf? 7

8 Was für ein Messgerät brauche ich? Ist da Strom drauf? 8

9 Was für ein Messgerät brauche ich? Und wieviel? 9

10 Was für ein Messgerät brauche ich? Und wieviel? 10

11 Was für ein Messgerät brauche ich? Mit welcher Frequenz? 11

12 Was für ein Messgerät brauche ich? Mit welcher Frequenz? 12

13 Was für ein Messgerät brauche ich? Und wie sieht das Signal aus? 13

14 Was für ein Messgerät brauche ich? Und wie sieht das Signal aus? 14

15 Was ist ein Oszilloskop? Scope? Oszi? (von lat. oscillare, schaukeln, und altgr. σκοπειν (skopein), betrachten) Ein Oszilloskop ist ein elektronisches Messgerät zur optischen Darstellung voneinander unabhängiger Spannungen in einem zweidimensionalen Koordinatensystem. Üblicherweise ist die (horizontale) X-Achse die Zeitachse und die anzuzeigenden Spannungen werden auf der Y-Achse abgebildet. Amplitude Zeit 15

16 Welches Notebook würden Sie kaufen? Schöner und schneller. das leistungsstarke 39 cm (15,6") Notebook. Genau Dein Stil graziöses, flaches und leichtes Design mit leuchtendem Touchpad.

17 Analoge Bandbreite Frequenzgang eines Oszilloskopes DC Die analoge Bandbreite eines Scopes ist definiert als die Frequenz, an der die Eingangsspannung um 1/ 2(-3dB) bedämpft wird. 17

18 Analoge Bandbreite Frequenzgang eines Oszilloskopes Nachteil: DC DC mehrere GHz 18

19 Analoge Bandbreite Frequenzgang eines Oszilloskopes DC Nachteil: Thermisches Rauschen P = k * T * Bandbreite Bolzmankonst. Temperatur 19

20 Analoge Bandbreite Messung eines 100 MHz Clock Signal 100 MHz Scope 300 MHz Scope 500 MHz Scope 20 1 GHz Scope

21 Jean Baptiste-Joseph Fourier War ein französischer Mathematiker und Physiker. geboren: 21. März 1768 in Auxerre, Bourgogne, Frankreich gestorben: 16. Mai 1830 in Paris 21

22 Jean Baptiste-Joseph Fourier Jede sich wiederholende Funktion = Summe der Grund- und Oberwellen von Sinus und Cosinus War ein französischer Mathematiker und Physiker. geboren: 21. März 1768 in Auxerre, Bourgogne, Frankreich gestorben: 16. Mai 1830 in Paris 22

23 Jean Baptiste-Joseph Fourier Grundwelle 23

24 Jean Baptiste-Joseph Fourier Grundwelle Grundwelle und erste Oberwelle 24

25 Jean Baptiste-Joseph Fourier Grundwelle Grundwelle und erste Oberwelle Grundwelle und weitere Oberwellen 25

26 Analoge Bandbreite Messung eines 100 MHz Clock Signals 100 MHz Scope 300 MHz Scope 500 MHz Scope 26 1 GHz Scope

27 Analoge Bandbreite Die Bandbreite beeinflusst das digitalisierte Signal Signalbeeinflussung: lange Anstiegszeit (t r ) gedämpfte Amplitude Amplitude t r verursacht durch: Abschwächer / Verstärker Oszilloskop weitere Hardware vor dem Oszilloskop z. B. Tastkopf 27

28 Analoge Bandbreite Beispiel Rechtecksignal Signalbetrachtung Zeit Frequenz y(x) = A * sin x + 1/3 sin 3x + 1/5 sin 5x + (x = 2πt/T) Rechtecksignal besteht aus Grundschwingung und einer (theoret. unendlichen) Anzahl ungeradzahliger harmonischen Schwingungen. Je kleiner die Oszilloskop-Anstiegszeit, desto mehr harmonische Schwingungen können erfasst werden. 28

