Osciloskopy Osciloskop je měřicí přístroj, který slouží ke grafickému zobrazení el. signálu v závislosti na čase a určení jeho velikosti. Dělí se na analogové osciloskopy a osciloskopy s číslicovou pamětí (číslicové osciloskopy). Analogové osciloskopy upraví vstupní signál analogovými obvody (změní jeho velikost a zobrazí ho na stínítku obrazovky). Číslicové osciloskopy signál digitalizují pomocí A/Č převodníku, kódované hodnoty uloží do paměti vzorků. Kromě zobrazení signálu na obrazovce nebo displeji mají možnost ho vytisknout na tiskárně. Analogové jsou levnější a snadno ovladatelné, bezprostředně zobrazují měřené veličiny, ale špatně zobrazují pomalé děje. Ke speciálním osciloskopům patří též vzorkovací osciloskopy, paměťové osciloskopy, vysokonapěťové a pomaloběžné osciloskopy. Číslicové umožňují mnoha kanálový současný záznam, záznam signálu před příchodem spouštěcího pulzu a snadné zachycení jednorázových dějů. 1. Analogový osciloskop Základní bloky osciloskopu jsou: zobrazovací zařízení (obrazovka) vertikální kanál horizontální kanál s obvody časové základny a spouštění napájecí zdroj součástí jsou též obvody pro určení počtu zobrazitelných průběhů 2. Blokové schéma analogového osciloskopu Schéma a časové průběhy napětí v důležitých bodech kvalitního osciloskopu ukazuje (obr. 1). Pochopení tohoto obrázku má základní význam pro pochopem činnosti analogového osciloskopu. Osciloskop má dva základní vstupy - vertikální vstup Y a horizontální vstup X (který se využívá pouze, pracuje-li osciloskop v režimu X-Y). Třetí vstup (EXT. TRIG) (vnější spouštění, angl. extemal triggering) se používá pro připojení vnějšího spouštěcího signálu, je-li měřený signál příliš slabý pro generování spolehlivého signálu pro vnitřní spouštění. 1/14
Obr. 1 Blokové schéma osciloskopu a časové Průběhy v různých místech osciloskopu Na vstup Y se přivede měřený signál u 1. Jeho stejnosměrnou složku umožňuje odstranit přepínač P1, pokud je přepnut do polohy AC. Velikost signálu se upraví vstupním děličem VD a vertikálním zesilovačem VZ (sestávajícím z předzesilovače PZ a koncového stupně zesilovače KVZ). Výstup vertikálního zesilovače se zpozdí ve zpožďovací lince ZL a přivede se na vertikálně vychylující destičky obrazovky. Soustava právě vyjmenovaných bloků tvoří tzv. vertikální kanál (kanál Y) osciloskopu. Abychom získali časový průběh napětí na stínítku obrazovky, je nutno pohybovat svítícím bodem rovnoměrně zleva doprava současně s vychylováním paprsku ve vertikálním směru, vyvolaným vstupním napětím. Rovnoměrný horizontální posuv svítícího bodu od levého okraje stínítka k pravému okraji zajišťuje pilové napětí generované obvodem nazývaným časová základna ČZ, zesilované horizontálním zesilovačem HZ a přivedené na horizontálně vychylující vychylovací destičky obrazovky. Aby byl obraz stabilní, je časová základna opakovaně spouštěna spouštěcím obvodem SO. Spouštěcí puls u 5, je generován pokaždé, když vstupní napětí spouštěcího obvodu (vnitřní nebo vnější spouštěcí signál) dosáhne tzv. spouštěcí úrovně. V případě vnitřního spouštění je to v okamžiku kdy vstupní signál u 1, dosáhne úrovně ÚS. Elektronový paprsek generovaný katodou obrazovky se vrací na levou stranu obrazovky ihned po dosažení pravé strany obrazovky. Aby během tohoto zpětného běhu paprsku nebyl na stínítku kreslen záznam, propouští se paprsek přes mřížku obrazovky pouze v době tzv. přímé- 2/14
