Osciloskopy – 1

Měřicí přístroje mají ve velké většině jeden velký problém: měří veličinu, většinou jen jednu. Výstupem je pak číselná hodnota. Ale jak změřit rychlé a dynamické děje? Jak zachytit ty děje, které se neopakují? Částečně to umožňují digitální měřicí přístroje, které jsou doplněny o paměť. Ale ty pravé ořechové měřicí a analytické možnosti přišly až s osciloskopy.

Definice

Energie, kmitající částice a další neviditelné síly jsou všude v našem fyzickém vesmíru. Senzory projevy těchto sil převádějí na elektrické signály, které lze pozorovat a studovat pomocí osciloskopu. Osciloskopy umožňují „vidět“ události, ke kterým dochází ve zlomku sekundy. Přesněji řečeno, osciloskop je elektronický měřicí přístroj s obrazovkou vykreslující časový průběh měřeného napěťového signálu. Osciloskopy tedy měří průběhy napětí.

Od ostatních měřicích přístrojů se liší především schopností zobrazit průběh signálu v čase. Výstupem tedy není hodnota, ale její průběh, většinou v čase. U některých typů osciloskopů zobrazený výsledek nemusí být vztažen k času (viz MDO níže).

Historie

Ruční záznam

Nejstarší metodou vytváření obrazu křivky byl pečlivost a čas vyžadující a namáhavý proces měření napětí nebo proudu rotujícího rotoru v konkrétních bodech kolem osy rotoru a zaznamenávání měření provedených galvanometrem. Pomalým postupováním kolem rotoru lze nakreslit obecnou stojatou vlnu na grafický papír zaznamenáním stupňů rotace a síly měřiče v každé poloze.

Tento proces částečně automatizoval Francouz Jules François Joubert pomocí své podrobné metody měření tvaru vlny. Ta využívala speciálního jednokontaktního komutátoru připojeného k hřídeli rotoru. Kontaktní bod se mohl pohybovat kolem rotoru na přesné stupnici ukazatele úhlu. Výstup (napětí) se odečetlo na galvanometru, podle kterého pak technik vynášel hodnotu do podoby grafu. Tento proces dokázal vyprodukovat pouze velmi hrubou aproximaci křivky, protože se formoval po dobu několika tisíc vlnových cyklů, ale byl to první krok ve vědě o zobrazování křivek.

Automatický oscilograf (záznam na papír)

První automatizované oscilografy používaly galvanometr k pohybu pera přes svitek nebo buben papíru a snímaly vlnové vzory na nepřetržitě se pohybující svitek. Vzhledem k relativně vysokofrekvenční rychlosti křivek ve srovnání s pomalou reakční dobou mechanických součástí nebyl obraz křivky nakreslen přímo, ale byl vytvořen za určitou dobu kombinací malých kousků mnoha různých křivek a tak byl vytvořen průměrný tvar.

Na této metodě bylo založeno zařízení známé jako Hospitalier Ondograph. Automaticky nabíjel kondenzátor z každé 100. vlny a akumulovanou energii vybíjel přes záznamový galvanometr. Každý následný náboj kondenzátoru byl odebírán z bodu o kousek dále (v průběhu vlny). Taková měření tvaru vlny byla stále průměrováním mnoho stovek vlnových cyklů, ale byla přesnější než ruční oscilogramy.

Automatický oscilograf (záznam na film)

Aby bylo možné přímé měření tvarů vln, bylo nutné, aby záznamové zařízení používalo měřicí systém s velmi nízkou hmotností, který by se mohl pohybovat dostatečnou rychlostí, aby odpovídal pohybu skutečně měřených vln. To bylo dosaženo vývojem oscilografu s pohyblivou cívkou od Williama Duddella, který je v moderní době také označován jako zrcadlový galvanometr. Rychlá odezva byla dosažena redukcí měřicího zařízení na malé zrcadlo, které se mohlo pohybovat vysokou rychlostí tak, aby odpovídalo tvaru vlny. Pro záznam tvaru vlny se používal buď diapozitiv, který byl vhozen za okénko, kterým vycházel světelný paprsek, nebo se za clonou posouval kontinuální filmový pás, na který byl průběh vlny v čase světlem zaznamenán. Přestože měření byla mnohem přesnější než u papírových oscilografů, stále ještě bylo co zlepšovat především z pohledu komfortu obsluhy – u filmového materiálu bylo riziko jeho znehodnocení světlem a exponované filmy bylo před jejich vyhodnocením nutno vyvolat.

