Osiloskopların ölçüm doğruluğu neden bu kadar kötü?

[taydin]

Bu sorunun başka bir soruluş şekli de şöyle:

5000 TL verip aldığım osiloskobun ölçüm hatası %1.5 - %2, ama 200 TL ye aldığım multimetrenin ölçüm hatası sadece %0.1. Hatta baktım, 1 milyon dolara satılan Keysight'ın UXR serisi osiloskobun ölçüm hatası da %2 Bu nasıl iştir?

O 200 TL ye aldığın multimetre, saniyede 3 civarı ölçüm yapar. Ama başlangıç seviyesi bir osiloskop bile, saniyede 50 milyon ölçüm yapar. O bahsettiğin Keysight'ın 1 milyon dolarlık osiloskobu ise saniyede 110 milyar ölçüm yapar (110,000,000,000 ölçüm) !!!

İşte osiloskopları değerli kılan şey, çok kısa süren olayları yakalayabilmeleridir. Genlik ölçümünün hassas olması ikinci plandadır. Bununla beraber eğer osiloskopta ortalama değer ölçümü özelliği varsa, cihaz için üreticinin verdiği %1.5'tan daha iyi doğrulukla ölçüm yapılabilir.

 

[taydin]

Bir de çoğu osiloskoplar, analogdan dijitale dönüşümü 8 bitlik ADC'ler ile yapar. Yüksek ölçüm hatasının bir kaynağı da budur. Daha yüksek çözünürlükle dönüşüm yapan osiloskoplar var. Örneğin 10 bit, 12 bit, 16 bit dönüşüm yapan modeller mevcut. Ama bit sayısı arttıkça, osiloskop bant genişliği çok daha pahalı hale geliyor. Örneğin 1 GHz 8 bitlik bir osiloskop 50,000 TL ise, 1 GHz, 12 bitlik bir osiloskobun fiyatı rahatlıkla bunun iki katı olabiliyor.

Eğer nispeten düşük frekanslı (100 MHz veya daha aşağısı) AC sinyallerin genliğinin düşük ölçüm hatası ile ölçülmesi gerekiyorsa, 16 bit, 100 MHz bir osiloskop ile %0.5 veya daha iyi bir ölçüm hatası elde edilebilir. Bir de ortalama aldırılırsa bu hata %0.2 gibi seviyelere gelir.

 

[taydin]

Temel osiloskop kullanımı videosu çekmek için ikinci el bir analog osiloskop ısmarladım. Tektronix 2465B (temsili resim, benimkisi daha gelmedi).

En iyi tolerans değeri %2 ve ortam sıcaklığına göre oldukça artabiliyor. Ayrıca bazı özelliklerin kullanılması (mesela sinyali 180° invert edersen) de toleransı kötüleştiriyor. Ayrıca sistem analog olduğu için komponentlerin yaşlanması neticesinde uzun vade performansı da kötü oluyor. Bunun dışında ekrandaki ışının tam yatay olmaması, biraz parlak olması veya konverjans sorunlarından dolayı da voltajı okumak daha zordur.

Yani prensip olarak analog osiloskoplar her zaman dijitallere göre ölçüm hatası daha kötü olacaktır.

 

[taydin]

Bu hata oranı yüksek görülse de ölçümlenen peak değeri doğrultusunda hesaplanan RMS değeri, %0.1 hata toleransına sahip digital bir multimetrenin güvenilirliğini bile tartışma konusu yapabilmektedir.

True RMS olmayan multimetreler, RMS değeri elde etmek için giriş sinyalinin ORTALAMA değerini baz alırlar, peak değerini değil. Eğer peak alsalar, bu kabul edilemez derecede büyük ölçüm hatalarına sebep olur. Kabaca, ortalama değeri 1.11 ile çarpıp RMS değeri elde ederler. Bu hesap, sinüs için doğru sonuç verir, ama başka sinyal şekilleri için değişen miktarlarda hataya sebep olur.

 

[taydin]

Deneyelim

Elimde Fluke yok, ama zaten Fluke'un amiral gemisi olan 87V hem sadece 20 KHz'e kadar çalışıyor, hem de AC ölçüm doğruluğu %0.7. Ama elimde 87V'den oldukça üstün olan Keysight U1282A var.

Şu cihazlarla ölçüm yapıyoruz:
Keysight U1282A (AC volt ölçüm doğruluğu %0.3)
Rigol DM3068 (AC volt ölçüm doğruluğu %0.07)
Keysight DSO9104A osiloskop (DC kazanç doğruluğu %2 )

Sinyal jeneratöründen 2 Vrms, 1 KHz sinüs üretiyorum ve şunlarla ölçüyorum:

4.5 haneli Keysight U1282A     1.991 Vrms
6.5 haneli Rigol DM3068        1.991 Vrms
Keysight DSO9104A osiloskop    1.984 Vrms

 

[taydin]

Multimetrelerin hatası %0.45, osiloskobun hatası %0.7 çıkıyor. Ama osiloskop ile yapılan ölçümde ortalama aldırarak yaptırıyorum, yoksa teker teker ölçümlere bakıldığında 0.7'den daha fazla hatalar görmek mümkün.

