Měření kolem nás (28)
Orbit Merret, spol. s r. o | www.orbit.merret.cz
Osciloskopy – 2
Spolu se zvyšující se komplikovaností a automatizací různých řídicích systémů se zvyšují i nároky na měřicí techniku, kam patří také osciloskopy. Propojení výpočetní techniky (logické signály) a měřicích sond vyžaduje komplexní přístroje, které dokáží zpracovat různorodé druhy signálů.
Typy osciloskopů
Kritérií pro zařazení osciloskopů do kategorií je mnoho, protože se jedná o komplexní a v digitální podobě kombinované přístroje. Proto vybíráme reprezentativní kritéria.
Analogový osciloskop
Mezi jedny z nejstarších zástupců patří analogový osciloskop (CRO, cathode-ray oscilloscope). Ten pracuje na principu vakuové obrazovky (CRT) s elektrostatickým vychylováním, kdy měřené napětí je přivedeno na horizontální vychylovací desky. Dále je na vertikální vychylovací desky přiveden pilový signál z časové základny (obr. 1).
Obr. 1. Časová základna
Tím je dosaženo, že se na obrazovce vykreslí průběh napětí. Analogové osciloskopy jsou stále vyráběny díky nižší pořizovací ceně oproti digitálním osciloskopům a také díky tomu že zobrazují skutečný průběh napětí.
Se zlepšováním vlastností digitálních osciloskopů se výrazně snižuje zájem o analogové. Výhodou analogových osciloskopů je, že zobrazují skutečný signál v reálném čase a signál není zkreslen A/D převodem. Nevýhodou je obtížné zpracování naměřených hodnot a problém se sledováním málo častých jevů, nemá-li osciloskop paměťovou obrazovku.
Digitální osciloskop
Digitální osciloskopy pracují na odlišném principu oproti analogovým. Analogový signál je upraven a přiveden na A/D převodník který signál převede do digitální podoby a předá jej mikrokontroléru, který jej uloží do paměti, z které je výsledný průběh zobrazen nejčastěji na LCD displeji. Tato konstrukce umožňuje zobrazit i neperiodické průběhy a také je možné obraz zastavit, lépe analyzovat, či zpracovávat, navíc digitální osciloskopy mají i různé matematické funkce jako například FFT (Fast Fourier Transformation), nebo jsou vybaveny logickými analyzátory.
Výhodou digitálních osciloskopů je paměťová schopnost, snadné zpracování naměřených hodnot, pohodlnější obsluha, možnost automatizace měření a snadno realizovatelné další funkce (např. spektrální analýza). Nevýhodou je, že při špatném nastavení může osciloskop ukazovat zcela chybné výsledky.
V podstatě jde o podobný problém, který jsme zmínili v článku o senzorech. V oboru digitalizace je alfou a omegou vzorkovací frekvence. Měla by být dvojnásobná oproti frekvenci (času) jevu, který chceme zkoumat. Pokud tedy chceme zkoumat rychlé přechodové jevy, potřebujeme vysokou vzorkovací frekvenci. Ale má to háček: vysoké množství hodnot musí být rychle zapsáno do paměti. A paměť musí být hodně velká. A rychlá. To klade nároky na sběrnici, která propojuje vstup s procesorem a pamětí.
Obr. 2. Schéma analogového osciloskopu
Digitální paměťové osciloskopy (Digital storage oscilloscopes, DSO)
Jde o základní typ digitálních osciloskopů s výše popsanými klady a zápory.
Digitální dosvitové osciloskopy (Digital phosphor oscilloscopes, DPO)
Od DSO se liší způsobem zpracování signálu (paralelní oproti sériovému), které umožňuje zachytit i krátké přechodové děje, což byla dříve výsada analogových osciloskopů (více dále viz Rychlost měření).
Osciloskopy pro smíšené signály (Mixed signal oscilloscopes, MSO)
Kromě běžných analogových vstupů mají i vstupy digitální a zastanou tak funkci digitálního osciloskopu i logického analyzátoru. Snadno tak lze u měřeného zařízení současně sledovat např. analogové výstupy čidel a digitální signály sběrnic, které lze dekódovat a využívat ke spouštění. Běžné jsou 2 analogové a 16 digitálních vstupů. Samostatné logické analyzátory mají až stovky (výjimečně tisíce) vstupů.
Osciloskopy pro smíšené domény (Mixed domain oscilloscopes, MDO)
Jde vlastně o osciloskopy pro smíšené signály, doplněné o funkci spektrální analýzy. To je zvlášť užitečné pro oblast rádiových systémů. Na jednom místě tak máme časově korelovaný pohled na analogové i digitální signály a frekvenční spektrum.
Digitální vzorkovací osciloskopy (Digital sampling oscilloscopes, DSA)
V konstrukci se liší od jiných digitálních osciloskopů tím, že vertikální zesilovač není na vstupu, ale naopak až za vzorkovacím obvodem. Na jedné straně nám tedy vstupní zesilovač neomezuje šířku pásma, ale na druhé straně nelze měnit vstupní citlivost. Vzorkovací obvod tak musí zvládnout celý vstupní rozsah napětí a ten je proto obvykle omezen na 1 V (špička-špička) na rozdíl od běžných digitálních osciloskopů s rozsahem až 100 V. Tyto osciloskopy nachází uplatnění ve vysokofrekvenční oblasti v řádu až desítek GHz.
USB osciloskopy
Osciloskopy využívající PC se dnes běžně označují jako tzv. USB osciloskopy (občas lze narazit i na modely, které se připojují na paralelní port). Výhodou USB osciloskopů jsou malé nároky na prostor, snadné další zpracování výsledků měření na počítači, velký displej (monitor k PC) a nízká cena. Nevýhodou USB osciloskopů je kromě potřeby PC také nutnost vše nastavovat softwarově.
Obrovskou výhodou je však přenos dat do počítače, kde lze dále provádět analýzy a zpracování pomocí nejrůznějšího specializovaného SW.
Pro záznam lze také využít populárních komponent (např. Arduino) – zde jsou však limity dané použitými technologiemi (sondy, převodníky, frekvence, přesnost).
Zdroje
[1] Wikipedia
[2] https://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_ soubor_verejne.php?file_id=88256
[3] http://www.elektroraj.cz/2014/12/10/jak-vybrat-osciloskop/
[4] https://teledynelecroy.com/oscilloscope/labmaster-10-zi-a-oscilloscopes
[5] www.keysight.com/en/pcx-2935671/infiniium-uxr-series-real-time-oscilloscopes