ho běhu časové základny. To zajišťuje napětí u 8, nazývané napětí modulace jasu paprsku. Protože se obvod časové základny rozběhne po příchodu spouštěcího pulsu s určitým zpožděním (t 1 v obr. 1.), musí být vstupní signál také zpožděn, aby se dostal na vertikální vstup obrazovky v době, kdy je paprsek přesouván zleva doprava. Toto zpoždění (t d v obr. 1.) zajišťuje obvod zvaný zpožďovací linka (ZL). Velikost zpoždění je 50 ns až 150 ns. Přepínač P2 slouží k volbě typu spouštění (vnitřním nebo vnějším signálem), přepínač P3 umožňuje volbu režimu X-Y nebo běžného režimu Y-t. 3. Obrazovky U obrazovky jsou elektrody umístěny ve skleněné baňce, jejíž přední stěna, zvaná stínítko, je pokryta luminoforem, který v místě dopadu elektronů září. Podobně jako u všech dříve popsaných vakuových elektronek uzavírá se i obrazovkou tok elektronů, který vystupuje ze žhavené katody (obr. 2). Zaostření elektronů do úzkého svazku zajišťuje mřížka a soustava anod. Katoda, mřížka a anody tvoří tzv. elektronovou trysku obrazovky. Po výstupu z trysky prochází svazek elektronů vychylovacím zařízením a dopadá na stínítko, kde způsobuje sekundární emisi. Sekundární elektrony jsou přitahovány sběrnou elektrodou A s, která je připojena ke kladné svorce stejnosměrného zdroje. Zabraňuje se tím hromadění sekundárních elektronů před stínítkem a následnému zkreslení způsobené srážkami a odrazy elektronů. Katoda je uložena uvnitř tzv. Wehneltova válce, který působí jako řídicí mřížka obrazovky. Svazek elektronů vystupuje z válce malým otvorem umístěným v jeho základně. Potenciometrem P 1 se nastavuje napětí mezi katodou a mřížkou, a tím i průsečík drah elektronů v křižíšti 0, na jehož poloze závisí jas stopy na stínítku. Obr. 2 Systém obrazovky s elektrostatickým vychylováním Vlivem odstředivých sil, které vznikají mezi elektrony, tj. mezi nosiči nábojů stejného znaménka, se svazek rozšiřuje. Koncentraci elektronů do úzkého svazku zajišťují anody připojené na 3/14
kladný potenciál. Elektrostatické zaostřování paprsku vzniká působením osově souměrného elektrického pole anod. Okrajové elektrony, jejichž dráhy nelze upravit, zachycují clony umístěné na první anodě. Na druhou anodu je přiloženo hlavní urychlující napětí. Při správném nastavení napětí anod potenciometrem P 2 je svazek elektronů koncentrován do bodu právě na stínítku. V prostoru mezi elektronovou tryskou a stínítkem prochází soustředěný svazek elektronů vychylovacím systémem, který se skládá ze dvou dvojic vzájemně kolmých destiček. Jedna dvojice je určena pro horizontální vychylování paprsku, druhá pro vertikální. Vlivem napětí přiloženého na destičky vzniká elektrické pole, jehož silové čáry směřují od kladně nabité destičky k záporné. Elektrony vstupují do pole ve směru kolmém na průběh silových čar a jsou proto ze své přímočaré dráhy vychylovány po parabole, která se ohýbá směrem ke kladné destičce (obr. 3). Obrazovek s elektrostatickým vychylováním se používá pro znázornění časově závislých průběhů. Vzhledem k nepatrné kapacitě destiček jsou použitelné do vysokých kmitočtů. Jejich nevýhodou je poměrně značná délka, která je zapotřebí pro větší vychýlení stopy ±15. Při souměrném zapojení destiček se vytváří pomocí odporů elektrický střed a destičky se napájejí přes souměrný zesilovač (obr. 4). U nesouměrného zapojení, běžně používaného u malých osciloskopů, je jedna destička uzemněna a na druhou se přivádí nesouměrné napětí proti kostře (obr. 5). Obvykle bývá anoda a jedna destička připojena ke kostře přístroje, kdežto katoda je na plném záporném napětí. Obr. 3 Výchylka stopy na stínítku Obr. 4 Souměrné zapojení vychylovacích destiček Obr. 5 Nesouměrné zapojení vychylovacích destiček Doba dosvitu stínítka je určena použitým druhem luminoforu a volí se podle použití obrazovky od desetin sekundy do jednotek sekund a využívá se dosvitu (paměťového jevu obrazovky). V praxi se používají asi 3 druhy luminoforů. Částice zasažené elektronovým paprskem vyzařují světlo na všechny strany, aby nedocházelo ke ztrátě světla vyzářeného dozadu, vyrábějí se všechny obrazovky s tenkou hliníkovou vrstvou, která odráží světlo dopředu a zvyšuje jas. Zároveň tato vrstva působí jako chladič, ale způsobuje ztrátu energie 4/14
