Een oscilloscoop is een meetinstrument dat wordt gebruikt om elektrische signalen te visualiseren. Het toont de verandering van de spanning in de tijd op een scherm, waardoor het mogelijk is om de vorm en eigenschappen van het signaal te bestuderen. Oscilloscopen zijn belangrijk in veel toepassingen, variërend van het testen van elektronische circuits tot het debuggen van communicatiesystemen.

Voor een embedded softwareontwikkelaar is een oscilloscoop relevant om de volgende redenen:

• Debuggen van hardware: Bij het ontwikkelen van embedded systemen is het belangrijk om de interactie tussen software en hardware te begrijpen. Een oscilloscoop kan helpen bij het identificeren van hardwareproblemen, zoals onverwachte spanningsniveaus, ruis of timingproblemen.

• Analyseren van signalen: Een embedded softwareontwikkelaar kan een oscilloscoop gebruiken om signalen te analyseren, zoals analoge sensoruitgangen, digitale communicatieprotocollen (zoals I2C, SPI of UART) of PWM-signalen (Pulse Width Modulation). Dit helpt bij het begrijpen en optimaliseren van de communicatie tussen verschillende componenten van het systeem.

• Timing en synchronisatie: Een oscilloscoop kan helpen bij het analyseren van timing- en synchronisatieproblemen in embedded systemen. Dit kan belangrijk zijn bij het ontwikkelen van systemen met real-time vereisten of bij het ontwerpen van systemen waarin meerdere processen parallel moeten werken.

• Prestaties en optimalisatie: Een oscilloscoop kan inzicht geven in de prestaties van een embedded systeem door het meten van de responstijd, doorvoer en andere relevante parameters. Dit kan helpen bij het identificeren van knelpunten en het optimaliseren van de systeemprestaties.

In eenvoudige taal is een oscilloscoop een apparaat dat elektrische signalen in beeld brengt en helpt bij het analyseren en debuggen van embedded systemen.

Een probe is een speciaal ontworpen meetinstrument dat wordt gebruikt om elektrische signalen van een circuit naar een oscilloscoop (scoop) over te brengen. Probes zijn essentieel voor het maken van nauwkeurige en betrouwbare metingen met een oscilloscoop, omdat ze de verbinding vormen tussen het te testen circuit en het meetinstrument zelf.

Er zijn verschillende soorten probes, maar de meest voorkomende zijn passieve probes en actieve probes:

• Passieve probes: Dit zijn eenvoudige, onversterkte probes die bestaan uit een weerstands- en capacitieve spanningsdeler. Ze hebben een relatief hoge ingangsimpedantie en zijn geschikt voor het meten van signalen met een lage tot gemiddelde frequentie. Passieve probes zijn over het algemeen robuust en kosteneffectief, maar ze kunnen de meetnauwkeurigheid beïnvloeden bij hogere frequenties vanwege hun capacitieve belasting en signaalverzwakking.

• Actieve probes: Deze probes bevatten ingebouwde versterkers en hebben een lage ingangscapaciteit. Ze zijn specifiek ontworpen voor het meten van hoogfrequente signalen en bieden een betere bandbreedte en signaalintegriteit dan passieve probes. Actieve probes zijn echter gevoeliger en duurder dan passieve probes.

Een probe heeft meestal twee aansluitingen: een meetpunt (tip) en een aarde (ground). Het meetpunt wordt verbonden met het punt in het circuit waar de meting moet worden uitgevoerd, terwijl de aarde meestal wordt aangesloten op een gemeenschappelijk referentiepunt of aardpunt in het circuit. Deze verbindingen zorgen ervoor dat de oscilloscoop een nauwkeurig beeld krijgt van het te meten signaal.

Bij het gebruik van een probe met een oscilloscoop is het belangrijk om rekening te houden met factoren zoals de probe-oscilloscoopcompatibiliteit, de bandbreedte, de verzwakkingsfactor en de juiste meettechnieken. Dit helpt om nauwkeurige metingen te verkrijgen en minimaliseert de invloed van de probe op het te meten signaal.

• Een standaard oscilloscoopsonde heeft een schakelaar op het handvat (zie Fig. 1 hierboven) waarmee je de sonde-attenuatie (verzwakker) kunt selecteren tussen 1 x en 10 x (verzwakt dan 10 maal, dus 1 volt op de punt wordt 1/10 volt op de scope).

• Door de schakelaar op de 10 x-positie te zetten, wordt er in feite een weerstand van 9 Mega ohm (Ra) in serie met de oscilloscoop-ingang geplaatst, zoals weergegeven in het schema van Fig. 2.

• Aangezien een typische oscilloscoop een ingangsweerstand (Rs) van 1 Mega ohm heeft, vormen de 9 M weerstand Ra en de ingangsimpedantie van de oscilloscoop een 1/10-delige spanningsdeler.

• Deze spanningsdeler levert 1/10 van de ingangsspanning aan de oscilloscoop.

Om de juiste compensatie te bereiken, wordt de probe aangesloten op een blokgolfgenerator in de oscilloscoop en wordt de compensatie trimmer aangepast voor de vereiste respons - een blokgolf. Waarom weten we dat de kalibratie is voltooid wanneer er een goede blokgolfvorm is verkregen?

