Spis treści:
Oscyloskop jest jednym z najważniejszych urządzeń pomiarowych – warto dokładnie poznać jego budowę i zasadę działania, by w pełni skorzystać z oferowanych przez niego możliwości.
Oscyloskop jest jednym z nielicznych urządzeń pomiarowych, wykorzystywanych w elektronice, które obrazuje wyniki pomiarów w formie graficznej. Choć obecnie w sprzedaży są już dostępne np. wysokiej klasy multimetry cyfrowe, wyposażone w funkcje generowania wykresów trendu mierzonych wielkości (bądź statystyk w postaci histogramu), to jednak większość przyrządów jest przeznaczona do wyświetlania liczbowych wartości, odpowiadających np. mierzonej rezystancji, napięciu czy też natężeniu prądu. Oscyloskop wprowadza natomiast zupełnie inne, niezastąpione w pracy elektronika możliwości – pozwala bowiem na przedstawianie napięć (a przy użyciu odpowiednich sond – także prądów) zmiennych w postaci wykresu, czyli dokładnie w tej samej postaci, którą znamy chociażby z podręczników elektroniki i innych materiałów branżowych.
Oscyloskop analogowy – protoplasta wszystkich współczesnych oscyloskopów
Oscyloskopy stanowią podstawowe narzędzie diagnostyczne dla inżynierów elektroniki, projektantów, serwisantów, czy też elektryków, pracujących w samochodowych stacjach diagnostycznych. Klasyczny oscyloskop analogowy – opracowany kilkadziesiąt lat temu – działa na zasadzie bezpośredniego wyświetlania sygnału wejściowego na ekranie katodowym. Napięcie podane na wejście pomiarowe jest wzmacniane i kierowane do zespołu elektrod odchylających, kontrolujących położenie wiązki elektronów w poziomie oraz pionie na ekranie oscyloskopu.
Pionowe odchylenie wiązki jest proporcjonalne do amplitudy sygnału wejściowego, natomiast poziome położenie plamki jest sterowane przez blok tzw. podstawy czasu, czyli precyzyjnego generatora przebiegu piłokształtnego, odpowiedzialnego za cykliczne „przemiatanie” ekranu z regulowaną częstotliwością. W ten sposób oscyloskop tworzy wykres sygnału w funkcji czasu – ekran fosforescencyjny reaguje na bombardowanie wiązką elektronów, emitując światło punktowe i tworząc widoczny wykres – im krótszy okres podstawy czasu, tym szybsze przebiegi można obrazować za pomocą urządzenia.
Oscyloskop cyfrowy – nowe rozdanie, nowe możliwości
Oscyloskop cyfrowy, w przeciwieństwie do analogowego, przetwarza sygnały wejściowe na dane cyfrowe przed ich wyświetleniem. Sygnał wejściowy jest najpierw próbkowany przez przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) w regularnych odstępach czasu, niezwykle zresztą krótkich – topowe oscyloskopy są w stanie mierzyć napięcie wejściowe z częstotliwością kilkudziesięciu miliardów na sekundę (!!). Zbierane próbki są następnie przechowywane w pamięci cyfrowej i przetwarzane przez procesor w celu dokładnej analizy, a wynik jest wyświetlany na ekranie ciekłokrystalicznym lub przesyłany do komputera, np. poprzez Ethernet lub łącze USB.
Zastosowanie szybkich i wydajnych układów cyfrowych pozwala na realizację szeregu niezwykle cennych operacji na mierzonych sygnałach – użytkownik może np. generować widmo częstotliwościowe (tryb analizy FFT), aplikować rozmaite filtry cyfrowe, wykorzystywać działania matematyczne (np. dodawanie, odejmowanie czy mnożenie sygnałów), a przede wszystkim – wykonywać automatyczne pomiary najważniejszych parametrów (np. wartości średniej, międzyszczytowej, skutecznej, a także okresu, częstotliwości, czasu trwania impulsu, współczynnika wypełnienia, czasów narastania i opadania oraz dziesiątek innych wielkości, bardzo istotnych w codziennej pracy elektronika).
Analog czy cyfra? Porównanie oscyloskopów różnych generacji
Oczywiście obie technologie oscyloskopów mają swoje zalety i wady. Oscyloskopy analogowe często są cenione za ich “żywą” odpowiedź i natychmiastową reakcję na zmieniające się sygnały, bowiem sygnał wejściowy (po wzmocnieniu) bezpośrednio steruje położeniem plamki na ekranie. Niestety, ma to także swoje istotne wady – bardzo wolne sygnały (o częstotliwości rzędu 1 Hz lub mniej) trudno jest wyświetlać w sposób czytelny, gdyż plamka szybko znika z ekranu (użytkownik nie widzi zatem linii wykresu, a jedynie ruch małej plamki światła). Jeszcze większy problem występuje w przypadku sygnałów nieokresowych – np. pojedynczych impulsów, zakłócających pracę badanego układu. Wad tych pozbawione są całkowicie oscyloskopy cyfrowe, wyróżniające się swoją zdolnością do zapisywania sygnału (zatrzymywania na ekranie lub „zrzucania” do pamięci wewnętrznej lub pendriva). W przypadku oscyloskopów cyfrowych należy jednak pamiętać o ograniczeniach, wynikających z ograniczonej częstotliwości próbkowania oraz ryzyka powstania zjawiska aliasingu, znacznie przekłamującego obraz bardzo szybkich sygnałów okresowych.
Do czego można wykorzystać oscyloskop?
Jak już wspomnieliśmy, oscyloskop pozwala na obserwację „kształtu” przebiegów okresowych (a w przypadku oscyloskopów cyfrowych – także rzadko występujących lub nawet pojedynczych sygnałów impulsowych), co ma podstawowe znaczenie w diagnostyce układów elektronicznych. Z tego też względu, oscyloskopy są absolutnie niezbędnym elementem prototypowni, działów badawczo-rozwojowych, serwisów urządzeń elektronicznych, warsztatów samochodowych, czy też pracowni uczelnianych i komercyjnych laboratoriów pomiarowych.
Dzięki zastosowaniu odpowiednich sond, możliwe jest rejestrowanie nie tylko napięć względem masy urządzenia, ale także napięć różnicowych, a nawet przebiegów prądowych – co ma szczególne znaczenie w aplikacjach energoelektronicznych. Warto wiedzieć, że umiejętne zastosowanie oscyloskopu pozwala także na wyznaczanie charakterystyk filtrów pasywnych i aktywnych, a nawet charakterystyk prądowo-napięciowych elementów półprzewodnikowych (np. diod i tranzystorów) – niektóre przyrządy są nawet wyposażone w specjalne, wbudowane generatory funkcyjne, w przypadku klasycznych urządzeń można natomiast wykorzystać w tym celu zewnętrzne generatory laboratoryjne. Nowoczesne oscyloskopy cyfrowe posiadają ponadto wbudowane funkcje analizy danych na liniach cyfrowych, np. SPI, I2C, czy też UART.
