Spis treści:
Osciloskop je jedním z nejdůležitějších měřicích přístrojů – je vhodné se důkladně seznámit s jeho konstrukcí a principem činnosti, aby bylo možné plně využít možností, které nabízí.
Osciloskop je jedním z mála měřicích přístrojů používaných v elektronice, který zobrazuje výsledky měření v grafické podobě. Přestože nyní existují například špičkové digitální multimetrykomerčně dostupné, např. špičkové digitální multimetry vybavené funkcemi pro generování trendových grafů naměřených hodnot (nebo statistik v podobě histogramu), většina přístrojů je stále určena k zobrazování číselných hodnot, odpovídajících např. naměřenému odporu, napětí nebo intenzitě proudu. Naproti tomu osciloskop přináší zcela jinou možnost, která je pro práci elektronika nepostradatelná, neboť umožňuje zobrazit proměnná napětí (a s použitím vhodných sond i proudy) ve formě grafu, tedy přesně v té podobě, jakou známe z učebnic elektroniky a dalších odborných materiálů.
Analogový osciloskop - prototyp všech moderních osciloskopů
Osciloskopy jsou základním diagnostickým nástrojem pro elektronické inženýry, konstruktéry, servisní techniky nebo elektrikáře pracující v automobilových diagnostických stanicích. Klasický analogový osciloskop – vyvinutý před desítkami let – pracuje tak, že vstupní signál zobrazuje přímo na katodové obrazovce. Napětí přivedené na měřicí vstup je zesíleno a nasměrováno na sadu vychylovacích elektrod, které řídí horizontální a vertikální polohu elektronového paprsku na obrazovce osciloskopu.
Vertikální výchylka paprsku je úměrná amplitudě vstupního signálu, zatímco horizontální poloha skvrny je řízena blokem tzv. časové základny, což je přesný generátor pilovitého průběhu, který je zodpovědný za cyklické “vymetání” obrazovky s nastavitelnou frekvencí. Tímto způsobem osciloskop vytváří graf signálu v závislosti na čase – fosforeskující stínítko reaguje na bombardování elektronovým paprskem vyzařováním bodového světla a vytváří viditelný graf – čím kratší je perioda časové základny, tím rychleji lze pomocí zařízení zobrazit průběhy.
Digitální osciloskop - nový model, nové příležitosti
Digitální osciloskopna rozdíl od analogového převádí vstupní signály před jejich zobrazením na digitální data. Vstupní signál je nejprve vzorkován analogově-digitálním převodníkem (ADC) v pravidelných intervalech, ve skutečnosti velmi krátkých – špičkové osciloskopy jsou schopny měřit vstupní napětí rychlostí desítek miliard za sekundu (!!). Odebrané vzorky jsou pak uloženy do digitální paměti a zpracovány procesorem pro přesnou analýzu, přičemž výsledek se zobrazí na displeji z tekutých krystalů nebo se přenese do počítače, např. prostřednictvím Ethernetu nebo připojení USB.
Použití rychlých a efektivních digitálních obvodů umožňuje provádět s měřenými signály řadu velmi cenných operací – uživatel může např., generovat frekvenční spektrum (režim analýzy FFT), používat různé digitální filtry, matematické operace. (např. signály sčítání, odčítání nebo násobení) a především provádět automatická měření klíčových parametrů (např. průměr, špička-špička, efektivní hodnota, ale i perioda, frekvence, doba trvání impulzu, faktor plnění, doba náběhu a poklesu a desítky dalších veličin, které jsou pro každodenní práci elektronika velmi důležité).
Analogový nebo digitální? Porovnání osciloskopů různých generací
Obě technologie osciloskopů mají samozřejmě své výhody i nevýhody. Analogové osciloskopy jsou často ceněny pro svou “živou” odezvu a okamžitou reakci na měnící se signály, protože vstupní signál (po zesílení) přímo řídí polohu bodu na obrazovce. Bohužel to má i své značné nevýhody – velmi pomalé signály (řádově 1 Hz nebo méně) se obtížně zobrazují čitelně, protože skvrna rychle mizí z obrazovky (uživatel tedy nevidí linii grafu, pouze pohyb malé světelné skvrny). Ještě větší problém nastává u neperiodických signálů – např. jednotlivých pulzů, které ruší činnost testovaného systému. Tyto nevýhody zcela chybí u digitálních osciloskopů, které se vyznačují možností záznamu signálu (jeho uchování na obrazovce nebo “vypsání” do interní paměti nebo na paměťovou kartu). U digitálních osciloskopů je však třeba mít na paměti omezení způsobená omezenou vzorkovací frekvencí a rizikem aliasingu, který výrazně zkresluje obraz velmi rychlých periodických signálů.
K čemu lze osciloskop použít?
Jak jsme se již zmínili, osciloskop umožňuje pozorovat “tvar” periodických průběhů (a v případě digitálních osciloskopů také nepravidelných nebo dokonce jednorázových impulsů), což má zásadní význam při diagnostice elektronických systémů. Proto jsou osciloskopy naprosto nepostradatelnou součástí prototypových dílen, výzkumných a vývojových oddělení, servisů elektronických zařízení, automobilových dílen nebo univerzitních a komerčních měřicích laboratoří.
S použitím vhodných sond je možné zaznamenávat nejen napětí vůči zemi zařízení, ale také diferenciální napětí a dokonce i průběhy proudu, což je důležité zejména v aplikacích výkonové elektroniky. Je třeba vědět, že šikovné použití osciloskopu umožňuje také stanovení charakteristik pasivních a aktivních filtrů a dokonce i proudově-napěťových charakteristik polovodičových prvků (např. diod a tranzistorů) – některé přístroje jsou dokonce vybaveny speciálními vestavěnými generátory funkcí, zatímco v případě klasických přístrojů lze k tomuto účelu použít externí laboratorní generátory. Moderní digitální osciloskopy mají také vestavěné funkce pro analýzu dat na digitálních linkách, např. SPI, I2C nebo UART.
