Osciloskopy – 3

Přes různorodost osciloskopů existuje určitá sada parametrů, která osciloskop charakterizuje. Na úspěšném měření se podílí také sondy, přivádějící signál do osciloskopu. A jaké jsou ty nejvýkonnější osciloskopy?

Základní parametry osciloskopů U osciloskopů existuje podle typu a použití mnoho různých parametrů, ale mnoho z nich je společných a dávají náhled na kvalitu přístroje. Stejně jako ve fyzice ani v měření není nic ideální. Vysoký výkon na jedné straně je vykoupen jinými parametry, které musí být nižší. A cena za vysoký výkon je pak samozřejmě až v první řadě.

Počet měřicích kanálů

Lze si vystačit i s jedním kanálem, je ale škoda se takto omezit. Dá se říci, že dva kanály jsou dnes standard i u levnějších osciloskopů. Osciloskopy MSO a MDO mají běžně několik analogových a i několik desítek digitálních vstupů.

Vstupní impedance

Vstupní impedance ovlivňuje měřený obvod. Nízkofrekvenční osciloskopy (do 10 MHz) mají odpor standardně 1 MΩ a paralelně kapacitu do 25 pF. Vysokofrekvenční mají odpor 50 Ω. Pro správné impedanční přizpůsobení se přivádí signál na vstup osciloskopu přes sondu. Sondy mohou být dodávány s osciloskopem.

Vstupní citlivost (Sensitivity)

Určuje v podstatě rozsah měřitelných (resp. zobrazitelných) napětí a udává se ve V/dílek (V/div), např. 1 mV/div až 10 V/div. Osciloskop má udáno i maximální vstupní napětí. Vyšší napětí lze měřit pomocí vysokonapěťové sondy.

Šířka pásma (Bandwidth)

Definuje rozsah frekvencí (Hz), které projdou vstupními obvody osciloskopu s poklesem maximálně 3 dB. Všeobecně je doporučeno, aby byla šířka pásma nejméně 2× větší, než nejvyšší frekvence, které chceme měřit. Při měření signálů s ostrými hranami by měla být ale šířka pásma mnohokrát vyšší, jinak dochází k výraznému zkreslení (prodloužení hran).

Spouštění časové základny (Triggering)

Jako signál pro spouštění lze použít síťovou frekvenci, vstupní signály i externí signál. Je možné nastavovat spouštěcí úroveň, spouštění náběžnou nebo sestupnou hranou. Osciloskop může mít ještě druhou časovou základnu (ČZ) umožňující podrobnější zkoumání vybraného úseku průběhu.

Základní režimy spouštění jsou:
AUTO – generátor ČZ se spouští automaticky,
NORM – ČZ se spustí při nastavené úrovni měřeného signálu.

U digitálních osciloskopů se nabízí další možnosti spouštění. Může jít např. o několikastupňové spouštění nebo popudem ke spuštění může být výsledek matematické operace.

Další parametry se týkají jen digitálních osciloskopů.

Vertikální rozlišení (Vertical Resolution)

Jde o rozlišení vstupního A/D převodníku. Běžné je 8 bitů. Čím více bitů, tím lépe, neboť lze rozlišit menší rozdíly vstupního signálu.

Vzorkovací frekvence (Sampling Rate)

Teoreticky musí být vzorkovací frekvence minimálně 2× vyšší, než nejvyšší měřená frekvence, ale v praxi se používá 3× až 10× vyšší. Udává se v počtu vzorků za sekundu (obvykle S/s nebo Sa/s) zvlášť pro oba režimy vzorkování – v reálném čase nebo v ekvivalentním čase (jen pro periodické signály).

Rychlost měření (Waveform updaterate nebo Wafeform capturerate)

Narozdíl od analogových osciloskopů digitální osciloskop signál navzorkuje a začne jej zpracovávat. Během této doby je „slepý“ a jeho tzv. mrtvá doba může být i velmi dlouhá. Pokud se v signálu vyskytne občas krátká špička, existuje pravděpodobnost (někdy velmi vysoká), že ji digitální osciloskop vůbec nezaznamená a nebude tak na obrazovce zobrazena. Analogový osciloskop by ji ale díky dosvitu obrazovky zobrazil jako tenkou postupně doznívající stopu. Tento problém se snaží řešit digitální dosvitové osciloskopy (viz výše), které mají řádově vyšší rychlost měření oproti běžným digitálním osciloskopům. Rychlost měření se udává v počtu zobrazených průběhů za sekundu (wfms/s nebo wfm/s).