1 3 kv urychlovacího napětí. Při měření napěťových průběhů osciloskopem je obrazovka vzhledem ke své konstrukci též příčinou chyb měření. V praxi vznikají především tyto problémy: Výchylka paprsku není zcela lineárně závislá na vychylovacím napětí při větších vychylovacích úhlech; relativní chyba kolísá kolem 5 %. Linearitu výchylky je proto nutné kontrolovat při měření. K tomu má většina osciloskopů zabudovaný ruční nebo samočinný amplitudový kalibrátor. Při odečítání výchylky může dojít k paralaktické chybě, pokud se nedíváme kolmo na rastr. Rastr je vzdálen několik milimetrů od stínítka, což působí potíže při čtení naměřených hodnot. Novější osciloskopy bývají vybaveny generátory, které kreslí rastr přímo na stínítko. 4. Vertikální kanál osciloskopu posuv v ose Y Y D C P 1 A VD u 1 C GN D ZL VZ O Obr. 6 Vertikální kanál Vertikální zesilovač Citlivost vychylovacích destiček obrazovky by nestačila k zobrazení většiny napěťových průběhů, které mají v praxi napětí asi od l m V do 600 V. Pro zobrazení i malých napětí potřebujeme zesilovač. Jeho zesílení hodnotíme obvykle společně s působením vychylovacích destiček Y. Vyjadřujeme jej pomocí vertikální citlivosti osciloskopu, tj. napětí, které přivádíme na jeho vstup, aby vznikla výchylka stopy o jednotku délky (např. o l cm nebo o l dílek svislé stupnice). Rozměr citlivosti osciloskopu se udává většinou v mv/d; jde tedy o převrácený rozměr v porovnání s rozměrem statické vychylovací citlivosti obrazovky nebo s rozměrem citlivosti ručkových měřicích přístrojů. Na vertikální zesilovač klademe v praxi značné nároky, neboť určuje kvalitu osciloskopu. Jde zejména o tyto technické požadavky: Zesilovač bude zpracovávat signály s různým napětím, takže napěťový dělič na vstupu musí být nastavitelný přepínačem od poměru l : l až asi do poměru l : 1000. Mimoto je potřebná i plynulá regulace zesílení na jednotlivých rozsazích. Zesilovač musí mít vysoký vstupní odpor v celém používaném pásmu, aby znatelně neovlivňoval měřený obvod. Zapojení vstupu bývá nesouměrné vůči zemi, někdy souměrné i nesouměrné. Zesilovač pracuje ve velmi širokém kmitočtovém pásmu, od stejnosměrného napětí někdy až do stovek megahertzů, přičemž se požaduje vysoké zesílení asi do 5/14
10 000. Tyto požadavky jsou však ve vzájemném rozporu. V praxi se tento problém řeší u kvalitnějších osciloskopů pomocí výměnných jednotek, které pracují buď v užším pásmu s větším zesílením, nebo v širším pásmu s menším zesílením. Útlumová charakteristika zesilovače má vykazovat stálé zesílení až do trojnásobku pracovního rozsahu se zřetelem na věrnost tvarového zobrazení napěťových průběhů. Fázová charakteristika má být lineární a přechodová charakteristika bez zákmitů a s krátkou náběžnou hranou. Výstup vertikálního zesilovače je většinou souměrný. Pokud tomu tak není, je jedna vychylovací destička uzemněna a mění se pouze napětí na druhé destičce. Střední hodnota potenciálu v prostoru mezi destičkami vůči anodě pak není stálá. Následkem toho se zrychluje nebo zpomaluje elektronový paprsek mezi anodou a vychylovacími destičkami, čímž se mění i citlivost vychylovacích destiček. Výsledkem pak je závislost zobrazené okamžité hodnoty signálu i zaostření stopy na poloze elektronového paprsku mezi destičkami. Zpožďovací vedení Spouštěcí signál přivedený na osciloskop a odebíraný ve vertikálním zesilovači spouští časovou základnu, která je normálně v klidu. K tomu se musí v obvodu formování spouštěcích impulzů z vertikálního signálu vytvořit impulz, který spouští generátor pilových kmitů. Zesílený pilový průběh přichází pak na horizontální vychylovací destičky obrazovky. Tyto procesy potřebují jistý čas, a proto bez zpožďovacího vedení ve vertikálním kanálu bychom neviděli hranu vstupního signálu a nešlo by též měření čela impulzů. Velikost zpoždění se pohybuje od 50 do 150 ns. 5. Horizontální kanál osciloskopu Generátor časové základny a synchronizace INT EXT AUTO P 3 GSP NORM úroveň spouštění U s O X DC P 5 AC GND VD u 2 ČZ u 3 t x P 4 u 4 HZ posuv v ose X Obr. 7 Horizontální kanál Horizontální kanál