29 Analoge Bandbreite Einfluss auf die Signaldarstellung Spectrum korrekte BW f genaues Signal original Signal Spectrum inkorrekte BW f ungenaues Signal 29

30 Analoge Bandbreiten Berechnung 30

31 Analoge Bandbreite Messgenauigkeit Ermittelung der Maximalfrequenz eines Signals an Hand seiner Anstiegszeit: f max = 0,5 / Anstiegszeit (10% - 90%) 0,4 / Anstiegszeit (20% - 80%) Messfehler in % bezogen auf Signal-Anstiegszeit Oszilloskop-Bandbreite Eingangsfilter Gauss, z. B. InfiniiVision Serie 20% 1,0 * f max 10% 1,3 * f max 3% 1,9 * f max Samplerate 4 * Oszilloskop-Bandbreite 31

32 Bandbreite Ein kleiner Mathe-Test =? 32

33 Bandbreite Ein kleiner Mathe-Test =

34 System-Bandbreite Setzt sich aus Bandbreite Tastkopf und Bandbreite Oszilloskop zusammen Abhängig vom der Charakteristik des Eingangsfilters (z. B. Gauß) Systembandbreite BandBreite 12 = 1 BandBreite BandBreite

35 Übertragungsfunktion Anregung F(s) Übertragungsfunktion Antwort Anstiegszeit Pulsbreite sec 0 f(t) idealer Impuls F(s) Unendliche Bandbreite 35

36 Übertragungsfunktion Anregung F(s) Übertragungsfunktion Antwort Anstiegszeit Pulsbreite sec 0 f(t) idealer Impuls F(s) unendlichebandbreite f(t) Impulsantwort 36

37 Übertragungsfunktion Anregung F(s) Übertragungsfunktion Antwort Anstiegszeit Pulsbreite sec 0 f(t) idealer Impuls F(s) unendlichebandbreite f(t) Impulsantwort Anstiegszeit 0 sec f(t) idealer Sprung - F(s) unendlichebandbreite +

38 Übertragungsfunktion Anregung F(s) Übertragungsfunktion Antwort Anstiegszeit Pulsbreite sec 0 f(t) idealer Impuls F(s) unendlichebandbreite f(t) Impulsantwort Anstiegszeit 0 sec - + f(t) idealer Sprung F(s) unendlichebandbreite f(t) Sprungantwort

39 Übertragungsfunktion Gauß Anregung F(s) Übertragungsfunktion Antwort Anstiegszeit 0 sec Pulsbreite 0-3 db f(t) idealer Impuls F(s) Gauß BW

40 Übertragungsfunktion Gauß Anregung F(s) Übertragungsfunktion Antwort Anstiegszeit 0 sec Pulsbreite 0-3 db f(t) idealer Impuls F(s) Gauß BW f(t) Impulsantwort 40

41 Übertragungsfunktion Gauß Anregung F(s) Übertragungsfunktion Antwort Anstiegszeit 0 sec Pulsbreite 0-3 db f(t) idealer Impuls F(s) Gauß BW f(t) Impulsantwort Astiegszeit 0 sec -3 db f(t) idealer Sprung F(s) Gauß BW 41

42 Übertragungsfunktion Gauß Anregun g F(s) Übertragungsfunktion Antwort Anstiegszeit 0 sec Pulsbreite 0-3 db f(t) idealer Impuls F(s) Gauß BW f(t) Impulsantwort Astiegszeit 0 sec -3 db Anstiegszeit 0.35/BW f(t) idealer Sprung F(s) Gauß BW f(t) Sprungantwort 42

43 Übertragungsfunktion - Rechteck Anregung F(s) Übertragungsfunktion Antwort Anstiegszeit 0 sec Pulsbreite 0 f(t) idealer Impuls F(s) BW Rechteck 43

44 Übertragungsfunktion - Rechteck Anregung F(s) Übertragungsfunktion Antwort Anstiegszeit 0 sec Pulsbreite 0 f(t) idealer Impuls F(s) BW Rechteck f(t) Ringing 44