Hloubka (délka) paměti (Memory Depth)

Čím větší, tím více vzorků lze uložit a podrobněji prohlížet delší časové úseky signálu. Velikost paměti pro 1 milion vzorků se udává např. jako 1M, 1MS, 1MSa nebo 1Mpts.

Sondy

Důležitou součástí měřicího obvodu při měření osciloskopem je sonda. V zásadě umožňuje uživateli měřit napětí na libovolné svorce nebo vodiči a zobrazit tvar vlny. Obvykle obsahuje hrot jehly, který je schopen dostat se na těsné místo, aniž by došlo ke zkratu na jiný kolík, drát nebo uzemněný povrch. Může být vybavena různým příslušenstvím pro zvláštní situace, např. háčkem, odpruženým nástavcem, který se připne na drát nebo vybrané místo a zůstane na svém místě.

Na první pohled se může zdát nevýznamná, ale opak je pravdou. Sonda slouží k propojení vstupu osciloskopu s místem, kde se nachází signál – spoj na desce plošných spojů, konektor, kontakt součástky apod. Sonda významně ovlivňuje zkreslení signálu – např. pokud se jedná o signál s vysokou frekvencí, může i malý ohyb na kabelu sondy vést ke zkreslení. Hrot sondy vychází z izolovaného těla sondy, které slouží jako rukojeť a obsahuje také komponenty a obvody specifické pro typ sondy. Z druhého konce těla sondy vychází kabel BNC, který se připojuje ke vstupu analogového kanálu a přenáší signál do osciloskopu. Z těla sondy vychází také zemnící zpětný vodič vybavený krokosvorkou.

Nejběžnější sondou osciloskopu je pasivní sonda 10 : 1, která je ideální pro většinu aplikací. Označení 10 : 1 označuje, že sonda zeslabuje signál faktorem 10. Sonda u 100 V signálu způsobí, že se na vstupu osciloskopu objeví 10 V. U většiny přístrojů osciloskop snímá útlum sondy a zobrazuje skutečné napětí.

Je třeba poznamenat, že impedance sondy se mění s frekvencí měřeného signálu, dokonce i pro kompenzované sondy. Při nízkých frekvencích je impedance typické pasivní sondy 10 MΩ. Při 1 MHz impedance klesá na přibližně 17,4 kΩ. Při 100 MHz je to pod 200 Ω. Je třeba si také uvědomit, že jakýkoliv vodič přidaný ke špičce sondy nebo zemnící vodič přidává indukčnost a indukčnost vedení může způsobit překmit signálu.

Zemnící vodič by měl být co nejkratší a udržován rovně. Při vysokých frekvencích je dokonce i mírné ohnutí ekvivalentní části indukční cívky a zvýšená indukční reaktance způsobuje větší než zamýšlený útlum.

Kompenzace zahrnuje více metod – od minimalizace délky vodičů přes minimalizaci ohybů a zvlnění vodiče až po výpočet a realizaci konkrétní kompenzace pro konkrétní signál.

Zajímavost

Pan LeCroy (viz výše) si vybral výnosný obor. Rozhodně následující řádky nechtějí dělat reklamu nějaké firmě, ale pro představu, co je to výkonný osciloskop a kolik stojí lze uvést, že zřejmě nejvýkonnější (listopad 2020) model Teledyne LabMaster 10 Zi-A má šířku pásma až 100 GHz, až 80 vstupních kanálů, zvládne až 240 GS/s a do paměti zapíše až 1024 milionů vzorků za sekundu. Stojí 900 tisíc dolarů, což představuje téměř 21 milionů korun.

Lze si však koupit ještě výkonnější mašinku. Osciloskop Keysight UXR se od předchozího liší především schopností zpracování signálu v reálném čase se vzorkováním 110 GHz a rozlišením 10 bit. Zdá se to směšné, o dva bity víc než u Teledyne. Ale vynásobte si dva bity navíc rychlostí zápisu 256 miliard vzorků za sekundu, je důležité podotknout, že tohle umí pro všechny čtyři kanály, takže se dostáváme do takřka obludných velikostí paměti a neuvěřitelných rychlostí zápisu v celém objemu paměti. K tomu rychlý procesor, sběrnice, grafika. Tenhle přístroj si lze pořídit za pohodových 1,2×10⁶ amerických dolarů. U nás by to bylo 37 milionů Kč.

Zkušený čtenář si určitě uvědomí, že se jedná o ceny základní, protože konfiguraci obou přístrojů lze široce měnit a doplňovat.

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

Měření kolem nás (28)