Dla tych, którzy nie mieli zbyt wiele do czynienia z elektroniką, termin “oscyloskop” brzmi dość tajemniczo. Nazwa ta może przywodzić na myśl urządzenie, które posiada stanowczo za dużą ilość guzików, pokręteł i nie wiadomo czego.
Jeśli jednak interesują Cię urządzenia elektroniczne lub poszukujesz nowego hobby związanego z elektroniką, to z pewnością warto będzie wyposażyć warsztat w to przydatne narzędzie. Oscyloskopy można spotkać w ośrodkach przemysłowych, pracowniach i laboratoriach, gdzie pełnią ważną funkcję urządzeń pomiarowych. Dziś odkryjemy niektóre z ich tajemnic, poznamy parametry oraz zasadę działania. Wiedza ta z pewnością okaże się przydatna zarówno dla elektroników-amatorów, jak i dla zwyczajnych użytkowników urządzeń elektrycznych.
Do czego używany jest oscyloskop?
Oscyloskopy zawdzięczają popularność temu, że z ich pomocą można zmierzyć wiele różnych wielkości fizycznych związanych z sygnałem elektrycznym. Za pomocą oscyloskopu możemy określić wartości takie jak:
- napięcie sygnału elektrycznego zarówno ze źródła prądu stałego, jak i zmiennego,
- natężenie prądu płynącego przez obwód,
- częstotliwość poprzez zmierzenie przebiegu fali sygnału,
- amplitudę fali poprzez pomiar napięcia międzyszczytowego,
- czas, jak minął pomiędzy dwoma zdarzeniami w sygnale elektrycznym,
- szerokość impulsu za pomocą pomiaru czasu włączenia.
Są to najczęściej mierzone wartości, jednak w zależności od rodzaju, budowy i zastosowania oscyloskop może mierzyć dodatkowe wielkości fizyczne takie jak składowa harmoniczna sygnału. Mają również ciekawe zastosowania w elektronicznej muzyce eksperymentalnej – oscyloskopu wykorzystany do obejrzenia sygnałów audio z odtwarzacza MP3 lub radia wyświetli zawiłe kształty fal i częstotliwości dźwięków, w tym mowy i muzyki, dzięki czemu przy wykorzystaniu adaptera można jednocześnie sygnału audio słuchać i go oglądać.
Budowa i działanie oscyloskopu
Mimo że oscyloskopy mogą się od siebie różnić w zależności od przeznaczenia, to każdy z nich posiada te same, podstawowe bloki funkcjonalne. W każdym oscyloskopie znajdziemy – układ wejściowy. Jest to element, do którego podłączamy źródło mierzonego sygnału elektrycznego. Segment może mieć formę złącza lub sondy. Badany sygnał trafia następnie do wzmacniacza, w którym jest amplifikowany do poziomu pozwalającego na wyświetlanie go na ekranie oscyloskopu.
W przypadku oscyloskopów analogowych sygnał pojawia się na monitorze kineskopowym. Urządzenia te są również wyposażone w układ odchylania pionowego i układ odchylania poziomego, zwany też układem podstawy czasu, oraz w katodę, która emituje elektrony. System ten ma za zadanie odchylać wytworzoną wiązkę elektronów w lewo, prawo, w górę i w dół. Dzięki temu strumień cząsteczek uderzający w ekran pokryty luminoforem może nakreślić zależność mierzonej wielkości fizycznej od czasu. Oprócz tego w oscyloskopie znajduje się obwód wyzwalający, który synchronizuje rejestrację sygnału z jego pomiarem. Synchronizacja odbywa się zasadzie ustalenia poziomu progowego – gdy sygnał przetnie tę wartość, urządzenie rozpocznie pomiar, a jego wynik pojawi się na ekranie.
Rodzaje oscyloskopów. Oscyloskopy analogowe i cyfrowe
Na rynku znajdziemy wiele różnych rodzajów oscyloskopów. Każdy z nich ma swoje unikalne właściwości, możliwości i zastosowania. Wiele zależy od przyjętych kryteriów podziału – podzieliliśmy je w zasadzie ze względu na typ zastosowanego przetwornika i planowane przeznaczenie, choć nie tylko. Wśród najczęściej spotykanych typów znajdziemy:
- Oscyloskop analogowy. Wykorzystuje kineskop do wyświetlania przebiegu sygnału wejściowego. Ten rodzaj oscyloskopu jest relatywnie prosty użyciu oraz posiada dużą przepustowość łącza. Oscyloskopy analogowe są często tańsze od swoich cyfrowych odpowiedników. Różnica ta jednak nie wpływa na jakość pomiaru, a narzędzie zapewnia dokładne wyniki, które są szczególnie cenione w środowisku laboratoryjnym. Wadą takiego urządzenia jest brak możliwości przechowywania i zapisywania pomiarów.
