Időkorrelált, kevert jelű analízis egy oszcilloszkóp FFT-funkciójával
Elmúlt az az idő, amikor egy oszcilloszkóppal legfeljebb egy álló képet sikerült előállítani – és azt is csak nem túl bonyolult jelalakok esetén. Egy korszerű oszcilloszkóppal ma már olyan összetett jelanalízis-funkciókat is végrehajthatunk valós időben, amelyhez régebben csak célműszerrel vagy bonyolult műszer-összeállítással, esetleg számítógépes utófeldolgozással juthattunk hozzá. A Keysight Technologies cikke egy feltételezett hibakeresés példáján mutatja be az időkapuzott FFT-vizsgálat előnyeit.
A hibakeresési feladatok megoldásához sokszor nyújthat értékes segítséget, ha ugyanazon jeleket az időtartományban és a frekvenciatartományban is elemezzük. Azon esetekben, amikor egy panel több jelének együttes vizsgálatából kívánunk következtetni, nagyon fontos lehet a vizsgált jelek közötti időbeli korreláció mérése. Ez azonban komoly nehézségekbe ütközhet, ha több műszert tartalmazó összeállítással kell vérehajtanunk. Egy másik problémával is gyakran szembesülhetünk: amikor kevert jelű mérések során kell a frekvencia időbeli változásait vizsgálnunk. Bár számos oszcilloszkóp lehet alkalmas az időtartományon kívül – beépített FFT[1] -képességei révén – frekvenciatartománybeli vizsgálatra is, azonban a Keysight InfiniiVision 3000T– és 4000X sorozatú oszcilloszkópok időben kapuzott FFT-funkciója – egy meghatározott indőintervallumon belül egyszerre nyújt betekintést a jel idő- és frekvenciatartománybeli viselkedésének részleteibe.
Vegyük példának egy feszültségvezérelt oszcillátor (VCO) vizsgálatát. Ebben a példában egy órajel felfutó élét használjuk annak engedélyezésére, hogy az oszcillátor végigfusson a frekvenciatartományán (1. ábra). Az oszcilloszkóp képernyőjén a zöld szín az engedélyező órajelet, a lila pedig az oszcillátor kimenőjelét mutatja.
1. ábra Az engedélyező jel (zöld) és az oszcillátorkimenet (lila) megjelenítése közben lehetőségünk van a spektrum paramétereinek beállítására
A példabeli oszcillátor frekvenciája alapértelmezésben 700 kHz-től 3 MHz-ig változik a bemenőjel-változás hatására. Ha megfigyeljük az oszcillátor kimenőjelének képén a színárnyalat változását, azt látjuk, hogy az idő növekedtével egyre sötétebbé válik, amiből arra lehet következteni, hogy közben a frekvenciája is növekszik, de ezt igazán csak akkor láthatjuk jól, ha ugyanezt a frekvenciatartományban is megvizsgáljuk.
A 3000T- és 4000X-oszcilloszkópokon a kapacitív érintőképernyő segítségével egyszerűen be tudunk állítani egy 650 kHz-es kezdeti és egy 3,3 MHz-es végfrekvenciát (2. ábra). Ugyanezeket az adatokat egy közepes frekvencia és az attól való eltérés megadásával is beállíthatjuk. A megfelelő eltérésérték kiválasztásánál fontos szempont, hogy az oszcillátor teljes frekvenciaváltozási tartománya beleférjen az FFT vizsgálati frekvenciasávjába. Csupán ezeknek a kiinduló információknak a felhasználásával az FFT-módszer egy „egész képernyőre való” információt képes kiszámítani, de ez nem mutat meg semmit a frekvenciaspektrum időbeli változásából. Mivel épp ez az, ami miatt a vizsgálatot végezzük, „időben kapuzott” FFT-t kell használnunk.
2. ábra A kapacitív érintőképernyőn megjelenített billentyűzet használatával állíthatjuk be a vizsgálati spektrum kezdő- és végfrekvenciáját
A 3. ábrán az időben kapuzott FFT bekapcsolásával előálló állapotot láthatjuk. Az oszcilloszkóp-képernyő felső sávjában a rögzített jel hullámformáját látjuk az időtartományban megjelenítve, amelyet igény szerint átméretezhetünk aszerint, hogy milyen mennyiségű információt kívánunk elemezni. A megjelenítési ablakot ahhoz az időponthoz igazítjuk, ahol az engedélyező jel aktívvá válik. Ez alatt látszik a jel időtartománybeli képének egy darabja, illetve – még lejjebb – az oszcillátor hullámalakjának a kapuidőn belüli részéből számított FFT-spektruma. Álljon itt egy példa arra, hogyan használható előnyösen az időkorreláció és egy adott időtartamig tartó kapuzás, mivel láthatjuk, hogy abban a pillanatban, amikor az oszcillátor működése engedélyezve van, a frekvenciája a várakozásoknak megfelelően 700 kHz körül indul. A képernyő jobb oldalán látható egy eseménytáblázat, amely a frekvenciacsúcsokat mutatja. Ez esetben csupán egyetlen frekvenciakomponens van, de a többszörös csúcsok révén ez mégis egy gyors mérési módszert tesz lehetővé. Az időkapu egyszerűen áthelyezhető, akár kézzel is mozgathatjuk az érintőképernyő vagy a navigációs gombok segítségével. Ezen a módon az egész mintavételezetten rögzített időfüggvényt végigvizsgálhatjuk. Miközben az időkapu a növekvő idő irányába mozog, látható, ahogy a jel frekvenciája növekszik. A kijelzőn két csúcs látható az eseménytáblában, mivel frekvenciaváltozás történik a kapuidőn belül. Ez a két csúcs az FFT-hullámformán vizuálisan is megfigyelhető.