osciloskopu (kanál "X") je tvořen časovou základnou, spouštěcími obvody ( GSP generátor spouštěcích pulzů) pro spouštění časové základny a horizontálním zesilovačem pro zesílení signálu časové základny. Základním blokem kanálu X je časová základna. Je to generátor pilovitého napětí, které slouží pro pohyb světelného bodu. Časově rozvinutý průběh zobrazíme na obrazovce svislým vychylováním paprsku při současném vodorovném vychylování. Požadujeme, aby vodorovné vychylování probíhalo stálou rychlostí. Proto se na horizontální destičky přivádí lineární pilové napětí, které začíná vždy ve stejné fázi měřeného napětí. Z důvodu synchronizace, musí být 6/14
kmitočet pily celistvým násobkem měřeného signálu. Zobrazování probíhá v pozvolném náběhu pily. Strmý tvar pily slouží k zpětnému běhu paprsku a přerušuje se pomocí zhášecího impulsu. Při zobrazování krátkých impulsů je třeba počítat s určitým zpožděním. Proto se ve vertikálním zesilovači zapojuje zpožďovací vedení, které zajistí současné zpuštění časové základny a sledovaného impulsu. Synchronizační signál pro generátor časové základny je odebírán z vertikálního zesilovače ještě před zpožďovacím vedením. Kmitočet časové základny má být srovnatelný s nejvyšším zobrazovaným kmitočtem a musí být navíc stabilní. Zobrazení probíhá od levého okraje stínítka k pravému okraji. Tento pohyb má mít konstantní rychlost, takže vychylovací napětí má růst lineárně během přímého běhu časové základny a pak se rychle vrátit zpět (tzv. zpětný běh). Během zpětného běhu se nemá kreslit obraz na stínítku. Proto časová základna vyrábí během přímého běhu i kladný obdélníkový puls napětí modulace jasu paprsku. Obr. 8 Průběh napětí časové základny V (obr. 8) je T 1 doba přímého běhu (kreslení na obrazovku, čas T 1 se nastavuje přepínačem časové základny), T 2, je doba zpětného běhu a T 3 je tzv. doba čekání (teprve po jejím uplynutí spouštěcí puls může opět zahájit přímý běh základny). Nelineárnost průběhu napětí v době přímého běhu působí deformaci průběhu zobrazeného na stínítku. Toto pilovité napětí se obvykle vyrábí elektronickým integrátorem, integrujícím konstantní napětí. Rychlost časové základny se nastavuje přepínačem na panelu (označeným "čas/dílek"), kterým se mění časová konstanta integrátoru. Přímý běh časové základny je zahájen po příchodu spouštěcího impulsu. Spouštěcí režim osciloskopu GSP určuje podmínky spuštění přímého běhu časové základny. Spouštěcí signál je nejčastěji odvozen od měřeného signálu (tzv. vnitřní spouštění). Moderní osciloskopy používají k volbě spouštěcího bodu pět ovládacích prvků: úroveň (angl. level), napěťová úroveň, při jejímž dosažení se generuje spouštěcí puls; hrana, sklon; (angl. stope); spouštěcí bod se volí na vzestupné ("+") nebo sestupné (" ") hraně signálu; zdroj spouštění (vnitřní spouštění - angl. internal triggering, vnější spouštění - angl. extemal triggering, spouštění síťovou frekvencí); způsob spouštěni (normální, automatické); vazba (stejnosměrná, střídavá, potlačení nf angl. lf reject, potlačeni vf angl. hf reject; určuje, jaké frekvenční složky jsou obsaženy ve spouštěcím signálu, umožňuje zbavit se nežádoucí složky). Vnější spouštění je užitečné např. při návrhu a hledání poruch v číslicových obvodech. Vnější hodinový signál nebo signál z jiné části obvodu může být použit jako spouštěcí pro po- 7/14