45 Übertragungsfunktion - Rechteck Anregung F(s) Übertragungsfunktion Antwort Anstiegszeit 0 sec Pulsbreite 0 f(t) idealer Impuls F(s) BW Rechteck f(t) Astiegszeit 0 sec f(t) idealer Sprung F(s) BW Rechteck 45

46 Übertragungsfunktion - Rechteck Anregung F(s) Übertragungsfunktion Antwort Anstiegszeit 0 sec Pulsbreite 0 f(t) idealer Impuls F(s) BW Rechteck f(t) Astiegszeit 0 sec f(t) idealer Sprung F(s) BW Rechteck f(t) Anstiegszeit 0.45/BW 46

47 Eingangsfilter des Oszilloskops Gaussian vs. Beispiel für ein 1GHz Oszilloskop dB (Bandbreite vom Oszilloskop) 0.8 1/ 1 / 2 = 0, Gaussian 0 500M Hz 1.0GHz 2.0GHz 3.0GHz 4.0GHz Frequency Gaussian Allmähliche Dämpfung des Signals in- und außerhalb der Bandbreite Typisch bei Scopes für 1 GHz und weniger 47

48 Eingangsfilter des Oszilloskops Gaussian vs. Brickwall (Maximum Flatness) Beispiel für ein 1GHz Oszilloskop dB (Bandbreite vom Oszilloskop) 0.8 1/ 1 / 2 = 0, Gaussian Brickwall 0 500M Hz 1.0GHz 2.0GHz 3.0GHz 4.0GHz Frequency Gaussian Allmähliche Dämpfung des Signals in- und außerhalb der Bandbreite Typisch bei Scopes für 1 GHz und weniger Brickwall (Maximum Flatness) weniger Dämpfung innerhalb der Bandbreite u. flacherer Frequenzverlauf Schneller roll off außerhalb der Bandbreite Typisch bei Scopes über 1 GHz, 2 GHz u. mehr. 48

49 Abtastung eines Signals Samplerate A n t t T t entspricht dem Samplingintervall (SI) 1/ t ist die Samplingrate in Sample pro Sekunde (SR in Sa/s) T ist das Messfenster n entspricht der Speichertiefe oder Recordlength (RL) T = RL x t = RL x 1 SR 49

50 Samplerate 10 ksa/s 100 ksa/s 1 MSa/s Darstellung beispielhaft Die Samplerate muss passend zum gemessenen Signal sein Je höher die Samplerate desto besser wird das Signal erfasst Zu hohe Samplerate bringt aber keinen Vorteil, kann sogar zur Verzerrung des Signals führen, z. B. Sampler-Rauschen (Jitter von t) 50

51 Samplerate Eine Samplerate > 4 * Bandbreite bringt keinen Vorteil Signalbeispiel: 1 ns Puls mit 200 ps Anstiegszeit BW 2,5 GHz / Äquivalent Sampling BW 500 MHz / 2 GSa/s BW 500 MHz / 5 GSa/s kein Vorteil da Anstiegszeit des Oszilloskopes das Signal in der Darstellung begrenzt Samplerate muss zur Bandbreite passen (4 * Bandbreite) 51

52 Harry Nyquist Nyquist Theorem f sample > 2f max 52 Harry Nyquist 7. Februar 1889 in Nilsby, Schweden 4. April 1976 in Harlingen, Texas war ein US-amerikanischer Physiker

53 Sequentielle Sampling Technologie - Nur für repetitive / wieder kehrende Signale - Ein Sampelpunkt pro Trigger - Multiple Trigger Ereignisse bilden die Kurvenform - Wird typisch benutzt für BW >10GHz - Keine Pre-Trigger Informationen! 1 st Trigger 2 nd Trigger 3 rd Trigger 53

