デジタル・オシロスコープ入門 - teledyne...
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デジタル・オシロスコープ入門
レクロイ・ジャパン株式会社
2007年 4月26日(木)
レクロイ・テクニカル・セミナー
LJDN-ST-GE-0325-0001
LeCroy Japan Corporation
プレゼンテーション内容
オシロスコープ入門
– アナログ・オシロスコープとデジタル・オシロスコープの違い
– デジタル・オシロスコープの構造
– 基本仕様
– 波形表示
– 波形測定
– ユーティリティ機能
アナログ・オシロスコープとデジタル・オシロスコープの違い
LeCroy Japan Corporation
オシロスコープとは
一体何をするものでしょうか?
オシロ スコープ とは、(Oscillation) (Scope)
波形 を 見る 機械です。
LeCroy Japan Corporation
デジタルオシロスコープとアナログオシロスコープの主な特徴
デジタル・オシロスコープ
周波数帯域 : DC~18GHz
DC電圧確度 : 2%
電圧軸の分解能 : 8ビット
タイムベース確度 : 1ppm
単発現象の捕捉 : 簡単
高度なプロセッシングが可能
自動計測 : フル・オートメーション可能
アナログ・オシロスコープ
周波数帯域 : 最高 DC~1GHzDC電圧確度 : 2%タイムベース確度 : 0.5%単発現象の捕捉 : 制限あり
プロセッシング : 不可能
パラメータ測定 : 制限あり
自動計測 : フロント・パネルのみ
LeCroy Japan Corporation
アナログ・オシロスコープのブロック図アナログ・オシロスコープのブロック図
信号を検出します
どこから信号を捕らえるかを決定します
どれだけの範囲を捕らえるかを決定します
画面に映し出す準備をします
信号を画面に写します
トリガ回路
CRT
入力アンプ
時間軸掃引回路
CRT駆動回路
LeCroy Japan Corporation
アナログ・オシロスコープの構造 (CRT)
電子銃
水平偏向板
垂直偏向板
電子ビーム蛍光面
LeCroy Japan Corporation
デジタルデジタル・・オシロスコープのブロック図オシロスコープのブロック図
トリガ回路
入力アンプ
クロック
メモリ
AD変換器
CPU
画像表示回路
LCDパネル
信号を検出します
どこから信号を捕らえるかを決定します
どれだけの範囲を捕らえるかを決定します
画面に映し出す準備をします
信号を画面に写します機器の制御および信号解析を行います
時間軸の精度を保証します
信号をデジタル化します
LeCroy Japan Corporation
最新のデジタル最新のデジタル・・オシロスコープの例オシロスコープの例Model : Waverunner64XiModel : Waverunner64Xi
画面(タッチ・スクリーン)画面(タッチ・スクリーン)
入力コネクタ入力コネクタ
USBUSBポートポート
操作パネル操作パネル
LeCroy Japan Corporation
デジタル・オシロスコープの操作パネルModel : Wavesurfer64XsModel : Wavesurfer64Xs
TIME/DIV
VOLT/DIV
Trigger
ZOOM
時間軸(横軸)の条件を設定
電圧軸(縦軸)の条件を設定
波形の取り込み開始点の条件を設定
拡大率や拡大位置の設定
CURSOR
カーソル測定の設定カーソル測定の設定
デジタル・オシロスコープの基本仕様
LeCroy Japan Corporation
デジタル・オシロスコープの基本仕様
入力チャンネル
周波数帯域
垂直分解能
サンプリング速度
メモリ長
LeCroy Japan Corporation
入力チャンネルModel : Waverunner6100AModel : Waverunner6100A
1
2 3 4 外部トリガ
4ch仕様の例
LeCroy Japan Corporation
バンド幅(周波数帯域) 1/4
周波数領域 時間軸領域
LeCroy Japan Corporation
バンド幅(周波数帯域) 2/4
時間軸領域と周波数領域での考え方
(時間領域)
(周波数領域)
LeCroy Japan Corporation
バンド幅(周波数帯域 -3dB) 3/4
カットオフ周波数の信号は70.7%に振幅が落ちる
波形を正しく観測するために・・・正弦(サイン)波=2倍のバンド幅矩形波(方形波)=5~7倍のバンド幅が必要
4.00E-01
5.00E-01
6.00E-01
7.00E-01
8.00E-01
9.00E-01
1.00E+00
1.10E+00
0 50000 100000 150000
-3dB0.707
@0.333Fc0.949
@0.5Fc0.894