Vanuit de signaaltheorie weten we dat een blokgolfsignaal bestaat uit veel verschillende frequentiecomponenten. Wanneer het een circuit passeert en sommige frequentiecomponenten meer verlies (of winst) hebben dan andere, zullen we de vorm aan de uitgang zien vervormen. Omgekeerd, als we zien dat er een perfecte golfvorm is verkregen aan de uitgang, weten we dat alle frequentiecomponenten behouden zijn gebleven. (zie ook Fourier transformatie en https://audiologieboek.nl/content/5-3-12-signalen-wiskundige-beschrijving-en-analyse/)

Zoals te zien is, is de aanpassing vrij duidelijk en is het snel en eenvoudig uit te voeren. Het moet elke keer worden gedaan als de probe wordt verplaatst van de ene ingang naar de andere, of van de ene oscilloscoop naar de andere. Het kan geen kwaad om het af en toe te controleren, zelfs als het op dezelfde ingang blijft. Zoals in de meeste laboratoria worden dingen geleend en kan er een andere probe worden teruggebracht, enz.

Een waarschuwing: veel oscilloscoop probes bevatten een X1/X10 schakelaar. Dit is handig, maar het moet worden begrepen dat de resistieve en capacitieve belasting op het circuit aanzienlijk toeneemt in de X1 positie. Het moet ook worden onthouden dat de compensatiecondensator geen effect heeft wanneer deze in deze positie wordt gebruikt.

Als voorbeeld van het type belastingsniveaus die worden gepresenteerd, kan een typische scope probe een belastingsweerstand van 10MΩ samen met een belastingscapaciteit van 15pF aan het circuit in de X10 positie bieden. Voor de X1 positie kan de probe een capaciteit van mogelijk 50pF plus de scope-ingangscapaciteit hebben. Dit kan uiteindelijk van de orde van 70 tot 80pF zijn.

1. je scope hangt aan ground
2. je circuit niet
3. je probes zitten doorverbonden op ground connectie
4. je meting heeft invloed op je onderliggende 'test-objecten'
5. TDB

Naast de standaard 1X en 10X spanningsprobes zijn er nog andere soorten oscilloscoop probes beschikbaar.

• Stroomprobes: Het is soms nodig om stroomgolfvormen te meten op een oscilloscoop. Dit kan worden bereikt met behulp van een stroomprobe. Deze heeft een probe die om de draad heen klemt en de stroom kan detecteren. Soms is het mogelijk om met behulp van de wiskundige functies op een oscilloscoop en een spanningsmeting op een ander kanaal, vermogen te meten, evenals de faseverschillen.

• Actieve probes: Naarmate de frequenties stijgen, worden de standaard passieve probes minder effectief. Het effect van de capaciteit neemt toe en de bandbreedte wordt beperkt. Om deze problemen te overwinnen, kunnen actieve probes worden gebruikt. Ze hebben een versterker direct aan de punt van de probe, waardoor metingen met zeer lage niveaus van capaciteit kunnen worden gemaakt. Frequenties tot enkele GHz zijn haalbaar met actieve oscilloscoop probes.

• Differentiële oscilloscoop probes: In sommige gevallen kan het nodig zijn om differentiële signalen te meten. Laag niveau audio, schijfaandrijaandrijfsignalen en nog veel meer situaties gebruiken differentiële signalen en deze moeten als zodanig worden gemeten.

Een manier om dit te bereiken, is door beide lijnen van het differentiële signaal te meten met behulp van één probe per lijn, alsof er twee enkelzijdige signalen waren, en vervolgens de oscilloscoop te gebruiken om ze differentieel toe te voegen (dat wil zeggen, de ene van de andere aftrekken) om het verschil te verkrijgen. Het op deze manier gebruiken van twee oscilloscoop probes kan tot een aantal problemen leiden. Het belangrijkste probleem is dat enkelzijdige metingen van deze aard niet de vereiste onderdrukking van gemeenschappelijke modus signalen (dat wil zeggen, Common Mode Rejection Ratio, CMRR) bieden en er is waarschijnlijk extra ruis aanwezig. Er kan een verschillende kabellengte op elke probe zijn, wat kan leiden tot tijdsverschillen en een lichte scheefstand tussen de signalen. Om dit te overwinnen, kan een differentiële probe wordengebruikt. Deze maakt gebruik van een differentiële versterker bij het meetpunt om het vereiste differentiële signaal te leveren, dat vervolgens via de oscilloscoop probekabel naar de oscilloscoop zelf wordt geleid. Deze aanpak biedt een veel hoger prestatieniveau.

• Hoogspanningsprobes: De meeste standaard oscilloscoop spanningsprobes, zoals de X1 of X10, zijn slechts gespecificeerd voor gebruik tot spanningen van enkele honderden volts. Voor hogere spanningen is een geschikte hoogspanningsprobe met speciaal geïsoleerde probe vereist. Deze zal ook de spanning voor de ingang van de oscilloscoop verlagen, zodat het meetinstrument niet wordt beschadigd door de hoge spanning. Vaak zijn spanningsprobes X50 of X100.

Samenvatting

Oscilloscoop probes zijn een essentiële toevoeging aan elke oscilloscoop. In de meeste gevallen kunnen 10X passieve oscilloscoop probes worden gebruikt, maar afhankelijk van de verwachte toepassingen moeten andere soorten meetprobes worden overwogen.

• Edwin van den Oetelaar