Tabi burada sinyal jeneratörünün genlik hatası da işin içine giriyor. Sinyal jerenatörünün datasheet'ine göre frekans tepkisi 10 MHz'e kadar en fazla 0.1 dB oynuyor. Bu da kabaca %1.1 lik hataya denk geliyor.

Her iki multimetrenin tam olarak aynı değeri göstermesi, bir de bunların doğruluğunun sinyal jeneratöründen çok daha iyi olduğunu bildiğimiz için, multimetrelerin ölçümünün doğru değer olduğunu varsayabiliriz.

 

[taydin]

Aynı ölçümü, doğruluğu çok daha üst seviyede olan AP525 audio analyzer ile test sinyalini üretirken yapalım. Gene 2Vrms, 1 KHz sinyal veriyoruz

4.5 haneli Keysight U1282A     2.0013 Vrms
6.5 haneli Rigol DM3068        2.00073 Vrms
Keysight DSO9104A osiloskop    1.997 Vrms

Burada DM3068 in hata oranı %0.036, U1282A nın hata oranı %0.065, osiloskobun hata oranı %0.15

Osiloskop için verilen DC kazanç doğruluğu %2 olmasına rağmen niye %0.15 lik hata görüyoruz? Çünkü saygın firmaların verdiği bu tolerans değerleri mümkün olabilecek en kötü senaryoyu da kapsıyor. Ayrıca değer ölçümü yaparken ortalama aldırarak yaptırıyoruz bunun da epey faydası oluyor.

 

[taydin]

Osiloskop bütün ölçümleri, o anda ekranda görünen verilerle yapıyor. Yani RMS değerinin hesabı için kullanılan verilerle PP ölçümü için olan veriler aynı, dolayısıyla RMS değer ile PP değer arasında bir katsayı ilişkisi olacak. 5.7V gibi bir PP değeri gördüğümü hatırlıyorum, şimdi kapattım osiloskobu.

 

[taydin]

Yani hesaplara girdi olarak gelen veriler aynı olduğu için RMS ölçüm kalitesi neyse, PP ölçüm kalitesi de aynı olacaktır. İkisi de veriler üzerinden yapılan matematik işlemler neticede.

Düşük bant gelişlikli 16 bitlik osiloskoplardan olsa (Rohde & Schwarz ve Teledyne LeCroy firmalarının var) DC kazanç hatası çok daha düşük olacaktır. Bir de ortalama aldırdın mı hata baya azalacaktır, ama Rigol'ün %0.07 lik hata oranına ulaşacağını zannetmem.

Hele analog osiloskopla hiç olmaz, çünkü ekrandaki çizgilere göre kabaca belirliyorsun genliği herşeyi. En azından dijital osiloskop otomatik olarak yapıyor ölçümü.

 

[taydin]

Tam anlamadım demek istediğini. Ama 5x ve 10x den bahsedince şu aklıma geldi: Ölçümleri 10x prob ile yaptım. Bu da tabi osiloskobu dezavantajlı duruma düşürdü. 10 kat zayıflatılmış bir sinyal üzerinde ölçmek zorunda kaldı. Ama 1x prob ile ölçümleri tekrarlasak da hata oranı belirleyici bir şekilde değişmeyecektir, çünkü 200 mVrms de çok düşük bir seviye değil.

Bir de şunu düzeltmem lazım:

Osiloskoplarda giriş empedansları 1Mohmlar civarında iken voltmetrelerdeki empedans çok daha düşüktür.
Yüksek empedanslı bir kaynaktaki EMK değerinin ölçümünde bence osiloskop daha güvenilir olacaktır.

Piyasadaki dijital multimetrelerin neredeyse tamamının giriş empedansı 10 MΩ dur. Hatta Rigol DM3068'de çok yüksek empedanslı devrelerde ölçüm yapmak için 10 GΩ modu da var. Dolayısıyla multimetreler devreyi çok daha az yükleyecektir.

 

[taydin]

Son olarak şunu da belirteyim: Bendeki osiloskop'taki ADC 8 bit örnekleme yaparken (değişik ölçüm hileleri ile benim osiloskop effektif olarak 12 bit örnekleme elde edebiliyor, ama ADC kesinlikle 8 bit), ortalama multimetrelerdeki ADC EN AZ 16 bit ile örnekleme yapar. Hatta benim kullandığım multimetrelerde bu 20 bit veya üstü de olabilir. 8 bit ile örnekleme yapan bir ADC'den nasıl daha iyi bir sonuç alınabilir?