Filmový pás z automatického oscilografu

CRT

Převratem v přístupnosti osciloskopů bylo využití obrazovky, kterou starší z nás pamatují v televizorech – CRT (cathode ray tube) neboli katodová trubice, která byla využívána překvapivě brzy po svém objevení.

Katodové trubice byly vyvinuty koncem 19. století. V té době byly trubice určeny především k demonstraci a zkoumání fyziky elektronů (tehdy známých jako katodové paprsky). Karl Ferdinand Braun vynalezl osciloskop CRT jako fyzikální kuriozitu již v roce 1897 aplikací oscilačního signálu na elektricky nabité deflektorové desky ve fosforem potaženém CRT. První katodové trubice byly experimentálně využity pro laboratorní měření již v roce 1919, ale trpěly špatnou stabilitou vakua a katodových zářičů. První duální paprskový osciloskop byl vyvinut na konci 30. let britskou společností A. C. Cossor (později koupenou společností Raytheon). Toto CRT nebyl skutečný typ s dvojitým paprskem, ale používal se dělený paprsek vytvořený umístěním třetí desky mezi vertikální vychylovací desky. Během druhé světové války bylo toto řešení široce používáno pro vývoj a servis radarového zařízení. Ačkoli byl tento typ, využívající CRT, velmi užitečný pro zkoumání výkonu pulzních obvodů, nebyl kalibrován, takže nemohl být použit jako měřicí zařízení. Byl však užitečný při vytváření křivek odezvy obvodů IF a v důsledku toho velkou pomocí při jejich přesném vyladění.

CRT s dlouhou výdrží, někdy používané v osciloskopech pro zobrazování pomalu se měnících signálů nebo jednorázových událostí, používaly fosfor, který obsahoval dvojitou vrstvu. Vnitřní vrstva fluoreskovala z elektronového paprsku jasně modře a její světlo budilo fosforeskující „vnější“ vrstvu přímo viditelnou uvnitř obálky (baňky). Tato vrstva „uložila“ světlo a po desítky sekund ho uvolňovala v podobě nažloutlého světla s klesající intenzitou jasu. Tento typ fosforu byl také použit ve starších radarových analogových displejích PPI CRT (rotující radiální světelná lišta). Ty lze vidět ve filmech, počítačových hrách a v některých televizních scénách o počasí.

Pak už na scénu rychle nastoupily analogové a digitální osciloskopy v podobách blízkých tomu, co známe dnes.

Analogové osciloskopy

Využitím CRT vznikly analogové osciloskopy (viz dále). Jejich hlavní výhodou bylo a je že zobrazují skutečný průběh napětí bez zkreslení vzorkováním a převodem v převodníku A/D.

Digitální osciloskopy

První digitální paměťový osciloskop (DSO) sestrojila firma Nicolet Test Instrument z Madisonu ve Wisconsinu. Použil nízkorychlostní analogově-digitální převodník (1 MHz, 12 bitů) používaný primárně pro analýzu vibrací a lékařskou analýzu. První vysokorychlostní DSO (100 MHz, 8 bitů) vyvinul Walter LeCroy, který založil společnost LeCroy Corporation v New Yorku v USA poté, co vyrobil vysokorychlostní digitizéry pro výzkumné centrum CERN ve Švýcarsku.

Zdroje
[1] Wikipedia
[2] www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_ soubor_verejne.php?file_id=88256
[3] www.elektroraj.cz/2014/12/10/jak-vybrat-osciloskop/
[4] teledynelecroy.com/oscilloscope/labmaster-10-zi-a-oscilloscopes
[5] www.keysight.com/en/pcx-2935671/infiniium-uxr-series-real-time-oscilloscopes

Měření kolem nás (26) - Digitální měřicí přístroje – 3