Oscyloskop − najważniejszy przyrząd pomiarowy 7.pdf

Miernictwo

Oscyloskop – najważniejszy

przyrząd pomiarowy

w pracowni elektronika

CZĘŚĆ 7

Rozwój oscyloskopów

cyfrowych

W poprzednim odcinku omówiono krótko os−

cyloskopy analogowe z funkcją ReadOut i oscylo−

skopy analogowo–cyfrowe. Jak wspomniano,

wcześniej wydawało się, iż szczytem marzeń bę−

dzie oscyloskop całkowicie cyfrowy, w którym

przebieg badany będzie zawsze zamieniany na

postać cyfrową.

Czas pokazał, że nie zawsze jest to pożądane,

ale istotnie, zamiana przebiegu na postać cyfrową

ma wiele niewątpliwych zalet. Przede wszystkim

możliwe jest bezproblemowe dalsze przetwarzanie

takiego sygnału. Na przykład sygnał cyfrowy może

być przesłany do komputera, a potem wydrukowa−

ny na drukarce lub ploterze. To bardzo istotna spra−

wa – dawniej rejestracja przebiegów wymagała

użycia aparatu fotograficznego, co oczywiście było

kłopotliwe i kosztowne.

Drugą ogromną zaletą przetwarzania cyfrowego

jest możliwość zapamiętywania nie tylko jednego

przebiegu, ale wielu przebiegów w pamięci cyfro−

wej, czy to wbudowanej w oscyloskop, czy pamię−

ci w dołączonym komputerze.

Nieocenioną zaletą jest także możliwość łatwe−

go przetwarzania – określania napięć, czasów

i częstotliwości, a także na przykład określania za−

wartości harmonicznych przebiegu (przy wykorzys−

taniu tak zwanej transformaty Fouriera).

Fot. 1

w torze Y oraz sama lampa, która nie jest w stanie

zobrazować bardzo szybkich przebiegów.

W oscyloskopach całkowicie cyfrowych sygnał

ze wzmacniaczy czy tłumików wejściowych jest od

razu podawany na przetwornik analogowo cyfro−

wy, a potem zapamiętywany w pamięci półprze−

wodnikowej (porównaj rysunek 27 w EdW 6/97 str.

32). Jeśli sygnał zostanie wpisany do pamięci,

można go stamtąd odtworzyć w dowolnym czasie.

To znaczy, że krótki impuls, który trwał przykłado−

wo tylko ułamki mikrosekundy, można po zapisaniu

w pamięci odtworzyć na ekranie w czasie powiedz−

my kilku milisekund. Oznacza to, że lampa nie mu−

si być już tak szybka, by zobrazować bardzo krót−

kie, szybkozmienne przebiegi. A trzeba wiedzieć,

że wcale nie jest łatwo zbudować lampę o szero−

kim paśmie przenoszenia. Jeśli lampa nie musi być

już taka szybka, to można zamiast niej zastosować

nawet kolorowy kineskop telewizyjny. Są takie os−

cyloskopy z kolorowym ekranem – poszczególne

przebiegi i napisy wyświetlane są w różnych kolo−

rach ułatwiających ich rozróżnienie.

Producenci oscyloskopów poszli jeszcze da−

lej – zrezygnowali z lampy i zastosowali ekran

z ciekłych kryształów (LCD). O tym za chwilę.

W oscyloskopie cyfrowym ograniczeniem są nie

tyle trudności z wykonaniem tłumików i wzmacnia−

czy o odpowiednim paśmie (wykonanie dobrego,

szerokopasmowego tłumika wcale nie jest łatwiej−

sze, niż zbudowanie stosownego wzmacniacza),

co parametry przetwornika analogowo–cyfrowego

oraz właściwości układów wyzwalania. Problem

ilustruje rysunek 28, pokazujący sygnał jednej lini−

i obrazu telewizyjnego (composite video). Oscylo−

skop analogowy zobrazuje taki przebieg bez więk−

szych przeszkód (28a). Natomiast oscyloskop cyf−

rowy „ze swej natury” może wprowadzić pewne

niejasności (28b).