zorování dlouhé posloupnosti podobných pulsů. Vnější spouštění také umožňuje získat stabilní obrázek signálu příliš slabého pro generování spouštěcího pulsu při interním spouštění. Je-li k dispozici silný signál jiného tvaru, ale stejné frekvence, použijeme tento signál jako vnější spouštěcí signál. Spouštění síťovou frekvencí je výhodné při zkoumání obvodů závislých na síťové frekvenci, např. při pozorování zvlnění výstupního napětí síťových zdrojů. 6. Vícekanálový osciloskop Současné zobrazení několika (v praxi obvykle dvou, někdy čtyř) průběhů umožňuje většina současných osciloskopů. Toto zobrazení usnadňuje amplitudová a časová srovnávání průběhů. Časové měřítko je obvykle pro všechny průběhy stejné, ale vstupní děliče a ovládání vertikálního posuvu je nezávislé pro každý ze zobrazených průběhů. Zobrazení dvojice průběhů lze dosáhnout použitím dvoupaprskového nebo dvoukanálového osciloskopu. Dvoupaprskový osciloskop používá dvoupaprskovou obrazovku se dvěma kompletními systémy elektrod, vyrábějící dva elektronové paprsky. Většinou jsou destičky X této obrazovky pro oba paprsky společné a v tomto případě mají oba zobrazené průběhy stejné časové měřítko. Použitím dvou kompletních systémů elektrod obrazovky lze dosáhnout současného zobrazení obou nepřerušovaných průběhů s různými časovými měřítky. Dvoupaprskové osciloskopy jsou drahé, protože používají drahou dvoupaprskovou obrazovku. Jsou to jediné analogové osciloskopy použitelné pro zachycení a zobrazení dvou současných jednorázových průběhů. Dnes jsou ale nahrazeny osciloskopy s číslicovou pamětí. Dvoukanálové osciloskopy se používají daleko častěji. Využívají standardní obrazovku a elektronicky přepínač, který připojuje k vertikálnímu vstupu obrazovky střídavě oba vstupní kanály (jde o tzv. časový multiplex). Blokové schéma dvoukanálového osciloskopu uvádí (obr. 9.) Od základního blokového schématu analogového osciloskopu se liší pouze v orámované části. PZA a PZB jsou předzesilovače kanálů A a B, EP je elektronický přepínač, KVZ je koncový stupeň vertikálního zesilovače. AM je tzv. astabilní multivibrátor (zdroj obdélníkových pulsů) s frekvencí obvykle asi 500 khz nebo l MHz. Význam ostatních bloků odpovídá (obr. 1.) V osciloskopech modulární konstrukce je možno obvody v orámované části blokového schématu umístit ve výměnné zásuvné jednotce a tak změnit jednokanálový osciloskop na dvoukanálový. Dnes se modulární konstrukce již prakticky nepoužívá. Dvoukanálové osciloskopy využívají dvou typů přepínání mezi kanály - tzv. režim přepínání časovou základnou nebo-li střídavý režim (angl. alternate mode) a režim přepínání pevnou frekvencí (angl. chop mode, resp. chopped mode). Střídavý režim (režim přepínání časovou základnou, alternate mode) zobrazuje signál jednoho vertikálního kanálu po dobu celého jednoho cyklu časové základny a signál druhého kanálu po dobu následujícího celého cyklu. Nejprve se nakreslí celý obraz na stínítku pro první kanál a pak pro druhý - ne oba současně. Je-li rychlost časové základny vysoká, oko pozorovatele není schopno vnímat střídavost kreslení. 8/14
Obr. 9 Blokové schéma dvoukanálového analogového osciloskopu Střídavý režim se používá při rychlostech časové základny větších než l ms/d, pro pomalejší běhy základny ruší blikání zobrazení při přepínání mezi kanály. V režimu přepínání pevnou frekvencí (chop mode) je zobrazení přepínáno mezi oběma vstupními kanály s pevnou (a relativně vysokou) frekvenci. Obrázky odpovídající oběma kanálům jsou složeny z krátkých úseků, ale jeví se jako vytvořené spojitou čarou, pokud je počet úseků použitých pro každý kanál vysoký (stovky až tisíce na obrázek odpovídající každému kanálu). Přepínání pevnou frekvencí se používá pro pozorování pomalu proměnných (nízkofrekvenčních) periodických signálů a pro zobrazení dvou relativně pomalých současných jednorázových signálů. Používá se pro běhy časové základny pomalejší než l ms/d. Volba režimu dvoukanálového zobrazení se provádí tlačítkem na panelu osciloskopu. 