測定誤差測定誤差10%10%程度なら程度なら1/21/2、、5%5%程度程度((約約--0.5dB)0.5dB)ならなら1/31/3、、3%3%程度なら程度なら1/41/4
LeCroy Japan Corporation
バンド幅(周波数帯域) 4/4
入力 200MHz
100%
入力信号
画面表示波形
バンド幅 1.0GHz
入力 200MHz
バンド幅 200MHz波形は、小さくなる
入力信号 出力信号
出力信号70.7%
LeCroy Japan Corporation
信号とバンド幅の関係をサイン波信号で見ると
← 1GHz← 200MHz← 20MHz
← 1GHz← 200MHz
← 20MHz
200MHz正弦波
LeCroy Japan Corporation
サンプリング速度 1/3 デジタル変換とは
バラバラで不連続な値がデジタル
切っても切ってもきりがない連続的な値がアナログ
LeCroy Japan Corporation
サンプリング速度 2/3
5Mサンプル/s200ns/point
20Mサンプル/s50ns/point
LeCroy Japan Corporation
サンプリング速度 3/3
本来の信号
5Gサンプル/s200ps/point
20Gサンプル/s50ps/point
立ち上がり時間:600ps立ち上がり時間:600ps
波形の再現性が悪い
LeCroy Japan Corporation
周波数帯域の選択周波数帯域の選択(立上り時間の観測)(立上り時間の観測)
オシロスコープで観測される立上り時間オシロスコープで観測される立上り時間
オシロの立上がりが信号の立上がりの約1オシロの立上がりが信号の立上がりの約1//4程度4程度
10.04988 110
10.11187 1.510
10.19804 210
10.30776 2.510
10.44031 310
10.54093 3.3333333310
10.77033 410
11.18034 510
11.66190 610
12.20656 710
12.80625 810
13.45362 910
14.14214 1010
計測される立ち上がり時間(ps)
装置の立ち上がり時間(ps)
信号の立ちがり時間(ps)
測定誤差測定誤差10%10%程度なら程度なら1/21/2、、5%5%程度なら程度なら1/31/3、、3%3%程度なら程度なら1/41/4
LeCroy Japan Corporation
500MS/sとは、1秒間に500,000,000回(5億回)のサンプリングを行なう事で、この場合の時間分解能はその逆数(2ns)になる。
時間分解能
サンプリング速度 と時間分解能
LeCroy Japan Corporation
サンプリング速度の選択サンプリング速度の選択(波形観測)(波形観測)
サンプリング速度サンプリング速度==信号の信号の周波数の周波数の1010倍倍以上が必要以上が必要
1周期中に1周期中に1010点が目安点が目安
2点/周期 10点/周期
LeCroy Japan Corporation
自然の景色(アナログ)をデジタル・カメラで撮影すると、画素に細かく分けられてデジタル・データになります。
時間分解能
デジタル・カメラに例えた垂直分解能とサンプリング速度
デジタルアナログ
LeCroy Japan Corporation
縦軸分解能が4分の1に低下
LeCroy Japan Corporation
横軸分解能が4分の1に低下
LeCroy Japan Corporation
エリアシング
サンプリング速度=測定周波数の2倍以上が必要
LeCroy Japan Corporation
実際のエリアシング 1
100MS/s100MS/s
6MS/s6MS/s
100MS/s100MS/s
6MS/s6MS/s
LeCroy Japan Corporation
実際のエリアシング 2
同じ信号を測定「エリアシング」発生
3MHzの信号を入力
125kHz
3MHz100MS/s
3.125MS/s
LeCroy Japan Corporation
垂直分解能 1/2 A/D 変換
LeCroy Japan Corporation
垂直分解能 2/2
3 ビット 5 ビット
8 分割 32 分割
LeCroy Japan Corporation
メモリ長 1/4いつでも最高速が出せるわけではない
メモリ長により異なります。
LeCroy Japan Corporation
メモリ長 2/4
メモリ長が長い
メモリ長が短い
メモリ長が長いと、長い時間の信号が取り込める。
同じサンプリング速度で
LeCroy Japan Corporation
メモリ長 3/4ロング・メモリとショート・メモリ
同じ観測時間にするとサンプリング速度が半分になる
メモリ長が長い
メモリ長が短い
LeCroy Japan Corporation
メモリ長 3/4ロング・メモリとショート・メモリ
メモリ長が長い
メモリ長が短い