 

[taydin]

Prob zayıflatması farklı. Giriş gerilimini 10 kat azaltıp, ekranda 10 kat büyüklükte görürsün.
Prob toleransı doğrultusunda biraz daha hata payı olabilir sorun değil.
Bu okuma digital osiloskoplarda ekrandan yapılmaz. Vertikal amplifier vasıtası ile yapılır. Dolayısı ile insan unsuru biraz daha ortadan kaldırılmış olacaktır.

"Ekrandaki bilgi üzerinden" derken, osiloskobun grafik kartının RAM'inden okuma yapıyor anlamında demedim. Dijital osiloskop, girişteki sinyali örnekler ve osiloskobun içinde bulunan çok hızlı bir RAM belleğe yerleştirir. Başka bir ASIC de bu RAM bellekteki bilgileri alır ve ekranda görüntüler. Osiloskop herhangi bir ölçüm yapacağı zaman, bu çok hızlı RAM bellekteki örneklenmiş veriler üzerinde ölçüm yapar. Ama işte bu verilerin de TAMAMI üzerinde değil, sadece ekranda görünen kısmı üzerinde ölçüm yapar.

Dijital osiloskobun doğru bir şekilde AC voltaj ölçebilmesi için en az bir tane maksimum ve bir tane minimum'un ekrande görünmesi lazım. Mesela 2Vrms 1 KHz sinyal ölçüyorsun, ama time base 10 ns de, o zaman ekranda düz bir çizgi görürsün ve osiloskop 0 Vrms ölçer. Aynı şekilde doğru frekans ölçümü için de belli sayıda dalgalanma görmesi lazım.

Eğer ölçümler direkt vertical amplifier çıkışından yapılıyor olsaydı, hangi yatay ve dikey kademede olduğunun bir önemi olmazdı ve her zaman doğru ölçümün yapılması gerekirdi. Benim gelecek olan Tektronix 2465B senin dediğin gibi vertikalden ölçerek çalışıyordur ama, çünkü verilerin saklandığı bir hafıza yok

Çok üst seviye ve özel multimetreler haricinde 10Mohm empedanslı voltmetre tanımadığım için bu konuda yorumda bulunmayacağım.
Ancak şöyle bir iddia konuya renk katabilir.
1 metre uzunluğunda bir markoni anten tahayyül edelim. Bu anten üzerinde 200Hz lik bir gerilim indüklemesi yapalım.
İndüklenen bu gerilimi herhangi bir osiloskop ile rahatlıkla ölçebileceğimizi düşünüyorum. İdeal ölçü aleti spectrum analizerler olsa da bunlara değinmeyelim.
Ancak piyasadaki hiçbir AC voltmetre ile doğru bir ölçüm yapılamadığı gibi, ölçüm bile yapılamayacaktır.

Valla UT139C'nin giriş empedansı tüm AC ve DC kademelerinde 10 MΩ olduğu belirtiliyor. Kendim ölçmedim, belki bazı ali cengiz oyunları yapıyorlardır, onu bilemem. Ama şu kesin, bir multimetrenin giriş empedansı frekansla birlikte hızla azalacaktır.

 

[taydin]

Hmm şimdi baktım birisi ölçmüş.

Review of UNI-T UT139C

Tüm ACV ve DCV kademelerinde 10 MΩ. Ama ACmV ve DCmV kademelerinde voltajla beraber azalan bir giriş empedansı sözkonusu. 2V'a kadar 10 MΩ, 2V - 12V arası 100 KΩ, 12V'tan sonrası 2 KΩ diyor. Demekki mV kademelerini kullanırken dikkat etmek lazım. Ama açık söyleyeyim, o ayrı mV kademelerini ben şimdiye kadar hiç kullanmadım. Standart DCV kademesinin yaptığı mV ölçümü bana yeterli geldi şimdiye kadar. Herhalde bu özel mV kademesi daha yüksek çözünürlük sunuyor, veya başka bir avantajı olabilir. Ama mV ölçmek için mV kademesini seçmene gerek yok. DCV ile de mV ölçüm yapılıyor.

Frekans ile empedans artışı da tamamen giriş katının kaçak kapasitesi ile ilgili. Örneğin 15 pF lık bir kaçak kapasite varsa, 10 MHz'de giriş empedansı 1 KΩ olur. 100 MHz'de 100 Ω olur. Ama senin verdiğin örnekteki 200 Hz de empedans etkilenmez, dolayısıyla multimetre bu sinyali daha iyi ölçer. İyi bir multimetre, 10 µV ölçebilir, ama bir osiloskop kesinlikle bu seviyedeki bir sinyali ölçemez. 1 mV dan aşağı sinyalleri ölçmek neredeyse imkansızdır. Ama bir spektrum analizör 10 µV ölçebilir.

 

[taydin]

O cihazin şeması da var internette, onu hemen alıp bir kenara koymak lazım Artık hiçbirşey'in şeması bulunmuyor.