7. Speciální analogové osciloskopy Paměťové analogové osciloskopy používají speciální tzv. paměťovou obrazovku. Mohou uchovat sejmutý průběh po dobu delší, než odpovídá době dosvitu použitého luminoforu stínítka. Průběh se pamatuje jako kladně nabitá křivka v dielektrickém povlaku kovové mřížky uvnitř obrazovky, blízko stínítka (paměťové mřížky). Průběh může být zapamatován několik dní po sejmutí, ale doba jeho pozorování na stínítku je omezena asi na minutu (v důsledku zbytkových iontů uvnitř obrazovky dojde postupně k zesvětlání celého stínítka a zmizení průběhu). Není možné roztaženi detailů ani pozorování průběhů před příchodem spouštěcího pulsu. Vzorkovací analogové osciloskopy jsou předchůdci osciloskopů s číslicovou pamětí. Vzorkovaly vysokou rychlostí periodický vstupní signál (snímaly jeho okamžité hodnoty v okamžicích opakujících se s pevnou frekvencí), okamžiky snímání vzorků se posunovaly v periodě signálu a zobrazení bylo tvořeno velkým množstvím vzorků získaných v různých periodách. Okamžité hodnoty vzorků se nepřeváděly na číslo, jak je tomu u osciloskopů s číslicovou pamětí, ale pamatovaly se jako napětí na kondenzátoru. Toto napětí se přivádělo na vertikální vstup obrazovky současně s odpovídajícím napětím schodovitě rostoucího napětí speciální časové základny. Příslušná dvojice napětí odpovídající určitému vzorku sloužila k zobrazení jednoho bodu průběhu. Tyto osciloskopy bylo možno použít pouze pro zobrazení 9/14
periodických průběhů; jejich horní mezní frekvence byla až 15 GHz, vstupní citlivosti byly l mv/d až 200mV/d. Oba tyto typy jsou dnes nahrazeny osciloskopy s číslicovou pamětí, které mohou být použity i pro zobrazení jednorázových průběhů, průběh si pamatují v číslicové podobě, umožňují jeho další zpracování a mají i další výhody. 8. Osciloskopy s číslicovou pamětí ( DSO ) Tyto přístroje v současné době postupně nahrazují analogové osciloskopy a zčásti i měřicí magnetofony (měřicí magnetopáskové paměti), používané pro analogový záznam a zobrazení měřených napětí. Měřený signál je digitalizován. Osciloskopy s číslicovou pamětí používají k zobrazení zpravidla displeje obdobné displejům počítačů, využívající elektromagnetického vychylování paprsku (rastrový displej) nebo LCD zobrazovače. Základní charakteristiky osciloskopů s číslicovou pamětí jsou nejen šířka pásma, napěťová citlivost a přesnost jako u analogových osciloskopů, ale také vzorkovací frekvence, vertikální rozlišovací schopnost (počet bitů AČP) a velikost paměti. Čím vyšší je vzorkovací frekvence, tím rychlejší signály je možno zaznamenat. Čím větší je počet bitů AČP, tím menší změny velikosti signálu lze zachytit. Čím větší je kapacita číslicové paměti, tím delší je doba záznamu. Číselné hodnoty těchto parametrů budou uvedeny dále. Výhody DSO jsou následující: možnost zachycení jednorázových přechodných dějů; nastavitelná velikost "záporného zpoždění" (možnost sledování signálu před příchodem spouštěcího signálu, angl. pretrigger mode); lepší přesnost než u analogových přístrojů; rychlé měření s využitím kurzorů a s automatickým výpočtem a zobrazením hodnot řady parametrů měřeného průběhu; rychlé získání kopie průběhu na papír užitím tiskárny nebo zapisovače; možnost archivování změřených průběhů pro analýzu a pozdější srovnávání; možnost číslicového zpracování sejmutých průběhů a spektrální analýza; úplná programovatelnost měření a samočinné nastavení přístroje pro měření. 9. Blokové schéma a parametry osciloskopu s číslicovou pamětí Nejstarší osciloskopy s číslicovou pamětí byly v podstatě číslicovou pamětí dynamických dějů (viz dále) se zabudovaným analogovým osciloskopem na výstupu. Pokud přistroj obsahoval i časovou základnu analogového osciloskopu, bylo možno ho přepínat do analogového nebo číslicového režimu. Dnes se této koncepce užívá jen výjimečně u některých levných přístrojů. Paměť osciloskopů s číslicovou paměti je tzv. paměť "FIFO" (z ang\.first-infrst-out, čili "první dovnitř, první ven"). Jde o paměť, která se po úplném naplnění přepisuje tak, že nejprve je přepsán nejdříve přijatý vzorek, poté vzorek zaznamenaný jako druhý atd. Paměť osciloskopu je po připojení signálů ke vstupu osciloskopu neustále plněna vzorky a po jejím naplnění je obsah kontinuálně přepisován. Po příchodu spouštěcího signálu je plnění buď ihned nebo po zvoleném zpoždění zastaveno, a tak může být zobrazen zvolený úsek měřeného signálu. 10/14
