Analogový, nebo digitální osciloskop?
 | |||
| Měření a měřicí přístroje Analogový, nebo digitální osciloskop? Ing. Lubomír Harwot, CSc., Na otázku, zda je výhodnější pozorování signálů analogovým nebo digitálním osciloskopem, určitě není jednoduchá odpověď. Jsou-li požadovány výstupy na tiskárnu (funkce HardCopy) nebo počítač (rozhraní USB, RS-232, GPIB), popř. matematické zpracování a automatické měření vybraných parametrů na průběhu připojeném k osciloskopu, je nutné k měření použít „velmi kvalitní„ digitální osciloskop. Takovýto osciloskop se vyznačuje kromě speciálních funkcí také vysokou cenou.  Jestliže uživatel klade důraz na reálné a pravdivé zobrazování neznámých signálů a nepožaduje komunikaci s prostředím, je vhodnější osciloskop analogový. V současné době je na trhu velmi široká nabídka „základních„ digitálních osciloskopů mnoha výrobců. Před A/D převodníkem digitálního osciloskopu jsou instalovány analogové obvody jako u analogového osciloskopu. Za tímto převodníkem jsou vzorky „pouze„ zpracovány a podle kvality osciloskopu jsou podrobeny matematické analýze, měření atd. Jsou-li analogové obvody navrženy nesprávně (výrobce s jejich konstrukcí nemá zkušenosti), nelze za A/D převodníkem získat požadované objektivní údaje. Například velmi častým parametrem udávajícím kvalitu digitálního osciloskopu u mnoha výrobců je rychlost vzorkování. Jestliže výrobce udává vzorkovací rychlost např. 1 GS/s (S/s – vzorek za sekundu) při velikosti paměti 2 kB, neznamená to, že vzorkování v celém rozsahu časové základny probíhá stejnou rychlostí. Lze říci, že v některých případech klesá až na několik kilohertzů, a signál je tedy rekonstruován z několika málo bodů. Platí totiž vztah:  Se zvětšováním časového měřítka (nastavení časové základny čas/dílek) se snižuje rychlost vzorkování a následně se zmenšuje i šířka pásma osciloskopu. Reálná rychlost vzorkování souvisí také s tím, že osciloskop je navržen tak, aby měl gaussovský frekvenční průběh s velmi plochým poklesem amplitudy Gaussovy křivky (nemá tedy filtr omezující vysoké kmitočty). Pravdivé zobrazení frekvenčně neomezeného signálu připojeného ke vstupu osciloskopu je v rozporu se vzorkovacím teorémem o frekvenčně omezeném signálu, konečném počtu vzorků, rychlosti odběru vzorků a rekonstrukci neznámého průběhu.  Pokud tedy digitální osciloskop nemá dostatečnou kapacitu paměti a velmi rychlé vzorkování je složité rekonstruovat signál připojený k osciloskopu bez ztráty informace. Je proto vhodnější použít osciloskop analogový. Analogové osciloskopy AMT měřicí technika má v základní nabídce analogové i digitální osciloskopy (výrobce EZ Digital, dříve GoldStar a LG Precision, který má s výrobou osciloskopů bohaté zkušenosti). Základní řadu analogových osciloskopů tvoří modely s šířkou pásma DC až 100 MHz, dvou- nebo čtyřkanálové, což je pro zobrazení většiny průběhů dostačující (OS 5020, OS 5020G, OS5100, OS 5100RA atd.). Na obr. 1 je typ OS 5100RA, který má čtyři kanály a pracuje v kmitočtovém pásmu do 100 MHz. U signálů s vyšším kmitočtovým pásmem je většinou požadováno speciální zpracování v časové ose nebo zobrazení ve frekvenční oblasti (spektrální analýza). Analogové osciloskopy EZ Digital mají obvykle obrazovku s luminoforem P31, který je jasný, odolný proti propálení a má vysoký „fotografický jas„. Urychlující napětí od 2,1 do 11,5 kV zaručuje jasné zobrazení i při nastavené rychlé časové základně s lupou. Vzhledem k tomu, že přístroje tohoto výrobce se k měřením používají již několik let, lze (statisticky) konstatovat, že jsou spolehlivé, málo poruchové a v poměru technických parametrů, spolehlivosti a ceny velmi výhodné. Digitální osciloskopy Společnost EZ Digital (AMT měřicí technika je výhradním distributorem) rozšířila nabídku osciloskopů také o digitální přístroje.