Jeszcze dobitniej pokazuje to rysunek 29. W os−

cyloskopie cyfrowym próbkowanie i przetwarza−

nie, czyli zamiana wartości napięcia na liczbę na−

stępuje tylko w ściśle określonych chwilach, zazna−

czonych na rysunku 29a strzałkami. Do pamięci za−

Próbkowanie

Przy omawianiu oscyloskopów cyfrowych nie

można zapominać, że ich podstawowym paramet−

rem jest tak zwana szybkość próbkowania. Dobry

oscyloskop powinien umożliwiać obserwację prze−

biegów o jak największych częstotliwościach, czyli

bardzo szybkich. W klasycznym analogowym oscy−

loskopie z lampą elektronową ograniczeniem jest

pasmo przenoszenia tłumików i wzmacniaczy

Fot. 2.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/97

Miernictwo

Analogowy

Cyfrowy

Rys. 28. Obrazy sygnału wideo na dwóch oscyloskopach

pisywane są wartości napięcia, występujące tylko

w tych wybranych momentach (rys 29b). Co się

stanie, jeśli w czasie pomiędzy kolejnymi próbko−

waniami, w sygnale pojawią się zmiany (zaznaczo−

ne na rysunku dużą czerwoną strzałką)? Nic się nie

stanie – zmiany te „umkną uwadze oscyloskopu”,

po prostu zostaną zignorowane i nie pojawią się na

ekranie – zobacz rysunek 29c. W oscyloskopach

cyfrowych obraz zwykle nie składa się z oddziel−

nych kropek (choć można też wybrać taki tryb

wskazań), ponieważ wbudowany mikroprocesor łą−

czy punkty odcinkami i linia na ekranie jest ciągła.

Ktoś powie, że nie ma problemu z takimi krótki−

mi impulsami – wystarczy zwiększyć częstotliwość

próbkowania, a pojawią się one na ekranie. Jest to

częściowo prawda, ale po pierwsze nie zawsze

można zwiększać częstotliwości próbkowania

(choćby ze względu na ograniczone możliwości

przetwornika A/D), a ponadto w niektórych sytua−

cjach, na przykład przy obserwacji przebiegu zmo−

dulowanego amplitudowo, nie ma to sensu.

Taka ziarnista struktura sygnału zapamiętywane−

go w pamięci każdego oscyloskopu cyfrowego

może więc wręcz wprowadzić błędy przy obrazo−

waniu wyników. Aby uniknąć błędów tego typu,

oscyloskopy cyfrowe wyposaża się w specjalne

układy detekcji i wyzwalania. W opisach technicz−

nych można potem spotkać określenia wskazują−

ce, jakie impulsy są wykrywane przez te układy de−

tekcji – zwykle rzędu kilku... kilkunastu nanose−

kund. Oscyloskopy cyfrowe zwykle mają też kilka

rodzajów pracy, na przykład tak zwana praca z ob−

wiednią (envelope), czy też obrazowania wartości

maksymalnych czy minimalnych występujących

pomiędzy kolejnymi próbkowaniami. Te szczegóły

wykraczają już poza zakres tego artykułu.

Ze względu na wspomniane trudności, niektóre

firmy nie rezygnują z budowy oscyloskopów, które

w zależności od potrzeb mogą pracować albo

w trybie analogowym, albo cyfrowym. Przykładem

jest nowoczesny oscyloskop COMBISCOPE

PM3394B Firmy Fluke o paśmie przenoszenia

200MHz i częstotliwości próbkowania 20GS/s

(przebiegi powtarzalne) i 200MS/s (przebiegi jedno−

razowe), pokazany na fotografii 1.

Przy zakupie oscyloskopów analogowo–cyfro−

wych (a także wyłącznie cyfrowych) należy zwrócić

baczną uwagę na kwestię pasma przenoszenia

i maksymalnej częstotliwości próbkowania.

Wiele oscyloskopów analogo−

wo–cyfrowych, szczególnie tych

nieco starszych, ma określone,

dość szerokie pasmo przenoszenia

w trybie analogowym i znacznie

węższe pasmo przenoszenia w try−

bie cyfrowym – jeszcze przed kilku

laty dużym problemem było zbudo−

wanie szybkiego przetwornika A/D.

Dziś można znaleźć w postaci

pojedynczych układów scalonych

ośmiobitowe przetworniki typu

flash o szybkości przetwarzania se−

tek milionów próbek na sekundę.