Současné osciloskopy s číslicovou pamětí obsahují zabudovaný mikropočítač (často několik mikroprocesorů) a digitalizovaný signál nepřevádějí zpět do analogové formy, ale zpracovávají ho v zabudovaném počítači. Pro zobrazení používají displej počítače (obr. 10). VSTUP Obr. 10 Blokové schéma číslicového osciloskopu (VZvstupní dělič a zesilovač, VZPvzorkovač s paměti, AČP-analogově číslicový převodník, ČP-číslicová paměť) IEEE 488 Obr. 11 Blokové schéma číslicového osciloskopu s multiplexovanými vstupy (VZP je vzorkovač s paměti) IEEE 488 V některých osciloskopech s číslicovou pamětí se používá pouze jeden AČP přepínaný do jednotlivých kanálů (obr. 11). Jde o časový multiplex stejný jako u dvoukanálových analogových osciloskopů, nejčastěji využívaný v režimu přepínání pevnou frekvencí (CHOP MODE). Počet kanálů bývá zde i větší než dva, často jde o čtyři kanály. Je-li vzorkovací frekvence AČP f s a multiplexuje-li osciloskop N kanálů, je každý z kanálů vzorkován frekvenci f s /N. Zde nejsou vstupní signály vzorkovány ve stejných okamžicích, pokud nejsou na všech vstupech použity vzorkovače s pamětí. 11/14
Osciloskopy s číslicovou pamětí umožňují roztažení detailů (obdobně jako analogový osciloskop se dvěma časovými základnami), někdy dokonce současné zobrazení celého průběhu a několika roztažených detailů. 10. Možnosti zapamatování a zobrazení zvoleného úseku signálu vzhledem ke spouštěcímu bodu Osciloskopy s číslicovou pamětí stejně jako číslicové paměti dynamických dějů a logické analyzátory používají tři druhy ukládáni vybrané části průběhu do paměti (a tři druhy zobrazení) vzhledem k okamžiku spuštění a) Zobrazení před příchodem spouštěcího pulsu (angl. pretrigger mode, obr. 12 a)) využívá nastavitelného záporného zpoždění, zadaného v % (např. 100 % až např. l %) nebo počtem bodů. Je zobrazena zvolená část zachyceného průběhu zapamatovaná v paměti před příchodem spouštěcího signálu. Je-li kapacita paměti na zobrazovaném kanálu k vzorků, je při volbě 100 % záporného zpoždění zastaveno plnění paměti ihned po příchodu spouštěcího pulsu a je zobrazeno všech k bodů před spouštěcím pulsem. Při volbě záporného zpoždění p % je zobrazeno k.p/100 bodů před spouštěcím pulsem a zbytek do k po příchodu spouštěcího pulsu. Plnění paměti je zastaveno po příchodu k - kp/100 hodinových impulsů po příchodu spouštěcího pulsu. b) Normální zobrazení: zobrazen je počet bodů k po příchodu spouštěcího pulsu. Odpovídá spouštění u analogových osciloskopů a jde o případ pretrigger módu pro p = 0 %. Plnění paměti je zastaveno až po příchodu k hodinových pulsů od příchodu spouštěcího pulsu. c) Zpožděné zobrazení: je zobrazen blok k bodů začínající až po příchodu d (z angl. delay) hodinových pulsů (a tedy i vzorků vstupního signálu) po příchodu spouštěcího pulsu. Toto zpoždění se voli číselně, pro nejlepší osciloskopy s číslicovou pamětí např. v rozsahu 0 až 10000 horizontálních dílků osciloskopu po 0,1 dílku. Obr. 12 Volba do paměti uložené části měřeného průběhu vzhledem ke spouštěcímu bodu SB u číslicových osciloskopů a číslicových pamětí dynamických dějů 12/14
11. Způsoby vzorkování používané osciloskopy s číslicovou pamětí Osciloskopy s číslicovou pamětí využívají tří druhů vzorkování: vzorkování v reálném čase a dvou způsobů vzorkování v ekvivalentním čase použitelných pro periodické průběhy: sekvenčního (stroboskopického) vzorkování a náhodného vzorkování. Vzorkování v reálném čase (angl. real-time sampling, RTS) je klasické vzorkování v ekvidistantních časových intervalech, jejichž délka se nazývá vzorkovací interval a jehož převrácená hodnota je vzorkovací frekvence. Vzorkování musí splňovat vzorkovací větu, f s 2f m v praxi se ale volí 4 až 10 vzorků na periodu nejvyšší frekvenční složky ve spektru vstupního signálu (4 vzorky při rekonstrukci využívající funkce sinx/x, 10 