サンプリング速度が減少サンプリング速度が減少観測時間が減少観測時間が減少
LeCroy Japan Corporation
メモリ長 4/4観測時間、メモリ長とサンプリング速度
必要メモリ長(200kワード)=観測時間(1ms) ×サンプリング速度(200MS/s)
200MS/s200MS/s
LeCroy Japan Corporation
観測時間とサンプリング速度の関係
必要なメモリ長捕捉時間 100Mワード 50Mワード 24Mワード 10Mワード 5Mワード 2.5Mワード 1Mワード 500kワード 250kワード 100kワード2s 0.051s 0.1 0.05500ms 0.2 0.1 0.05200ms 0.5 0.2 0.1 0.05100ms 1 0.5 0.2 0.1 0.0550ms 2 1 0.5 0.2 0.1 0.0520ms 5 2.5 1 0.5 0.2 0.1 0.0510ms 10 5 2.5 1 0.5 0.2 0.1 0.055ms 20 10 5 2.5 1 0.5 0.2 0.1 0.052ms 20 20 10 5 2.5 1 0.5 0.2 0.1 0.051ms 20 20 20 10 5 2.5 1 0.5 0.2 0.1500μs 20 20 20 20 10 5 2.5 1 0.5 0.2200μs 20 20 20 20 20 10 5 2.5 1 0.5100μs 20 20 20 20 20 20 10 5 2.5 150μs 20 20 20 20 20 20 20 10 5 2.520μs 20 20 20 20 20 20 20 20 10 510μs 20 20 20 20 20 20 20 20 20 10
サンプリング速度(GS/s)
Model:SDA6000AXXLの場合
必要メモリ長(Points)=観測時間(Second) ×サンプリング速度(GS/s)
デジタル・オシロスコープの画面表示
LeCroy Japan Corporation
波形の拡大
LeCroy Japan Corporation
拡大してはじめて真実がわかることもあります
LeCroy Japan Corporation
データの発生頻度に応じてカラー(階調)表示をします。
カラー・グレード表示
アナログ階調表示
パーシスタンス表示:データの発生頻度を表示
テクトロニクスのDPOのようなもの
LeCroy Japan Corporation
一般的な複数波形表示
LeCroy Japan Corporation
シングル・グリッドの弊害?
28ビットor
256 レベル
26ビットor
64 レベル
LeCroy Japan Corporation
4ch入力をシングル・グリッド で見る弊害
波形が重なり合って見にくい
64 レベル
256 レベル
LeCroy Japan Corporation
フル・スケール
LeCroy Japan Corporation
マルチ・グリッドで分解能を有効に使う
LeCroy Japan Corporation
マルチ・グリッドで分解能を有効に使う
フルスケールで見ないと波形を正確に解析できません。
256 レベル
LeCroy Japan Corporation
マルチ・グリッド表示とシングル・グリッド表示
4分割マルチ・グリッド
シングル・グリッド
LeCroy Japan Corporation
同じ信号を「マルチ・グリッド」で観測すると….
LeCroy Japan Corporation
波形拡大機能 : マルチ・ズーム機能
デジタル・オシロスコープのトリガ
LeCroy Japan Corporation
アナログ・オシロスコープのトリガ
常に画面の左端がトリガ点となる。
LeCroy Japan Corporation
プリ・トリガ と ポスト・トリガ
デジタル・オシロでは、メモリの中でトリガ点を自由に設定することができる。
LeCroy Japan Corporation
トリガ機能 : エッジ・トリガ機能 1/3
トリガ・ポイント
トリガ・レベル
LeCroy Japan Corporation
トリガ機能 : エッジ・トリガ機能 2/3
ゆっくりした周期の連続信号も簡単に捕捉することができます。
ショット #1 ショット #2 ショット #3 ショット #4 ショット #5 ...
LeCroy Japan Corporation
エッジ・トリガ機能は次のような信号に安定して同期をとることができません。なぜでしょうか ?
ショット #1 ショット #2 ショット #3 ショット #4 ショット #5...
トリガ機能 : エッジ・トリガ機能 3/3
LeCroy Japan Corporation
インターバル・トリガ 1/2
この信号に特有な性質を探してトリガをかけます。
タイム・インターバル“T”
に対してトリガをかけます。
ショット#1 ショット#2 ショット#3 ショット#4 ショット#5 ...