3. ábra Az időben kapuzott FFT során az FFT csak az időben megadott vizsgálati ablakon belül számítódik
4. ábra A hullámforma mentén navigálva a teljes spektrumot végigvizsgálhatjuk
Amint azt már bizonyára észrevette az olvasó, egy jelkimaradás látható az oszcillátor kimenőjelének időtartománybeli képén. El tudja-e vajon érni a kimenőjel frekvenciája a 3 MHz-et, és ott kikapcsolni? A frekvenciamérés közvetlenül a jelkimaradás előtt 1,87 MHz-et mutat, és amint az 5. ábrán látható, közvetlenül a jelkimaradás után a frekvencia 2,08 MHz.
5. ábra A kurzormérések felhasználásával meghatározhatjuk azt az időt – az engedélyezőjeltől számítva –, amikor a vizsgált oszcillátor lefullad
Ezek a mérések tehát azt mutatják, hogy az oszcillátor nem érte el zavartalanul a kívánt 3 MHz-es frekvenciát, hanem ehelyett lefulladt. A leolvasójelek (kurzorok) bekapcsolásával pontosan is meg tudjuk mérni a hibajelenség jellegzetes időadatait. Vegyük észre, hogy az eseménytáblát tartalmazó oldalsávban, alul láthatók a kurzormérések adatai. Ebből kiderül, hogy a rés az engedélyezőjelet követően 78 ms múlva következett be. Ennek az információnak a felhasználásával az oszcilloszkóp segítségével azt is kideríthetjük, vajon mi történik a vizsgált áramkörben a bekapcsolástól számított 78 ms környékén, és ezzel pontosan meghatározhatjuk az oszcillátor helytelen működésének okát is. Ne feledjük: hogy már az idő- és frekvenciatartománybeli kép bármelyikén is világosan felismerhető a probléma, amely azonban nagyon könnyen elkerülhette volna a figyelmünket, ha különféle más műszereket – például egy spektrumanalizátort – egyszerűen végigfuttattunk volna a vizsgált frekvenciatartományon.
A navigációt a jel mentén folytatva azt láthatjuk, hogy miután az oszcillátorfrekvencia a 3 MHz-et elérte, nem növekedik tovább, hanem 140 ms-mal az engedélyezőjelet követően ezen a frekvencián stabilizálódik (6. ábra). Műszerünknek az a képessége, hogy a jel különböző szakaszait vizsgálhatjuk meg vele, segített annak igazolásában, hogy az oszcillátor elérte a kívánt felső határfrekvenciát.
6. ábra A kurzorok segítségével azt is leolvashatjuk, mikor stabilizálódik az oszcillátorfrekvencia 3 MHz-en
Ebben az alkalmazási példában egy egyszerű VCO vizsgálatát tűztük ki célul, de a kapuzott FFT alkalmazhatósága nem korlátozódik csupán az időben változó frekvenciájú jelekre. A kapuzott FFT hasznos segédeszköz lehet másfajta jelek – például rövid idejű „jelcsomagok” (burst-ök) vizsgálatakor, vagy ha fel szeretnénk deríteni, milyen más (pl. zavaró) jelek hatnak a vizsgált eszközre egy adott pillanatban. Az FFT-módszert alkalmazni képes oszcilloszkópok egyébként is hasznos hibakereső segédeszközök, de a Keysight InfiniiVision 3000T- és 4000X-sorozatú műszereiben megvalósított, időben kapuzott mérések még többféle analízis végrehajtására alkalmasak azáltal, hogy képesek felderíteni a korrelációt az időbeli és a frekvenciatartománybeli viselkedés között.
Magyarországon a Keysight Technologies hivatalos disztribútora a H-TEST Hungary Kft.
[1] Fast Fourier Transform: egy időben mintavételezett jel digitális Fourier-transzformációjának egy speciális esete, amely a paraméterek alkalmas megválasztásával az általános esetnél lényegesen gyorsabban hajtható végre.
H TEST Hungary Kft.
9027 Győr, Gesztenyefa u. 4. I/3.
Tel.: + 36 96 999 262
Email: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.htest.hu
Még több H TEST
Címkék: Keysight | InfiniiVision | oszcilloszkóp