Jednak do danych podawanych

w materiałach reklamowych oscy−

loskopów trzeba podchodzić bar−

dzo ostrożnie. Przykładowo, w ulot−

ce reklamowej jakiegoś niedrogiego oscyloskopu

podano, że ma on maksymalną częstotliwość prób−

kowania równą 1GS/s (1 miliarda próbek na sekun−

dę). Z częstotliwości próbkowania 1GS/s na pierw−

szy rzut oka mogłoby wynikać, że oscyloskop ma

pasmo przenoszenia sięgające setek megaherców.

Przy bliższym zapoznaniu się z instrukcją wyjdzie na

jaw, że pasmo wynosi powiedzmy... 20MHz.

Podano tu częstotliwość próbkowania przebie−

gów powtarzalnych, uzyskiwana przy pomocy

pewnej, powiedzmy – prostej sztuczki. W istocie,

przy bliższym przestudiowaniu katalogu okaże się,

iż rzeczywista częstotliwość próbkowania prze−

twornika, istotna w przypadku rejestrowania prze−

biegu jednorazowego wynosi tylko 20MS/s (20 mi−

lionów próbek na sekundę). Słabo zorientowany

elektronik, naczytał się w książkach, że można zre−

konstruować sygnał, jeśli częstotliwość próbkowa−

nia będzie dwa razy większa od najwyższej częs−

totliwości składowej przebiegu rejestrowanego.

W praktyce okaże się jednak, iż w przypadku obra−

zu na ekranie oscyloskopu, potrzeba przynajmniej

dziesięciu próbek na jeden okres przebiegu rejest−

rowanego, aby z obrazu można było cokolwiek wy−

wnioskować. W efekcie „cudowny” oscyloskop

cyfrowy będzie w stanie zarejestrować przebiegi

jednorazowe o częstotliwościach nie większych

niż 1...2MHz.

Oczywiście w przypadku przebiegów powtarzal−

nych pasmo sięgać będzie podanej w katalogu

wartości 20MHz.

Rys. 29. „Niezauważone” przebie−

gi w oscyloskopie cyfrowym

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/97

Miernictwo

Fot. 3.

Podany przykład wcale nie ma zniechę−

cić do oscyloskopów cyfrowych. W ogrom−

nej większości przypadków niedrogi oscylo−

skop cyfrowy o podanych parametrach

(20MHz, 20MS/s) okaże się całkowicie wy−

starczający. Tylko w profesjonalnych labora−

toriach potrzebne bywają zdecydowanie

szybsze oscyloskopy. A są takie. Obok

wspomnianego PM3394B można tu podać

jako przykład oscyloskop TDS744 z firmy

Tektronix o paśmie 500MHz i szybkości

próbkowania przebiegów jednorazowych (!)

równym 2GS/s, co daje rozdzielczość kolej−

nych próbek rzędu 100 pikosekund! Poka−

zano go na fotografii 2. Takie wyrafinowa−

ne, szybkie i oczywiście bardzo drogie os−

cyloskopy cyfrowe rzeczywiście nie ustę−

pują najlepszym oscyloskopom analogo−

wym a przewyższają je pod wieloma wzglę−

dami. Trzeba jeszcze raz podkreślić, że do

praktycznych zastosowań bardzo rzadko

potrzebne są tak wspaniałe parametry.

pu laboratoryjnego warto zwrócić uwagę na małą

głębokość obudowy.

Przyrządy pokazane na fotografiach pochodzą

z firm, cieszących się od lat ustaloną renomą. Mog−

łoby się wydawać, że ceny takich wspaniałych apa−

ratów są niebotyczne. Rzeczywiście, nie jest to

sprzęt dla przeciętnego hobbysty, ale biorąc pod

uwagę osiągnięte parametry i zakres możliwości,

ceny wcale nie są przerażające. Sprzęt taki będzie

się coraz częściej pojawiał w zakładach produkcyj−

nych i usługowych. W niektórych zastosowaniach

tego typu przenośne przyrządy okażą się wręcz

niezastąpione. Wielu profesjonalistów i zaawanso−

wanych hobbystów już teraz powinno rozważyć

możliwość zakupu takiego wielofunkcyjnego przy−

rządu. Trzeba bowiem stwierdzić, że nie są to pier−

wsze, niedopracowane „jaskółki czyniące wios−

nę”, ale przyrządy o dojrzałej, dopracowanej kon−

strukcji.

Przystawki oscyloskopowe

Wszystkie współczesne oscyloskopy cyfrowe,

nawet te przenośne, mają możliwość współpracy

z komputerem. Niektóre mogą wprost obsługiwać

drukarkę.