「ホールド・オフ機能」を使えば、指定した時間内に発生したトリガ・イベントを無効にします。したがって、
オシロスコープはこの場合には、最初のエッジに対してのみトリガしますので、安定した表示が得られます。
T
ホールド・オフ 時間
LeCroy Japan Corporation
インターバル・トリガ 2/2
インターバル(周期)の大きさ
でトリガします。
LeCroy Japan Corporation
グリッチ(パルス幅)・トリガ
パルス幅の大小でトリガをかけます。
LeCroy Japan Corporation
ロジック・トリガ
2つの入力の論理の組み合わせでトリガ
High
High
LeCroy Japan Corporation
ステート・クオリファイトリガ
ひとつのロジック信号のステート状態で、他の信号のトリガを有効にします。
CH1 のステートがLowの時にCH2 の2個のイベントを待って
トリガします。
LOW
LeCroy Japan Corporation
ドロップアウト・トリガ
信号が減衰して指定した時間内に復帰しない時に
トリガします。
デジタル・オシロスコープの波形測定・演算
LeCroy Japan Corporation
カーソルで選択したサンプリング点の値を表示できる。(補間によりサンプリング点間の値も読み取り可能)
波形の読み取り 1/2
LeCroy Japan Corporation
カーソル
読み取り値(電圧)
波形の読み取り 2/2
読み取り値(時間)
LeCroy Japan Corporation
カーソル測定
振幅をカーソル測定 2点間の電圧差と時間差をカーソル測定
LeCroy Japan Corporation
パラメータ演算
標準電圧パラメータ表示
LeCroy Japan Corporation
任意に設定できるパラメータ演算
LeCroy Japan Corporation
パラメータ演算 : 統計処理機能を使う
LeCroy Japan Corporation
パラメータ演算 : ヒストグラムを使う
Histcon
LeCroy Japan Corporation
パラメータ演算 : ロングメモリの活用
11 22 33 44 55 66 77 88 99 1010 1111 1212 1313 1414
全ての周期を対象にパラメータを計測全ての周期を対象にパラメータを計測
LeCroy Japan Corporation
パラメータ演算 : 特定の範囲を指定
LeCroy Japan Corporation
ノイズを除去する…アベレージング
LeCroy Japan Corporation
単発信号のノイズ除去…. 分解能向上演算(ERES)
LeCroy Japan Corporation
波形変動の最大値を残す...エンベロープ・モード
LeCroy Japan Corporation
周波数を分析する… FFT演算機能
LeCroy Japan Corporation
標準パラメータ in LeCroy DSO
振幅領域ベース整数サイクル平均整数サイクル実効値サイクルデータディレイ⊿ディレイ
デューティ・サイクル立下り時間 90-10%立下り時間 80-20%周波数最大値
平均メジアン最小値正のオーバーシュート負のオーバーシュートピーク・ツー・ピーク周期位相立ち上がり時間 10-90%,立下り時間 20-80%実効値トップパルス幅整数サイクルメジアン
サイクル標準偏差偏差レベル時間トリガ・レベル時間セットアップ時間ホールド時間
期間(捕捉時間)レベル立下り時間ファースト・ポイントラスト・ポイントポイント数レベル立ち上がり時間標準偏差
LeCroy Japan Corporation
波形演算機能 in LeCroy DSO
四則演算アベレージング分解能向上演算(最大11 ビット)エンベロープFFTフロアルーフ微分積分逆数反転リサンプル(位相設定)リスケール(工学単位への設定変更可能)平方根2乗
サイン補間絶対値exp(e)exp(10)log(e)log(10)トレンド表示
内部メモリ波形メモリ最大4つの16ビットメモリ(M1, M2, M3, M4)Zoom & Mathメモリ最大4つの16ビットメモリ(トレースA, B, C, D)
ユーティリティ機能
LeCroy Japan Corporation
波形の画像保存・データ保存
画像:BMP、JPEG、TIFF、etc 数値:Binary、ASCII、MATLAB、etc
LeCroy Japan Corporation
自動合否判定
LeCroy Japan Corporation
リモート制御 : ScopeExplorer
イーサネットGPIB
オシロスコープと同じ操作感覚で制御可能
LeCroy Japan Corporation
リモート制御 : ActiveDSO
ActiveXをサポートしているアプリケーション・ソフトウエア(Excel, PowerPoint, Internet Explorer, Visual Basic, VisualC++, LabVIEW等)からオシロスコープをリモート・コントロールできます。
LeCroy Japan Corporation
デジタル・オシロスコープの基本的な仕様
周波数特性– 入力信号に対して、観測波形の振幅が-3dBダウンする点で規定– 矩形波の観測:5~7倍のバンド幅が必要
サンプリング速度– 矩形波の観測:10倍以上のサンプリング速度
メモリ長– ロングメモリは重要– (メモリ長)=(サンプリング速度)×(観測時間)
100Mワードのメモリ長、 10GS/sのサンプリング速度では、 10ms 測定可能24Mワードのメモリ長、 5GS/sのサンプリング速度では、 4.8ms 測定可能
デジタル・オシロスコープの機種選定