vzorků při lineární interpolaci, čili spojení sousedních bodů úsečkami). Není-li vzorkovací věta splněna, dojde k chybě typu aliasing, která se projeví v časové oblasti na stínítku např. tím, že při měření harmonického signálu dostaneme sice sinusovku o stejné amplitudě, ale podstatně nižší frekvenci, než je frekvence měřeného signálu. Při tomto vzorkování je celý blok vzorků odpovídající délce paměti na kanál odebrán ve všech kanálech jako odpověď na jediný spouštěcí signál. Toto vzorkování umožňuje režim pretriggering a je jediné použitelné pro záznam jednorázových průběhů. Pro tento režim je výhodná co nejvyšší vzorkovací rychlost a co největší hloubka (délka) paměti. Sekvenční vzorkování v ekvivalentním čase (stroboskopické vzorkování, angl. sequential repetitive sampling) je způsob vzorkování převzatý z analogových vzorkovacích osciloskopů. Je použitelný pouze pro periodické průběhy měřeného signálu. Z každé periody signálu se odebere jen jeden vzorek, jehož odběr je inicializován spouštěcím pulsem, přičemž poloha vzorku vzhledem k začátku periody se u každého následujícího vzorku posune o pevný časový úsek Δt (obr. 13). Tento posuv zajišťuje časovači obvod. Jednotlivé vzorky jsou zobrazeny společně na stínítku a je z nich složen výsledný průběh. Je-li jich např. tisíc, vypadá průběh prakticky spojitě. Ekvivalentní vzorkovací frekvence tak může být podstatně vyšší než skutečná a je rovna l/ Δt. Jsou-li tedy např. vzorky odebírané v jednotlivých periodách vzájemně zpožděny o 1 ns, je ekvivalentní vzorkovací frekvence 1 GHz. Tak lze při stejné vzorkovací frekvenci zachytit podstatně víc detailů než při vzorkování v reálném čase. Tento režim ale neumožňuje pretriggering a sestavení celého průběhu může trvat relativně dlouho (je-li sestavován z 10000 vzorků, trvá odběr 10 4 vzorkovacích intervalů). Obr. 13 Sestavení obrazu na stínítku při sekvenčním vzorkování v ekvivalentním čase. Je naznačeno také posouvání vzorkovacího pulsu proti spouštěcímu pulsu v každé následující periodě o interval Δt 13/14
Náhodné vzorkováni v ekvivalentním čase (angl. random repetitive sampling, random interleaved sampling) je také použitelné pouze pro periodické průběhy. Nemá nevýhody sekvenčního vzorkování v ekvivalentním čase: umožňuje pretrigger a sestavení obrazu trvá při stejné vzorkovací frekvenci kratší dobu. Šířka pásma osciloskopu v tomto režimu stejně jako u sekvenčního vzorkování v ekvivalentním čase může být podstatně vyšší než f s /4. Po příchodu každého spouštěcího pulsu je signál ovzorkován maximální vzorkovací frekvencí, přičemž generátor vzorkovacího signálu ("hodiny") není synchronizován se spouštěcím pulsem a doba zpoždění mezi spouštěcím pulsem a následujícím okamžikem vzorkování je změřena. Tato doba se náhodně mění při každém příchodu spouštěcího pulsu a její změřená hodnota je použita pro umístění každé sady ekvidistantních vzorků do sestavovaného obrazu (obr. 14). Počet vzorků každé sady (vzdálených od sebe o T s ) může být malý, ale použitím většího množství sad dostaneme celý průběh. Obr. 14 Sestavení obrazu na stínítku při náhodném vzorkování v ekvivalentním čase. Všechny vzorky po příchodu spouštěcího pulsu mají stejné číslo Současné osciloskopy s číslicovou pamětí jsou optimalizovány buď pro měření periodických průběhů, nebo pro měření jednorázových průběhů. Některé číslicové osciloskopy (ty, které využívají pouze vzorkování v ekvivalentním čase buď sekvenčního, nebo náhodného) nejsou schopny měřit jednorázové průběhy. Seznam použité literatury a zdrojů informací [1] V. Haasz, M. Sedláček: Elektrická měření Přístroje a metody, Praha, ČVUT 2000 [2] Ing. J. Hron, Ing. V. Hubička: Elektrická měření III, Nadas Praha 1984 [3] Artur Seib: Osciloskopy od A do Z, HEL Ostrava 2000 [4] Blanka Bičovská: Elektrická měření dodatky, Vysoká škola báňská Technická universita Ostrava, Fakulta elektroniky a informatiky 2003 14/14