Řada digitálních osciloskopů DS 1100 zahrnuje šest modelů s šířkou pásma DC až 250 MHz. Na obr. 2 je osciloskop DS 1150 s kmitočtovým pásmem do 150 MHz, pamětí 32 kB a rozhraním USB, RS-232 a Centronix. Přístroje jsou dvoukanálové v monochromatické nebo barevné verzi. Ovládání osciloskopů a vybrané funkce se nastavují z menu umístěného v levé části displeje. Osciloskopy jsou vybaveny pamětí 32 kB, v reálním čase vzorkují rychlostí 200 MS/s, popř. 25 GS/s. Komunikují s okolním prostředím s využitím RS-232, USB a Centronix (SPP – standardní paralelní port). Přímým tiskem – funkce HardCopy – lze tisknout na běžné tiskárně s paralelním rozhraním informace uvedené na stínítku přístroje. Možnosti použití osciloskopů řady DS 11xx rozšiřují speciální funkce, které jsou součástí standardní výbavy. Matematické operace jsou rozděleny do dvou částí. Základní aritmetické umožňují součet, rozdíl a inverzi kanálů. Pokročilé funkce zahrnují analýzu FFT (Fast Fourier Tranformation – rychlá Fourierova tranformace) a měření v tolerančním poli. Na obr. 3 je uveden výpis obrazovky osciloskopu při měření v předem nastaveném tolerančním poli při zvolených hraničních podmínkách. Dosáhne-li signál předem nastavené hranice, je nebo není zastaveno vzorkování (podmínku určuje uživatel). Ve zmiňovaném případě byla nastavena podmínka zastavení vzorkování a signál připojený k osciloskopu uvedl po dosažení hraniční podmínky přístroj do stavu se zastaveným vzorkováním – STOP. Na obr. 4 je výpis průběhu a jeho analýza FFT, která může být vypočítána ve třech základních režimech nastavení. Kromě osciloskopů nabízí EZ Digital prostřednictvím AMT měřicí technika také generátory funkcí, ruční a stolní digitální multimetry, čítače, laboratorní zdroje apod. Bližší technické informace jsou uvedeny na www.amt.cz, popř. www.amtcz.cz nebo v katalozích u výhradního distributora AMT měřicí technika, spol. s r. o. | |||
Digitální osciloskopy umožňují přímé měření na zobrazeném průběhu (současně může být reálně měřeno až pět parametrů), popř. odečítání pomocí vertikálních a horizontálních kurzorů. Na obr. 5 je zobrazen průběh s nastavenými časovými kurzory (vzdálenost mezi kurzory je 3,6 ns). Osciloskopy jsou vybaveny speciálními obvody pro zachycení nespojitostí 10 ns a vnitřní pamětí pro uchování nastavení přístroje a průběhů – pamětí je celkem deset. Na obr. 6 je zachycen reálně měřený průběh a jeho vybraná část uložená v paměti číslo 9. Průběh uchovaný v paměti lze standardně vypnout nebo zobrazit na displeji. Zobrazením dalšího průběhu z obrazové paměti je předešlý průběh přepsán. V pravé části displeje je uvedena úroveň spouštění, v horní vodorovné části displeje je bod spouštění (opět uživatelem nastavitelné LEFT, RIGHT, CENTER a plynule). Odběr vzorků (Acquire), nastavení displeje LCD (kontrast, mřížka a dosvit), jakož i informace o osciloskopu (Utility) jsou řešeny standardním způsobem. Funkce Calibrate umožňuje po odpojení signálů kalibraci vnitřních obvodů přístroje. Rozhraní USB je velmi rychlé, s okamžitou odezvou v reálním čase. Software, který je součástí dodávky, dovoluje načtení průběhu zobrazeného na stínítku osciloskopu nebo v režimu RUN a jeho reálné zobrazení. V reálném čase lze osciloskop nastavovat z panelu přístroje nebo pomocí příslušného programu z počítače. Průběhy přenesené do počítače je možné dále analyzovat, uchovat je na pevném disku počítače s možností zpětného vyvolání, v časové ose používat lupu. Rozhraní USB bylo úspěšně testováno pod operačními systémy Windows 98 a Windows XP.