- Oscyloskop cyfrowy. Ten rodzaj oscyloskopu wykorzystuje przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) do digitalizacji sygnału wejściowego. Przetworzony sygnał jest wyświetlany na ekranie LCD lub LED. Cyfrowe modele oscyloskopów oferują zaawansowane funkcje takie jak przechowywanie, analiza i wyzwalanie danych. Urządzenia te mogą być jednak trudniejsze w użytkowaniu, a ich cena jest często wyższa. Warto zauważyć, że podczas procesu cyfryzacji nie zbierają danych, co może prowadzić do powstawania “ślepych punktów” w pomiarach.
- Oscyloskop sygnałów mieszanych – urządzenie to posiada zarówno układy wejściowe analogowe, jak i złącza cyfrowe – oscyloskop sygnałów mieszanych mierzy więc sygnały z analogowych kanałów wejściowych i sygnały cyfrowe z cyfrowych kanałów wejściowych. Wyniki te są wyświetlane i precyzyjnie zestawiane w celu porównania ich we wspólnej skali czasowej. Oscyloskopy sygnałów mieszanych sprawdzają się idealne do debugowania obwodów cyfrowych również dzięki temu, że oferują takie funkcje jak dekodowanie i analiza protokołów. Połączenie ze sobą tylu funkcjonalności niesie jednak za sobą rosnący poziom skomplikowania. Wpływa to na cenę urządzeń tej klasy, która w porównaniu z poprzednimi wariantami oscyloskopów może być znacznie wyższa.
- Oscyloskopy oparte na komputerze PC (PCO) – rodzaj oscyloskopu mogący wykorzystywać kartę ISA, host USB lub magistralę PCI. W tym duecie komputer osobisty dostarcza interfejs kontrolny, wyświetlacz, możliwość pracy w sieci, pojemność dysku twardego oraz działa jako źródło zasilania. Oscyloskop PC to urządzenie tanie i łatwe w transporcie, dzięki czemu jest szeroko stosowane przez techników jako narzędzie diagnostyczne w przypadku problemów z komputerem oraz w pracach konserwacyjnych z całą gamą urządzeń elektrycznych. Warto pamiętać, że praca tych urządzeń jest w dużej mierze zależna od komputera, do którego zostały podłączone, przez co mogą wymagać dodatkowego oprogramowania – a te z kolei musi być kompatybilne z systemem operacyjnym.
Jaki oscyloskop wybrać?
Dostępna na rynku ilość rodzajów, właściwości i funkcji oscyloskopów może wprowadzić w zakłopotanie, ale przy wyborze i zakupie pierwszego oscyloskopu wystarczy pamiętać o przynajmniej kilku podstawowych parametrach.
- Szerokość pasma, w której znajdzie się zakres mierzonych przez nas częstotliwości. Wybrany oscyloskop powinien mieć szerokość pasma co najmniej pięciokrotnie większą od największej składowej częstotliwości w sygnale.
- Częstotliwość próbkowania, czyli wartość, która określa, jak często oscyloskop próbkuje sygnał wejściowy. Częstotliwość powinna być na tyle wysoka, aby dokładnie uchwycić przebieg sygnału.
- Liczba kanałów odpowiednia względem ilości mierzonych sygnałów. Jeśli mierzymy pojedynczy sygnał, oscyloskop 2-kanałowy może być wystarczający, ale jeśli mamy za zadanie zmierzenie wielu sygnałów, to wówczas lepiej postawić na oscyloskop 4-kanałowy.
- Rozdzielczość oscyloskopu określająca liczbę bitów używanych do digitalizacji sygnału wejściowego. Przy niedostatecznej rozdzielczości jakość pomiaru spadnie, a wyniki będą zakłócone przez szum.
- Poziom wyzwalania, czyli wartość określająca sposób przechwytywania i wyświetlania przebiegów sygnału. Wybrany model powinien posiadać opcje pozwalające dopasować tzw. trigger – zależny od podawanego napięcia punkt rozpoczęcia rejestracji sygnału oscyloskopu.
Oprócz wyżej wymienionych parametrów warto zwrócić uwagę na interfejs – powinien być możliwie przejrzysty i intuicyjny. Dobrze, gdy urządzenia zawiera port USB (host USB). W przypadku oscyloskopów cyfrowych zawsze należy sprawdzić liczbę kanałów, analizator widma i wspomniane wcześniej częstotliwości próbkowania. Dodatkowe udogodnienia, a w wielu sferach działania i branżach absolutny must-have, to możliwości zapisu wyników pomiaru oraz wreszcie cena urządzenia.