54 Auflösung Vertikalauflösung Angabe in Bits Auflösungsstufen = 2 N (N = Anzahl der Bits) Beispiel 8-Bit: 2 8 = 256 Stufen Dynamikbereich 1Bit = ~ 6 db Auflösung 8 Bit = -48 db auflösen 12 Bit = -96 db auflösen Höherer Dynamikbereich erhöht thermisches Rauschen Horizontalauflösung Angabe als Speichertiefe oder Recordlength Zeitliche Auflösung x Speichertiefe = Zeitfenster (Sample Rate) (Anzahl Messwerte) 54

55 Signalerfassungsrate Warum eine hohe Signalerfassungsrate? 55

56 Signalerfassungsrate Warum eine hohe Signalerfassungsrate? hohe Signalerfassungsrate bedeutet kürzere Oszilloskop Totzeiten dargestelltes Signal Oszilloskop Totzeit dargestelltes Signal Oszilloskop Totzeit 56

57 Agilent Oszilloskop Portfolio DCA-X Sampling X-Series Series U1620A Series 57 U2700 Series 3000 X-Series X-Series Series 6000 Series 7000B Series Hardware optimiert 9000 Series

58 2000 X-Series 6000A Series Agilent InfiniiVision Series 3000 X-Series 6000L Series 7000B Series Modell Anwendung/Besonderheit Bandbreite Sample* Rate Memory* (max) Gemeinsame Features: MSO Modelle und Upgrades Schnelle Waveform Update Rate Tiefer MegaZoom Speicher Hochauflösendes Display Hardware basierende Serielle Dekodierung und Triggerung Hardware basierender Maskentest Segmentierbarer Speicher Suche und Navigation Update Rate (max) Scope Kanäle Logik Kanäle 2000 X-Series Geringer Preis, WaveGen 70MHz to 200MHz 2 GSa/s 100k pts 50k wvfms/sec 2 or 4 8 optional 3000 X-Series Schnelle Erfassungsrate, 100MHz to 1GHz 4 GSa/s 4M pts 1M wvfms/sec 2 or 4 16 optional WaveGen 6000A Series Batterie Option 100MHz to 1GHz 4 GSa/s 8M pts 100k vfms/sec 2 or 4 16 optional 6000L Series 19, 1U High 100MHz to 1 GHz 4 GSa/s 8M pts 100k vfms/sec 2 or 4 16 optional 7000B Series Höchste Performance, größtes Display 100MHz to 1GHz 4 GSa/s 8 Mpts 100k vfms/sec 2 or 4 16 optional 58 * Half channel interleaved mode

59 X- Series: Aufrüstbar/ Investschutz 59 Aufrüstbare Bandbreite Nachrüstbare MSO Nachrüstbarer WaveGen Weitere optionale Mess - Applikationen 59 December 6, 2010

60 Neu ab V2.0 Applikatonen & Arb WaveGen nun mit ARB Power HDTV Video Adv. Math 1553/ARINC FlexRay 60

61 Agilent InfiniiVision Serie Bandbreite Abtastrate Speichertiefe Kanäle MSO Display Update rate WaveGen Maskentest Segmente Serielle Dekod. Suche & Nav X-Series 70/100/200 MHz 2 GSa/s 100 kpts 2 or 4 analog + 8 digital 8.5 WVGA 50,000 wfm/s Option Option Option Nein Nein 3000 X-Series 100/200/350/500M/ 1GHz 4 GSa/s bis 4 Mpts 2 or 4 analog + 16 digital 8.5 WVGA 1,000,000 wfm/s Option Option Option Option Ja 7000B Series 100//350/500M/ 1GHz 4 GSa/s bis 8 Mpts 2 or 4 analog + 16 digital 12.1 XGA 100,000 wfm/s Nein Option Option Option Ja 61

62 Die Antwort auf Kundenwünsche: Neue Trigger Möglichkeiten: Runt ( Wicht ) Anstiegszeiten Verletzung Abfallzeiten Verletzung Setup & Hold Zeit Verletzungen Neue Such & Navigationsmöglichkeiten: Zeitbezogene Markierungen Runt Anstiegszeiten Verletzung Abfallzeiten Verletzung Puls Breite Edge Runt Trigger Neue Waveform Speicher: 2 Referenz Signale 62 Neue Anschlussmöglichkeiten: Netzwerk Drucker Erweiterte Druckerunterstützung Dateisicherung via Web Browser Rise Time Search & Navigation

63 Die Antwort auf Kundenwünsche: 63 Neue Messungen: Snapshot Burst Width - Pulsbreite Positive Pulse Zähler Negative Pulse Zähler Anstiegsflanken Zähler Abfallflanken Zähler Area-N cycles Area-Full screen DC RMS-N Zyklen DC RMS - über alles AC RMS-N Zyklen AC RMS - über alles Verhältnis (AC RMS in db) Neue Serielle Möglichkeiten: Dual Bus Analyse Branchenweit einzige verschachtelte Listenfunktion Burst Width and + Pulse Count Dual Serial Interleaved Lister

64 InfiniiVision 2000/3000 X-Serie Tastköpfe und Zubehör 64

65 DSO7000B Serie Neue Tastköpfe und Zubehör Passive Miniatur-Tastkopf Familie N287xA 7 Varianten umfangreiches Zubehör Ideal für Fine Pitch Anwendungen Hochspannung Differenz- Tastkopf N2790/91A 100 MHz bis zu 1,4 kv Ideal für Anwendungen ohne Bezugspotential Differenz- Tastkopf N2792/93A 200 und 800 MHz bis zu 20V Eingangsspg. Ideal für CAN, LIN, FlexRay Anwendungen Tastkopf- Positionierhilfen N2786/87A schnelle und einfache Handhabung 65

66 Agilent Probe Positionierhilfen N2786A Zwei Bein N2787A 3D N2784A 1-arm browser N2785A 2-arm browser Probe compatibility* Target applications Agilent passive probes and SE active probes Quick XY positioning Most of Agilent s probes including InfiniiMax browsers XYZ positioning Quick and stable XY browsing US Price ~47 ~550 ~916 ~ Note *: Refer to the probe positioners data sheet for more details of probe compatibility (Agilent literature number: EN) 2011 datatec Ihr Spezialist für Mess- und Prüfgeräte

67 N2882A 75 Ohm-zu-50 Ohm Adapter Verbindung zw. 75 Ohm Video Signal mit 50 Ohm Eingang ohne Abbildungsfehler und Reflektionen 75 Ohm zu 50 Ohm BNC Adapter DC bis 8 GHz Bandbreite (-3dB) Exzellenter Frequenzgang und geringe Einfügedämpfung Für Impedanzanpassung, 3G SDI oder jede 75 Ohm Video Anwendung Dämpfung: 5.7 db Passt direkt am 50 Ohm Eingang vom Scope Einfach ans Scope anschließen, auf 50 Ohm stellen und bei den vertikalen Settings 5.7 db bzw :1 einstellen Preis : ~ datatec Ihr Spezialist für Mess- und Prüfgeräte

68 Verbindungslösungen Oszilloskop Computer DSOXLAN VGA/LAN Modul X2000/3000 Serie E5818A LXI Class-B Trigger Box 82357B USB GPIB Interface E5810A LAN GPIB/RS232 Gateway 82350B PC GPIB Interface E5805A USB RS232 Interface 10833x GPIB Kabel (div. Längen) 68 N4865A GPIB LAN Adapter E5813A LAN USB Hub (5 Port)

69 Ihr Spezialist für Mess- und Prüfgeräte OFFENE RUNDE FÜR IHRE FRAGEN 69

70 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT.

71 15 Minuten Kaffeepause 71

Oszilloskope. Grundlagen und Anwendungsgebiete. Thomas Giehm/ datatec. Ihr Spezialist für Mess- und Prüfgeräte

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