Przesłanie danych do komputera umożliwia ich

dalszą obróbkę – do przedstawianych oscylosko−

pów producenci proponują odpowiednie programy

umożliwiające dalsze przetwarzanie wyników, na

przykład określanie zawartości spektralnej (widmo−

wej) przebiegu, czy zawartości harmonicznych..

W przypadku współpracy z komputerem, ekran

oscyloskopu okazuje się zupełnie niepotrzebny, bo

wszystkie przebiegi można wyświetlić na ekranie

komputera. I tu rysuje się jeszcze inny kierunek

rozwoju oscyloskopu.

Coraz częściej spotyka się w literaturze reklamy

przystawek oscyloskopowych do komputera.

Trzeba stwierdzić, że wiele z nich zawiera tylko

przetwornik A/D, a więc niewiele mają one do czy−

nienia z oscyloskopem. Dobra przystawka oscylo−

skopowa musi mieć obwody tłumików i wzmacnia−

czy wejściowych oraz obwody wyzwalania, a także

możliwość sterowania nimi od strony komputera.

Bez takich obwodów przystawka taka będzie peł−

nić jedynie rolę zabawki.

Dla hobbystów takie przystawki są bardzo ku−

szącą alternatywą, choćby ze względu na cenę,

a właściwie stosunek ceny do możliwości. Niektó−

re firmy mają takie przystawki w swojej ofercie

i należy się spodziewać, że będzie ich coraz więcej.

Także redakcja EdW zamierza w (dalszej) przyszłoś−

ci przedstawić opis takiej przystawki. W przypadku

większego zainteresowania, prace nad układem

zostaną przyspieszone – zainteresowani mogą

nadsyłać listy w tej sprawie.

W następnym odcinku zostaną przedstawione

praktyczne aspekty przeprowadzania pomiarów os−

cyloskopowych.

Adresy firm, które dostarczą informacji o pre−

zentowanych oscyloskopach:

Fluke: Electronic Instrument Service Malechow−

ska 6 60–188 Poznań tel. (0–61) 681–998

Tektronix: ul. Stawki 2, piętro 28, 00−193

Warszawa, tel. (0−22) 635−06−87, 635−36−15.

Fot. 4.

Oscyloskopy przenośne

Jak wspomniano, zastosowanie pamię−

ci półprzewodnikowej (i mikroprocesora)

umożliwiło rezygnację z lampy elektrono−

wej i wykorzystanie ekranów ciekłokrysta−

licznych (LCD). Ekran taki zawiera matry−

cę punktów – poszczególne punkty mogą

być jasne lub ciemne, można na nim wy−

świetlać zarówno litery i cyfry, jak również

prostą grafikę. Ogólnie biorąc, ekran taki

jest stosunkowo powolny i zupełnie nie

nadawałby się do współpracy z bardzo szybkimi

przebiegami.

Dzięki zastosowaniu pamięci cyfrowej, możliwe

stało się „zamrożenie” w niej nawet bardzo szyb−

kich przebiegów i późniejsze stosunkowo powolne

wyprowadzenie ich na „leniwy” ekran LCD.

Taka możliwość otworzyła drogę do skonstruo−

wania poręcznych, przenośnych oscyloskopów za−

silanych z baterii. Co prawda, od dawna produko−

wano klasyczne oscyloskopy mające możliwość

zasilania bateryjnego, ale oczywiście ze względu

na gabaryty lampy nie były to przyrządy poręczne.

Na fotografiach 3...5 można zobaczyć trzy oscy−

loskopy firm Tektronix i Fluke z ekranem ciekłok−

rystalicznym. Dwa pierwsze są typowymi przyrzą−

dami przenośnymi. Oprócz funkcji dwukanałowego

oscyloskopu pełnią funkcję wielofunkcyjnego mul−

timetru oraz rejestratora. Są to naprawdę uniwer−

salne urządzenia po−

miarowe – umożliwiają

obserwację kształtu

przebiegów, pomiary

napięcia, prądu, częs−

totliwości, czasu impul−

sów, temperatury a tak−

że długoczasową rejes−

trację (do kilkudziesię−

ciu godzin) wybranych

wielkości.

W przypadku trze−

ciego, niewątpliwie sta−

cjonarnego oscylosko−

Fot. 5.

(red)

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/97

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: